In-situ characterization of thin thermoset coatings obtained by photo-induced polymerization

This essay will present the experimental results obtained by the in-situ characterization of the photo-polymerization process that involves two UV-curable resins with different chemical composition. The effects of different curing parameters, such as the curing time and intensity of the UV lamp, are taken into consideration, with the aim to describe and follow the main physical and chemical transformations occurring during the polymerization. Remarkable results showed that equivalent doses of radiation are able to produce the same degree of C=C conversion and density of crosslinking, which means that the network is insensitive to the use of higher intensities or times; however, when particularly high light intensities are involved, the activation of a large number of radicals pushes the process to very large extent, making the previous conclusion no more valid. It has been found that viscosity and gelation point of the material, which are defined by its chemical composition, are responsible for the evolution of the structure, allowing molecular movements and chain rearrangements: this has a direct effect over the properties of the material, such as the roughness, thickness and glass transition temperature. The definition of a gelation point also allows to distinguish two regimes of reaction, which are characterized by different rates of polymerization. For the first time in literature, by performing synchrotron in-situ characterization, it has been possible to detect the presence inside the material of scattering centres which increase their dimensions during the polymerization of the resin. Moreover, X-Ray scattering allowed to study the roughness of the materials by looking through the whole thickness of the coatings, thus demonstrating the presence of changes both at the coating-air and at the substrate-coating interface.

In questo elaborato si presentano i risultati sperimentali ottenuti dalla caratterizzazione del processo di foto-polimerizzazione che coinvolge due resine foto-reticolanti con diversa composizione chimica. Vengono presi in considerazione gli effetti derivanti dalla modifica dei parametri di reticolazione, come il tempo di esposizione e l’intensità della lampada UV, con l’obiettivo di descrivere e seguire le principali trasformazioni che avvengono durante la polimerizzazione. Si è osservato che l’applicazione di dosi equivalenti di radiazione sono in grado di produrre lo stesso grado di conversione di C=C e la stessa densità di reticolazione: ciò significa che il network non è in grado di distinguere tra la applicazione di tempi o intensità più elevate. Ad ogni modo, l’utilizzo di intensità di radiazione particolarmente elevate comporta l’attivazione di una grande quantità di radicali e forza l’avanzamento del processo, rendendo non più valida la precedente conclusione. Si è mostrato inoltre che la viscosità e il punto di “gelation” del materiale, che sono definiti dalla sua composizione chimica, sono responsabili dell’evoluzione della struttura consentendo movimenti molecolari e riorganizzazione delle catene polimeriche: questo ha un effetto sulle proprietà del materiale, come la sua rugosità, spessore e temperatura di transizione vetrosa. La definizione di un punto di “gelation” consente anche di distinguere due regimi di reazione, che sono caratterizzati da diverse velocità di polimerizzazione. Per la prima volta in letteratura è stato possibile, attraverso una caratterizzazione in-situ al sincrotrone, individuare nel materiale la presenza di centri di scattering, le cui dimensioni aumentano nel corso della polimerizzazione della resina. Inoltre, lo scattering a raggi X ha consentito di studiare la rugosità dei materiali esaminando l’intero spessore dei rivestimenti e dimostrando così l’esistenza di modifiche sia all'interfaccia rivestimento-aria sia a quella substrato-rivestimento.