From Light to Front: A Novel UV-LED On-Demand Curing Technology for Advanced Adhesives and Composite Manufacturing

Abstract

Actualment, hi ha un interès creixent pels sistemes de curat UV on-demand, gràcies a la seva major versatilitat i eficiència en comparació amb mètodes convencionals com el curat tèrmic. No obstant això, aquests sistemes presenten una limitació important: la incapacitat de curar zones ombrejades o materials amb geometries complexes i gran gruix, on la llum no pot penetrar adequadament.

En aquesta tesi s’ha desenvolupat un portfoli de productes UV-curing on-demand, incloent-hi sistemes tant radicalaris com catiònics. Les seves prestacions es van millorar pel que fa a reactivitat, profunditat de curat i inhibició per oxigen (en el cas dels sistemes radicalaris), mitjançant la incorporació de tiols secundaris i oxetans. Aquestes formulacions van demostrar aplicabilitat industrial en àmbits com adhesius, composites i impressió 3D. Tanmateix, no es va aconseguir un dark curing autosuficient i homogeni amb els enfocaments tradicionals de curat UV.

Per abordar aquest repte, aquesta tesi doctoral proposa una solució innovadora: un sistema de curat on-demand basat en una polimerització frontal autosostenible iniciada per llum UV-LED, escalable a nivell industrial i adaptable a múltiples aplicacions. Aquesta estratègia, anomenada Cationic Induced Cationic Frontal Polymerisation (CICFP), ofereix més versatilitat de formulació i disponibilitat de matèries primeres que enfocaments previs com la RICFP.

A més, el sistema CICFP es va optimitzar i personalitzar, permetent la seva implementació en aplicacions industrials reals, tant en adhesius com en la fabricació de composites estructurals.

En conjunt, aquesta tesi estableix les bases per a una nova generació de tecnologies de curat on-demand, més eficients, sostenibles i adaptables, amb un alt potencial en sectors com l’automoció, la construcció, l’electrònica i la fabricació additiva.

Actualmente, existe un creciente interés por los sistemas de curado UV on-demand, debido a su mayor versatilidad y eficiencia frente a métodos convencionales como el curado térmico. No obstante, presentan una limitación importante: la incapacidad de curar zonas oscuras o materiales con geometrías complejas y gran espesor, donde la luz no puede penetrar adecuadamente.

En esta tesis se desarrolló un porfolio de productos UV-curing on-demand, tanto radicalarios como catiónicos, mejorando sus prestaciones en cuanto a reactividad, profundidad de curado e inhibición por oxígeno (en el caso de los sistemas radicalarios), mediante la incorporación de tioles secundarios y oxetanos. Estas formulaciones demostraron su aplicabilidad en diferentes ámbitos industriales como adhesivos, composites e impresión 3D. Sin embargo, el curado autosuficiente y homogéneo de zonas oscuras (dark curing) no pudo lograrse con los sistemas UV tradicionales.

Por ello, esta tesis doctoral propone una solución innovadora: un sistema de curado on-demand basado en una polimerización frontal autosostenida iniciada por luz UV-LED, viable a escala industrial y adaptable a múltiples aplicaciones. Esta estrategia, denominada Cationic Induced Cationic Frontal Polymerisation (CICFP), ofrece mayor versatilidad y disponibilidad de materias primas que enfoques previos como la RICFP.

Además, la formulación CICFP fue optimizada y adaptada, permitiendo su implementación en aplicaciones industriales reales, tanto en adhesivos como en la fabricación de composites estructurales.

En conjunto, esta tesis sienta las bases para una nueva generación de tecnologías de curado on-demand, más eficientes, sostenibles y con alto potencial de aplicación en sectores como automoción, construcción, electrónica y fabricación aditiva.

Currently, there is growing interest in on-demand UV curing systems due to their higher versatility and efficiency compared to conventional methods such as thermal curing. However, these systems face a major limitation: the inability to cure shadowed areas or materials with complex geometries and high thickness, where light cannot effectively penetrate.

In this thesis, a portfolio of on-demand UV-curing products was developed, including both radical and cationic systems. Their performance was enhanced in terms of reactivity, curing depth, and oxygen inhibition (for radical systems) through the incorporation of secondary thiols and oxetanes. These formulations demonstrated industrial applicability in adhesives, composites, and 3D printing. Nevertheless, achieving a self-sustained and homogeneous dark curing in shadowed areas was not possible with traditional UV-curing approaches.

To address this challenge, this doctoral thesis proposes an innovative solution: an on-demand curing system based on a self-sustained frontal polymerisation initiated by UV-LED light, scalable at industrial level and adaptable to multiple applications. This strategy, known as Cationic Induced Cationic Frontal Polymerisation (CICFP), offers greater formulation versatility and raw material availability than previous approaches like RICFP.

Additionally, the CICFP system was optimized and tailored, enabling its implementation in real industrial applications, including adhesives and the manufacturing of structural composites.

Altogether, this thesis lays the foundation for a new generation of on-demand curing technologies that are more efficient, sustainable, and adaptable, with high potential in sectors such as automotive, construction, electronics, and additive manufacturing.