新软件可以帮助辐射固化行业的配方师、制造商和整理工程师提高生产力，缩短新产品推向市场的时间。

辐射固化是近1000亿美元的油漆和涂料市场中一个很小但快速增长的部分。根据SpecialChem4Coatings网站上最近发布的几篇文章，油漆和涂料的世界总市场仅以GDP增长率增长，而辐射固化部分，2005年仅占总市场的3.2%，年增长率为6%然而，辐射固化不仅仅是简单的保形涂层。它还包括影响包装、半导体和电子产品以及纺织市场的成像应用，在这些市场中，紫外线辐射或电子束技术用于创建光聚合物图案，用于后续开发或整体表面固化(例如CD和DVD涂层)。当这部分包括在内时，总可定位的辐射固化市场近30亿美元，年增长率为4%至8%。

这个有吸引力的市场还受益于指向持续改善增长的积极趋势。不断上涨的能源和材料成本以及全球范围188金宝搏bet官网内向绿色制造工艺发展的趋势，都支持传统涂层和干燥技术向快速、清洁、基于辐射的制造方法的转变。

是什么阻碍了更广泛地引入基于辐射的制造?部分原因在于传统涂料制造商庞大的基础设施。但辐射固化技术也让许多希望进入的人望而却步，因为辐射固化需要一定的聚合物化学、光化学、配方科学、光源工程和制造过程质量控制方面的知识。此外，辐射固化的复杂价值链创造了一种抑制价值链上交流的氛围。188金宝搏bet官网材料供应商不愿与配方商共享数据，光源制造商推广的工艺和设备不一定能优化可制造性或提高质量。

最近，新开发的软件使用户能够在计算机上创建虚拟配方;设置辐射固化条件，如光源选择、功率输入水平和环境条件;然后分析和优化材料组合、工艺成本和光源利用，所有这些都无需在实验室混合单一配方或在生产线上进行测试。虽然使用这种软件不会消除实验室或生产线实验的需要，但它可以缩短将新配方推向商业状态的时间。此外，该软件的网络功能和通信工具可以在供应商和客户之间安全地共享信息，而不会丢失机密性。通过这些和其他好处，该软件正在为辐射固化行业创造新的机会。

必要的组件

该软件由三个模块组成——一个数据库、一个配方工具、一个网络和通信工具——它们连接在一起，预测和优化材料配方的光固化性能。188金宝搏bet官网

该数据库包括材料、光源和其他设备，以及用于开188金宝搏bet官网发和制造辐射固化涂料配方的任何辅助项目。光引发剂、单体、低聚物和添加剂(包括颜料)可以作为现有数据库的一部分提供，也可以由用户添加。还包括各种光源，包括许多掺杂汞灯、几种激光器、一些荧光源和激光二极管源。该数据库还包含了几种可以在光源和被照射涂层之间撞击的滤光材料，以及几种对不同波长的光188金宝搏bet官网具有不同反射率的基材示例。在所有数据库类别中，用户可以输入其他材料、基材、滤光片和光源来定制软件。188金宝搏bet官网

在配方模块中，用户创建配方，存储它们以供以后检索或修改，并在固化场景中使用它们进行分析。用户还可以进行优化和假设分析，与那些继续进行耗时、重复和昂贵的形式分析(如实验设计)的公司相比，这些分析可以提供竞争优势。

第三个模块被设计成一个专家工具和基于网络的通信模块，用于在保密的基础上进行小组互动协作和分享结果。该模块通过结合先进的方法和变量扩展了软件的建模能力范围，并通过为特定用户组量身定制的自定义条目和解决方案创建可能性来增强数据库。

运行中的软件

该软件的功能允许公司基于当前或过去的研究来建模和预测辐射固化涂料的行为。例如，在20世纪80年代末和90年代初，Christian Decker教授和他当时的学生Khalil Moussa在法国光化学实验室(位于米卢斯的国立高等化学学院)开始了一系列的出版物，在这些出版物中，他们介绍了实时红外光谱(RTIR)的方法，以跟踪光诱导的光聚合过程，在许多不同的条件下，包括在空气中，在惰性气体环境中或在层压结构中。这些开创性的研究也为光聚合的时间过程提供了一些最好和最广泛的数据。

Decker和Moussa (D-M)研究了几种常见光引发剂在氪离子激光(Kr+， 337.4 nm光)的影响下引发的一系列配方，其中一种是两种商用单体:己二醇双丙烯酸酯(HDDA)和氨基甲酸酯丙烯酸酯[2-(异丙基羰基-氨基)乙酯丙烯酸酯]的1:1重量混合物。该配方由Irgacure 651(苄基二甲基酮)发起，其含量为5%。3薄膜以1微米的厚度浇铸，然后用聚乙烯覆盖物层压，以防止大气中的氧气进入薄膜。

创建数据表

要使用新软件对这一公式建模，用户首先要点击启动屏幕上的数据库按钮，调出启动器的数据表。将出现一个对话框，提示用户获取数据表、向数据库添加新项目或通过关键字搜索数据库。单击“获取数据表”按钮，用户可以选择可用于生成数据表的不同材料和设备类别。

要为光引发剂创建数据表，用户可以选择“启动器”来拉出一个启动剂列表。点击Irgacure 651，然后“生成”按钮将产生一个新的对话框，用户可以通过选择浓度或重量百分比水平、光学特性和路径长度厚度来设置数据表的表示。由于D-M在1微米厚度下使用了5%重量百分比的水平，用户将做出其中一个选择，然后单击“确定”生成数据表。

数据表将显示Irgacure 651的物理性质数据，如分子量、物理外观、密度、熔点、自由基产生的量子产率和选择的呈现厚度。它还将显示三个图形，如图1和图2所示(第16页)。图1中最上面的图是该材料的吸收光谱(乙腈)。图1中的底部图表由三个选择的加载水平的光学消光图组成。蓝线表示所选的最高负荷，而红色表示中等负荷，绿色表示最低负荷，均为所选厚度(路径长度)。在这种情况下，5 wt %水平(红色)在1微米厚度产生低光吸收。事实上，在激光发射波长(334.7 nm)处，光密度仅为0.007。(注意图中右下角334 nm处光标显示的点。)

图2中的底部图是相对光谱灵敏度图，位于光密度曲线的下方。这张图再次显示，在选择的三个加载水平下，什么波长的光将在该薄膜中产生最大的聚合反应，其值为1.0是“理想响应”。在这种情况下，对于这种非常薄的薄膜(1微米)，这个值是相当低的，远远没有达到理想值。如图3所示，通过扩大图尺度和使用光标指向技术，用户可以确定在334 nm处的相对光谱灵敏度为0.04。

创建一个公式

在创建所需的数据表后，用户可以使用软件的配方模块创建D-M使用的配方，并模拟其暴露在氪离子激光下。在主配方屏幕上，用户可以创建一个新的配方(或修改一个已有的配方)，分析已经创建和存储的配方，或创建自定义过滤器或基质。点击“创建或修改配方”会弹出一个配方创建屏幕。用户将为稍后检索的配方命名，并在启动器部分向下滚动，直到Irgacure 651可见，然后将检查该选项是否包含。该软件将自动在屏幕底部的表格中输入启动器，表格中列出了正在创建的配方。继续到单体列表，用户将检查Acticryl 960 (SNPE的名称氨基甲酰酰基酯)和SR 238 (Sartomer的名称HDDA)。然后，用户输入每种物质的数量，以克为单位，制成5% Irgacure 651, 1:1 HDDA:Acticryl 960配方，指定为“D-M HDDA Acticryl 5% 651”。用户将单击“保存配方”并导航回配方主页面，在那里他/她将单击“上下文分析配方”。

运行模拟

用户创建的配方将存储在配方数据库的“我的配方”部分。用户可以下拉“选择配方”滚动列表，在列表中找到“D-M HDDA Acticryl 5% 651”并选择。然后，软件会要求用户对分析进行命名。选择“D-M Test 1”将弹出一个屏幕，其中配方本身将被列在右侧，配方和分析名称将被列出以供参考。然后，用户将被要求提供一个“分析环境”，其中包括光源、气氛和薄膜厚度。仔细阅读可用环境列表，用户可以选择“Decker Kr+ Laser”，然后单击“显示详细信息”。一组新的数据将出现在屏幕上，包括描述D-M中规定的薄膜曝光条件的所有变量:激光功率在薄膜表面产生50mw /cm2;该薄膜是层状结构，这意味着氧气存在于薄膜体积中，但当原始氧气浓度耗尽时，没有新的氧气可以穿透;薄膜厚度为1微米。其他参数也可以选择; for example, the user could choose to intersperse a filter between the light source and the film, or could choose a substrate that reflected some or all of the light that passes through the film thickness.

在运行模拟曝光之前，用户需要评估几组预分析数据，以防需要进行更改。首先，“估计的转换限制度”将根据配方的功能提供一个估计，即在此配方中可以预期的双键转换(交联)的程度。其次，“表观极限转化度”(LDCa)将显示基于运行条件的预期交联程度，考虑可用的功率和用于抑制的氧气的可用性。在这种情况下，最不发达国家的估算值将与最不发达国家的估算值大致相同。该软件还将显示估计的诱导期。

屏幕右中间部分的一个方框将显示计算中使用的“动能链长”(KCL)的值。KCL是指每生成一个自由基所转化的单体单位的数量，它是交联反应的一个关键参数。虽然软件使用专有算法自动生成KCL，但用户可以通过勾选“Alternate KCL”选择框并输入新值来更改此值。

要运行实验，用户需要点击“生成数据表”。在短暂的等待之后，计算结果将显示在一个数据表中，可以保存，并用作电子笔记本页来记录实验。

数据表

数据表包含几种数据。第一列数据记录配方和运行的环境条件。标题为“上下文数据”的部分提供了计算的数值输出，为了逻辑一致性，这些输出被分组为子部分。第一部分是一系列关于交联程度的数据(LDA和LDCa，加上到达LDC所需的时间)。其次是关于配方的信息，包括配方的功能性和功能密度(以摩尔/毫升为单位的双键浓度)，以及交联前的配方密度(“湿”密度)和交联后的配方密度(LDC转换密度)。数据的第一列还记录了诱导期和配方的成本，这是根据用户输入的成本计算的。

在数值数据的第二列是由软件生成的几个计算值。第一个是一组“功绩”(FOM)，一个用于表面层，一个用于薄膜的底层。还计算了这些值的比值。FOM值与曝光过程中在薄膜厚度指定点上产生的自由基浓度有关。因此，它们指示表面和底部的固化，并与外部数据有关，例如表面粘性、抗划伤性或薄膜与基材的附着力。下一个数据是“线速度指示器”，这是一个上下文指示，表示在描述的条件下，这种配方的网络电影可以多快固化。当在几次运行(或公式)的上下文中使用时，软件将正确地将运行(公式)按线速度排序，从最慢到最快。

接下来显示的是“(薄膜体积)与凝胶反应的分数”(Fre)，它表示必须转换为交联材料(凝胶)的薄膜成分的最小分数，以便通过某种物理手段(例如，通过溶剂冲洗)“显影”以生成可见图像。它表示系统对有效转换所需能量的最小响应。另外两个项目，如果存在-“表面损失到氧气”和“涂层损失到氧气的百分比”-与氧抑制聚合和由于这种抑制而导致的膜成分损失有关。

最后，最后的数值基准是计算的“聚合速率”的组成，引用为摩尔/升秒。这是相关的(上下文)速率，可以从，例如，一个RTIR实验由Decker和Moussa执行，或从光量热技术。

除了数值数据外，数据表还生成了与许多标准实验数据集相关的图形数据。图4(第17页)中最上面的图表显示了缩水率图，表明了该配方作为转换度的函数可预期的缩水率百分比。图4中的中间图显示了“穿透深度”曲线。对于这种非常薄的薄膜(1微米)，图形有点模糊，因为单色激光直接通过薄膜的底部。图4底部的图是薄膜吸收光谱(蓝色)与光源输出(红色)的卷积图。

图5中的中间图是公式的“理想吸收”(蓝色)与光源光谱(红色)的卷积图。这个图显示了什么波长的光可以期望最有效地固化配方。图5中的底部图表显示了公式随时间的转换过程。蓝色是双键转化率(百分比)随时间的变化;红色的是“凝胶反应的分数”，它被描绘为凝胶前端通过薄膜的厚度。最后，绿色为光引发剂消耗的时间过程。在他们的论文中，Decker和Moussa展示了在上述条件下这种配方的转换曲线。图6将他们的数据(X)与软件计算的转换曲线进行了比较。

从图6可以看出，该软件在再现实验数据方面做得很好。聚合的程度与Decker和Moussa的数据吻合得很好，并且计算重现了聚合后期的数据。然而，软件在早期并不是很适合。计算得到的诱导周期比Decker和Moussa观察到的短(0.05秒vs.实验0.16秒)，软件计算出的聚合速率为10摩尔/升秒vs.观测值为5摩尔/升秒。此外，Decker和Moussa表示，如果他们从薄膜结构中去除保护性聚乙烯层压覆盖物，并允许氧气自由地移动到组合物中并抑制聚合，那么这种非常薄的涂层根本不会聚合。也就是说，在使用的激光功率(50 mw/cm2)下，引发速率不足以克服氧抑制。当改变模拟中的曝光环境，将薄膜打开到空气中，软件预测不会发生聚合。

请注意图7中数据输入表单与初始场景中分层结构公式的差异(红色圈出)。当生成露天条件下的数据表时，软件用红色表示涂层厚度已“流失到空气中”(见图8)，警告用户不会发生聚合。

计算有多可靠?

图7所示结果与实际实验数据相比是否存在缺陷?D-M表明，这种配方，特别是在厚度只有1微米时，对氧气的存在非常敏感。回想一下，该软件计算的诱导周期为0.05秒，而D-M的观测值为0.16秒。D-M用来防止氧气进入薄膜结构的方法，也就是简单地在样品表面铺上一层聚乙烯薄膜，可能是无效的。如果将数据移到较短的初始时间值，与计算得出的诱导周期保持一致，则软件计算结果与实验结果拟合得更好。如果聚乙烯薄膜只有1-2密耳的厚度，在2秒的曝光时间内可以发生显著的氧气补充。这可能会延长表观诱导期。在D-M论文中提出的其他例子中，大多数诱导周期都在0.03-0.07秒之间，更符合软件计算的结果。

优化配方

新软件允许用户在几个重要方面优化配方性能。在保持引发剂不变的情况下，可以优化配方的速度，也可以用新的引发剂代替最初选择的引发剂。此外，合理选择引发剂可以在不牺牲速度的情况下优化配方的价格;如果用户有向光引发剂供应商支付的价格的良好数据，该软件可以帮助进行这种选择。最后，对光源进行优化配方性能。如果用户有一个公式，无论出于什么原因，需要保持固定，软件可以探索使用新的曝光源，以提高系统的速度。

通过这些和其他好处，该软件可以帮助辐射固化行业的配方师、制造商和整理工程师提高生产力，缩短新产品的上市时间。

Glen A. Thommes, Jeffrey Thommes, David F. Eaton和Daniel Mickish是PrecisionCure有限责任公司(Wilmington, DE)的合伙人，PrecisionCure辐射固化软件的开发者。更多信息，请访问 www.PrecisionCure.com ．