Ziel der Entwicklung
Ansatzpunkt dieses Projekts war es, durch den Einsatz höherbrechender optischer Verkapselungs- oder Vergussmaterialien für LEDs die Brechzahldifferenz zu den LED-Materialien zu verringern und dadurch die Lichtausbeute der LEDs zu erhöhen. Für die ausgehärteten Materialien wurden Brechungsindizes größer 1,6 angestrebt. Realisiert werden sollte die Zielstellung über die Entwicklung von lösungsmittelfreien Thiol-Alkin-Harzsystemen, die innerhalb weniger Minuten bei Raumtemperatur über photochemisch initiierte Click-Reaktionen spannungsfrei aushärten. Damit eröffnet sich für die Harze eine Anwendung für thermisch empfindliche elektronische/optische Bauteile. Gleichzeitig wird mit den resultierenden Energie-, Kosten- und Zeiteinsparungen des nebenproduktfreien Härtungsprozesses eine nachhaltige Entwicklung beabsichtigt. Die Erhöhung der Brechungsindizes sollte einerseits über eine Erhöhung der Vernetzungsdichte durch Verwendung von Alkinen anstelle von Alkenen als Reaktionspartner der Polythiole und andererseits über den zusätzlichen Einbau von Schwefel in die Alkinstruktur erreicht werden. Zu diesem Zweck erfolgt die Synthese spezieller schwefelhaltiger Polyalkinprepolymere mit terminalen Alkingruppen.
Im Ergebnis dieses Projekts sollen witterungsstabile Materialien entwickelt werden, die sich neben hohen Brechungsindizes durch einen hohen Transmissionsgrad im sichtbaren Spektrum sowie durch ihre Einsatzfähigkeit über weite Temperaturbereiche auszeichnen.
Vorteile und Lösungen
Kombinationen aus Polythiolen und Alkenverbindungen sind, dem Stand der Technik entsprechend, zu schnell ablaufenden UV-initiierten Click-Reaktionen bei milden Temperaturbedingungen befähigt. Diese können beispielsweise für Verkapselungen und Vergussmassen für temperaturempfindliche Bauteile genutzt werden. Zur Verbesserung der Lichtausbeute sind hochbrechende Materialien gefragt. Der Lösungsansatz zur Generierung solcher Harze besteht einerseits darin, durch den Austausch der Alkene gegen Alkine (die Ethinylgruppe eines Alkins ist zur Reaktion mit zwei Thiolgruppen befähigt, die Vinylgruppe eines Alkens dagegen nur mit einer) die Vernetzungsraten zu erhöhen. Stärkere Vernetzungen der Polymere bewirken ansteigende Brechzahlen. Andererseits sollte die Implementierung von Schwefel als ein Element mit höherer Massenzahl in die Molekülstruktur der Alkinkomponente eine weitere Erhöhung der Brechungsindizes ermöglichen. Dazu erfolgte die Ausarbeitung einer Strategie und deren Umsetzung bei der Synthese geeigneter schwefelhaltiger terminaler Polyalkinprepolymere. Diese werden mit geeigneten Polythiolen zu lösemittelfreien Harzen verarbeitet, die bei sehr kurzen Härtungszeiten quasi schrumpfungsfrei raumtemperaturhärtend sind und stabile elastische Polymere guter Transparenz und mittlerer Temperaturbeständigkeit ergeben, welche Brechungsindizes vergleichbar mit höheren Werten der (Meth)acrylate aufweisen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der europäische und globale LED-Leuchtmittelmarkt, die Fertigung spezieller optischer Kunststofflinsen und begrenzte Anwendungssegmente der Glasfaserindustrie werden als Hauptzielmärkte der Entwicklung gesehen. Mit dem für die nächsten fünf Jahre prognostizierten Wachstum des LED-Marktes in Höhe von 5-6 Prozent zeichnen sich auch Wachstumspotenziale für die benötigten polymeren Verkapselungsmaterialien und optoelektronischen Vergussmassen ab. Das gleiche gilt für Glasfaserhüllmaterialien, die spezielle Eigenschaftsanforderungen zu erfüllen haben. Die entwickelten Materialien werden aufgrund ihrer Spezifikationen (Transparenz, Stabilität, Flexibilität, Brechungsindex) hier ihre Anwendungen finden können.
Durch die eingehende Auseinandersetzung mit der Problematik der Alkinprepolymersynthese und den Eigenschaften der Harze und ihrer polymeren Produkte wurde eine fundierte Basis hinsichtlich weiterer Enwicklungen auf dem Gebiet lösungsmittelfreier, optisch hochbrechender Harze geschaffen. Fußend auf den Ergebnissen wird eine Fortführung dieser Forschungen in weiteren Projekten sowie die Bearbeitung kundenspezifischer Anfragen möglich sein.
