Entwicklung und Erprobung strukturmodifizierter Farbstoffe zur Erzielung photochromer Effekte mit verbesserter Effizienz und Permanenz in Polymeren oder Harzgrundstoffen

Photochrome Effekte in Polymeren – wiederholbare Farbwechsel nach Einfall von kurzwelligem Licht – bieten ein beträchtliches Potential, die Funktionalität eines Produkts zu bereichern. In den letzten Jahrzehnten wurde eine große Anzahl organischer photochromer Verbindungen entdeckt bzw. gezielt synthetisiert; ständig kommen neue Substanzen hinzu. Derzeit wichtigste Anwendungen sind selbst-verdunkelnde Kunststoffe, insbesondere für Brillen oder für modische Accessoires. Damit ist das innovative Potential dieser Substanzen aber längst nicht erschöpft. Allerdings wird der photochrome Farbumschlag immer von Nebenreaktionen begleitet, die zur kontinuierlichen Abschwächung des Farbumschlags führen (Fatigue). Diese rasche Alterung behindert jegliche Entwicklung neuer Produkte. Dazu verfolgte das Projekt eine neuartige Idee: verändert wurde das Migrationsverhalten des Farbstoffs in der Weise, dass er sich gezielt an der (Kunststoff- bzw. Faser-) Oberfläche anreichert – also genau dort, wo er seine Effekte entfalten soll. Die Migration beruht auf dem Andocken von sekundären Substituenten, die zum einen die Beweglichkeit des gesamten Moleküls erhöhen, zum anderen dessen Austritt aus der Matrix verhindern. Eine derartige Anreicherung an der Oberfläche führt zum UV-Schutz innerer Farbstoffteilchen, zu insgesamt geringeren Kosten für die Färbung, zur Abschwächung der Aggregation der Teilchen und zur besseren Verträglichkeit in den Matrices.

TITK hat eine Reihe von Strategien zum Andocken von Ankergruppen an photochrome Pigmente entwickelt – sowohl speziell für die Harze des Industriepartners als auch für Thermoplaste. Voraussetzung für die Umsetzung ist, dass sich die Farbstoffe grundsätzlich für eine derartige strukturelle Modifizierung eignen, dass sie also über entsprechende funktionelle Gruppen verfügen. Dazu wurde eine große Vielzahl von kommerziellen photochromen Pigmenten betrachtet. Grundsätzlich ist eine solche kovalente Modifizierung möglich, ohne die Photochromie zu verlieren. Die Eigenschaften der ausgehärteten polymeren Matrix verändern sich durch den Farbstoff nicht.

In Prinzipversuchen wurde nachgewiesen, dass ein Gradient an photochromem Farbstoff sowohl in Harz als auch in Thermoplast das Fatigueverhalten günstig beeinflusst. Mit zusätzlichen Stabilisatoren aus dem Kunststoffbereich lässt sich die Widerstandsfähigkeit gegenüber UV-Alterung in Thermoplasten erhöhen. In den Harzen des Industriepartners reichen die ohnehin vorhandenen Alterungsschutzmittel offensichtlich aus. Das Projekt zeigte die grundsätzliche Modifizierbarkeit ohne Schädigung des Chromophors; allerdings sind im Moment am Markt nur sehr wenige photochrome Substanzen mit geeigneten Ankergruppen verfügbar.