Lichtinduzierte Degradation optischer Aufheller

Optische Aufheller werden bei vielen Materialien (Textil, Kunststoff, Papier etc.) eingesetzt, um den visuellen Eindruck der weißen Farbe zu verbessern. Dabei absorbieren die Aufheller UV-Strahlung aus dem Umgebungslicht und emittieren diese Energie fluoreszierend im bläulichem Bereich. Standardmäßig werden zu diesem Zweck sog. Stilbene eingesetzt. Die Moleküle liegen aufgrund ihrer räumlichen Anordnung in einer cis- oder trans-Form vor. Lediglich das Trans-Isomer zeigt dem Zweck der Aufhellung entsprechende Fluoreszenz. Hingegen kann das optisch inaktive Cis-Isomer unter Absorption eines Photons irreversibel zerfallen. Entsprechend nimmt die Konzentration der Aufheller zeitlich ab, was sich bei der visuellen Betrachtung als sog. Ausblassen bemerkbar macht. Dieser Prozess dauert bei der Belichtung mit natürlichem Licht Tage oder Wochen, er kann allerdings in Lichtalterungskammern auf wenige Tage verkürzt werden.

Im Labor für UV-Belichtung wird dieser Vorgang durch den Einsatz hochintensiver UV-Strahlung extrem beschleunigt, sodass eine komplette Degradierung innerhalb weniger Minuten ermöglicht wird. Dabei wird der zeitliche Verlauf der Aufhelleremission gemessen, wonach sich ein zweistufiger Zerfallsprozess bemerkbar macht. So fällt die Emission zu Beginn stark ab und geht nach kurzer Zeit in einen langsamen Zerfall über. Dieser Verlauf bestätigt das oben erwähnte Modell, das bisher nur Stilben in Flüssigkeiten erforschte. Eigene oder andere Untersuchungen, wie sehr die Intensität der Belichtungsquelle die Degradationsraten der Aufheller beeinflusst, zeigten, dass für die Degradierung optischer Aufheller lediglich die kumulative Lichtdosis entscheidend ist. Somit kann eine langzeitige Belichtung geringer Intensität (z.B. Sonnenstrahlung) durch kurzzeitige Belichtung hochintensiver Intensität zur Qualitätskontrolle ersetzt werden. Des Weiteren wurde der Einfluss der Temperatur während der Belichtung untersucht. Dabei zeigt sich, dass eine Temperaturerhöhung das Zerfallsverhalten der optischen Aufheller enorm beschleunigt. Anhand der Emissionsverläufe wird darauf geschlossen, dass dieser Effekt an eine Veränderung der Isometrisierungswahrscheinlichkeiten liegt, wie sie für Aufheller in Flüssigkeiten schon nachgewiesen wurde.

Eine weitere Erhöhung der Belichtungsintensität kann durch die Verwendung eines UV-Lasers erreicht werden. In diesem Fall können optische Aufheller innerhalb weniger Millisekunden degradiert werden. Durch eine gerasterte Führung eines Laserspots können mit dieser Methode durch die selektive Degradierung der optischen Aufheller latente Bilder in ein Papier eingebracht werden, die erst unter Schwarzlicht sichtbar sind. Mit dieser Methode lassen sich potentiell ohne die Verwendung von Chemikalien Sicherheitsmerkmale in Dokumente einbringen.

Mehr Informationen: Alexander Mick-Schäfer, M.Sc.