Wysokowydajne powłoki utwardzane promieniowaniem UV są stosowane w produkcji podłóg, mebli i szafek od wielu lat. Przez większość tego czasu dominującą technologią na rynku były powłoki w 100% stałe i rozpuszczalnikowe, utwardzane promieniowaniem UV. W ostatnich latach technologia powłok utwardzanych promieniowaniem UV na bazie wody rozwinęła się. Żywice utwardzane promieniowaniem UV na bazie wody okazały się użytecznym narzędziem dla producentów z wielu powodów, w tym z powodu pozytywnego wyniku testów bejcy KCMA, odporności chemicznej i redukcji emisji lotnych związków organicznych (LZO). Aby technologia ta mogła nadal rozwijać się na tym rynku, zidentyfikowano kilka kluczowych obszarów wymagających udoskonalenia. Dzięki temu żywice utwardzane promieniowaniem UV na bazie wody przekroczą granice „niezbędnych” cech większości żywic. Zaczną one wzbogacać powłokę o cenne właściwości, przynosząc wartość każdemu ogniwu łańcucha wartości, od producenta powłoki, przez aplikatora fabrycznego, instalatora, aż po właściciela.
Producenci, zwłaszcza dzisiaj, oczekują powłoki, która spełni nie tylko wymagania. Istnieją również inne właściwości, które zapewniają korzyści w produkcji, pakowaniu i montażu. Jedną z pożądanych cech jest poprawa wydajności zakładu. W przypadku powłok wodorozcieńczalnych oznacza to szybsze uwalnianie wody i większą odporność na blokowanie. Inną pożądaną cechą jest poprawa stabilności żywicy, umożliwiająca jej ponowne wykorzystanie i zarządzanie zapasami. Dla użytkownika końcowego i instalatora pożądane są lepsza odporność na polerowanie i brak śladów metalu podczas montażu.
W niniejszym artykule omówiono nowe osiągnięcia w zakresie poliuretanów utwardzanych promieniami UV na bazie wody, które oferują znacznie lepszą stabilność w temperaturze 50°C, zarówno w przypadku powłok bezbarwnych, jak i pigmentowanych. Omówiono również, w jaki sposób żywice te spełniają pożądane cechy aplikatora powłok, zwiększając prędkość linii produkcyjnej poprzez szybkie uwalnianie wody, lepszą odporność na blokowanie i rozpuszczalniki poza linią, co przekłada się na szybszą pracę podczas układania i pakowania. Zmniejsza to również uszkodzenia, które czasami występują poza linią produkcyjną. W artykule omówiono również ulepszenia w zakresie odporności na plamy i substancje chemiczne, istotne dla instalatorów i właścicieli.
Tło
Rynek powłok stale się zmienia. „Must have” w postaci spełnienia specyfikacji przy rozsądnej cenie za milę nałożonej powłoki to po prostu za mało. Rynek powłok nakładanych fabrycznie na meble, stolarkę, podłogi i meble dynamicznie się zmienia. Od producentów powłok, którzy dostarczają je do fabryk, oczekuje się, że będą one bezpieczniejsze dla pracowników, usuną substancje stanowiące zagrożenie, zastąpią lotne związki organiczne wodą, a nawet ograniczą zużycie węgla kopalnego i zwiększą biowęgiel. W rzeczywistości, w całym łańcuchu wartości, każdy klient oczekuje od powłoki czegoś więcej niż tylko spełnienia specyfikacji.
Dostrzegając szansę na zwiększenie wartości dla fabryki, nasz zespół rozpoczął badanie wyzwań, przed którymi stoją aplikatorzy na poziomie fabryki. Po wielu wywiadach zaczęliśmy dostrzegać pewne wspólne tematy:
- Przeszkody uniemożliwiają mi osiągnięcie moich celów ekspansji;
- Koszty rosną, a nasze budżety kapitałowe maleją;
- Koszty energii i personelu rosną;
- Utrata doświadczonych pracowników;
- Nasze cele korporacyjne w zakresie SG&A, jak również cele mojego klienta, muszą zostać osiągnięte; i
- Konkurencja zagraniczna.
Te tematy doprowadziły do sformułowania oświadczeń dotyczących wartości, które zaczęły znajdować oddźwięk wśród firm stosujących poliuretany utwardzane promieniami UV na bazie wody, zwłaszcza na rynku stolarki i szafek, takich jak: „producenci stolarki i szafek dążą do poprawy wydajności fabryk” oraz „producenci chcą mieć możliwość zwiększenia produkcji na krótszych liniach produkcyjnych z mniejszą liczbą uszkodzeń spowodowanych przeróbkami dzięki powłokom o właściwościach powolnego uwalniania wody”.
Tabela 1 ilustruje, w jaki sposób udoskonalenia niektórych atrybutów powłok i właściwości fizycznych prowadzą do zwiększenia wydajności, którą może uzyskać użytkownik końcowy, w przypadku producentów surowców do produkcji powłok.
TABELA 1 | Atrybuty i korzyści.
Projektując utwardzane promieniowaniem UV poliuretany (PUD) o określonych właściwościach, wymienionych w Tabeli 1, producenci końcowi będą mogli sprostać potrzebom w zakresie poprawy wydajności zakładu. Pozwoli im to zwiększyć konkurencyjność i potencjalnie rozszerzyć obecną produkcję.
Wyniki eksperymentów i dyskusja
Historia dyspersji poliuretanowych utwardzanych promieniami UV
W latach 90. XX wieku komercyjne zastosowania anionowych dyspersji poliuretanowych zawierających grupy akrylowe przyłączone do polimeru zaczęto wykorzystywać w przemyśle.1 Wiele z tych zastosowań dotyczyło opakowań, farb i powłok do drewna. Rysunek 1 przedstawia ogólną strukturę utwardzanej promieniowaniem UV dyspersji poliuretanowej (PUD), demonstrując sposób projektowania tych surowców powłokowych.
RYCINA 1 | Ogólna dyspersja poliuretanowa funkcjonalna akrylanowa.3
Jak pokazano na rysunku 1, dyspersje poliuretanowe utwardzane promieniowaniem UV (PUD-y utwardzane promieniowaniem UV) składają się z typowych składników stosowanych do wytwarzania dyspersji poliuretanowych. Alifatyczne diizocyjaniany reagują z typowymi estrami, diolami, grupami hydrofilizacyjnymi i przedłużaczami łańcucha stosowanymi do wytwarzania dyspersji poliuretanowych.2 Różnica polega na dodaniu akrylanowego estru, epoksydu lub eterów z grupą funkcyjną, włączanych do etapu prepolimeryzacji podczas wytwarzania dyspersji. Wybór materiałów użytych jako elementy budulcowe, a także architektura i proces przetwarzania polimeru, determinują wydajność i charakterystykę schnięcia PUD-ów. Te wybory surowców i procesu przetwarzania prowadzą do powstania PUD-ów utwardzanych promieniowaniem UV, zarówno nietworzących powłoki, jak i tworzących powłokę.3 Tematem niniejszego artykułu są rodzaje powłokotwórcze lub schnące.
Formowanie filmu, często nazywane suszeniem, pozwala uzyskać połączone warstwy, suche w dotyku przed utwardzaniem promieniowaniem UV. Ponieważ aplikatorzy chcą ograniczyć zanieczyszczenie powłoki cząstkami stałymi, a także ze względu na potrzebę przyspieszenia procesu produkcyjnego, są one często suszone w piecach w ramach procesu ciągłego przed utwardzaniem promieniowaniem UV. Rysunek 2 przedstawia typowy proces suszenia i utwardzania utwardzanego promieniowaniem UV PUD.
RYCINA 2 | Proces utwardzania PUD utwardzanego promieniami UV.
Zazwyczaj stosuje się natrysk. Zdarzało się jednak, że nakładano je wałkiem, a nawet nakładano warstwę zalewową. Po nałożeniu powłoka zazwyczaj przechodzi przez czteroetapowy proces, zanim będzie można ją ponownie nałożyć.
1. Błysk: Można go wykonać w temperaturze pokojowej lub podwyższonej przez kilka sekund do kilku minut.
2. Suszenie w piecu: W tym etapie woda i rozpuszczalniki są usuwane z powłoki. Ten etap jest krytyczny i zazwyczaj zajmuje najwięcej czasu w procesie. Zazwyczaj odbywa się w temperaturze >60°C (140°F) i trwa do 8 minut. Można również wykorzystać suszarnie wielostrefowe.
- Lampa IR i ruch powietrza: Zainstalowanie lamp IR i wentylatorów zapewniających ruch powietrza jeszcze bardziej przyspieszy proces rozpryskiwania się wody.
3. Utwardzanie promieniami UV.
4. Chłodzenie: Po utwardzeniu powłoka będzie musiała się utwardzać przez pewien czas, aby uzyskać odporność na blokowanie. Ten etap może potrwać nawet 10 minut, zanim uzyska się odporność na blokowanie.
Eksperymentalny
W niniejszym badaniu porównano dwa utwardzane promieniami UV żywice PUD (WB UV), obecnie stosowane na rynku stolarki meblowej i meblarskiej, z naszym nowym produktem PUD nr 65215A. W niniejszym badaniu porównujemy Standard nr 1 i Standard nr 2 z żywicą PUD nr 65215A pod względem schnięcia, blokowania i odporności chemicznej. Oceniamy również stabilność pH i lepkości, co może mieć kluczowe znaczenie przy ponownym wykorzystaniu nadmiaru natrysku i okresie przydatności do użycia. W poniższej tabeli 2 przedstawiono właściwości fizyczne każdej z żywic użytych w tym badaniu. Wszystkie trzy systemy zostały opracowane z myślą o podobnym poziomie fotoinicjatorów, zawartości LZO i zawartości ciał stałych. Wszystkie trzy żywice zostały opracowane z 3% dodatkiem rozpuszczalnika.
TABELA 2 | Właściwości żywicy PUD.
W wywiadach dowiedzieliśmy się, że większość powłok WB-UV w branży stolarskiej i meblarskiej schnie na linii produkcyjnej, co zajmuje od 5 do 8 minut przed utwardzeniem promieniami UV. Dla porównania, linia UV na bazie rozpuszczalnika (SB-UV) schnie w ciągu 3-5 minut. Ponadto, w tym segmencie rynku powłoki są zazwyczaj nakładane na mokro o grubości 4-5 mils. Główną wadą wodorozcieńczalnych powłok utwardzanych promieniami UV w porównaniu z alternatywnymi powłokami na bazie rozpuszczalnika utwardzanymi promieniami UV jest czas potrzebny na odparowanie wody na linii produkcyjnej.4 Wady powłoki, takie jak białe plamy, wystąpią, jeśli woda nie zostanie odpowiednio odparowana z powłoki przed utwardzeniem promieniami UV. Może to również wystąpić, gdy grubość mokrej powłoki jest zbyt duża. Te białe plamy powstają, gdy woda gromadzi się wewnątrz powłoki podczas utwardzania promieniami UV.5
Do tego badania wybraliśmy harmonogram utwardzania podobny do tego, który byłby stosowany na linii produkcyjnej z rozpuszczalnikiem utwardzanym promieniami UV. Rysunek 3 przedstawia nasz harmonogram aplikacji, suszenia, utwardzania i pakowania zastosowany w naszym badaniu. Ten harmonogram suszenia zapewnia poprawę ogólnej prędkości linii o 50–60% w porównaniu z obecnym standardem rynkowym w zastosowaniach stolarskich i meblarskich.
RYCINA 3 | Harmonogram aplikacji, suszenia, utwardzania i pakowania.
Poniżej przedstawiamy warunki aplikacji i utwardzania, które zastosowaliśmy w naszym badaniu:
●Nanieść na okleinę klonową czarną warstwę bazową w sprayu.
●30-sekundowy błysk w temperaturze pokojowej.
●140 °F, piec suszący przez 2,5 minuty (piekarnik konwekcyjny).
●Utwardzanie UV – intensywność ok. 800 mJ/cm2.
- Bezbarwne powłoki utwardzano za pomocą lampy rtęciowej.
- Powłoki pigmentowane utwardzano za pomocą lampy kombinowanej Hg/Ga.
●Przed ułożeniem w stos odczekaj 1 minutę, aby się schłodzić.
W ramach naszych badań natryskiwaliśmy również trzy różne grubości warstw na mokro, aby sprawdzić, czy możliwe będzie uzyskanie innych korzyści, takich jak mniejsza liczba warstw. 4 mils to typowa grubość warstwy na mokro dla WB UV. W tym badaniu uwzględniliśmy również aplikacje powłok na mokro o grubości 6 i 8 mils.
Wyniki utwardzania
Standard nr 1, bezbarwna powłoka o wysokim połysku, przedstawia wyniki na rysunku 4. Bezbarwna powłoka WB UV została nałożona na płytę pilśniową o średniej gęstości (MDF), uprzednio pokrytą czarną warstwą bazową i utwardzoną zgodnie z harmonogramem przedstawionym na rysunku 3. Przy grubości warstwy na mokro wynoszącej 4 mils powłoka spełnia kryteria. Jednak przy grubości warstwy na mokro wynoszącej 6 i 8 mils powłoka pękała, a warstwa warstwy 8 mils została łatwo usunięta z powodu słabego uwalniania wody przed utwardzeniem UV.
RYCINA 4 | Standard nr 1.
Podobny wynik widać także w standardzie nr 2, pokazanym na rysunku 5.
RYCINA 5 | Standard nr 2.
Przedstawiony na rysunku 6, przy użyciu tego samego schematu utwardzania co na rysunku 3, PUD nr 65215A wykazał znaczną poprawę w zakresie uwalniania wody/schnięcia. Przy grubości mokrej warstwy wynoszącej 8 mils, zaobserwowano lekkie pęknięcie na dolnej krawędzi próbki.
RYCINA 6 | PUD #65215A.
Dodatkowe testy powłoki PUD# 65215A w niskopołyskowej, bezbarwnej powłoce i pigmentowanej powłoce na tej samej płycie MDF z czarną warstwą bazową przeprowadzono w celu oceny właściwości uwalniania wody w innych typowych formulacjach powłok. Jak pokazano na rysunku 7, formulacja niskopołyskowa przy grubości warstwy 5 i 7 mil na mokro uwalniała wodę i tworzyła dobrą powłokę. Jednak przy grubości warstwy 10 mil na mokro była zbyt gęsta, aby uwolnić wodę zgodnie z harmonogramem suszenia i utwardzania przedstawionym na rysunku 3.
RYCINA 7 | PUD o niskim połysku #65215A.
W białej formule pigmentowanej, PUD #65215A dobrze spisywał się w tym samym harmonogramie suszenia i utwardzania, co opisany na rysunku 3, z wyjątkiem zastosowania przy grubości 8 mil na mokro. Jak pokazano na rysunku 8, powłoka pęka przy grubości 8 mil na mokro z powodu słabego uwalniania wody. Ogólnie rzecz biorąc, w formulacjach bezbarwnych, o niskim połysku i pigmentowanych, PUD #65215A dobrze spisywał się pod względem formowania i schnięcia po zastosowaniu do grubości 7 mil na mokro i utwardzeniu zgodnie z przyspieszonym harmonogramem suszenia i utwardzania opisanym na rysunku 3.
RYCINA 8 | Pigmentowany PUD #65215A.
Blokowanie wyników
Odporność na blokowanie to zdolność powłoki do nieprzywierania do innego powlekanego przedmiotu po ułożeniu go w stos. W produkcji często stanowi to wąskie gardło, jeśli utwardzona powłoka potrzebuje czasu, aby osiągnąć odporność na blokowanie. W niniejszym badaniu pigmentowane formulacje Standardu nr 1 i PUD nr 65215A nałożono na szkło o gęstości 5 mil na mokro za pomocą listwy ściągającej. Każdy z nich utwardzono zgodnie z harmonogramem utwardzania przedstawionym na rysunku 3. Dwa powlekane panele szklane utwardzono jednocześnie – 4 minuty po utwardzeniu panele zostały ściśnięte, jak pokazano na rysunku 9. Pozostały one ściśnięte w temperaturze pokojowej przez 24 godziny. Jeśli panele dały się łatwo oddzielić bez odcisku lub uszkodzenia powlekanych paneli, test uznawano za zaliczony.
Rysunek 10 ilustruje zwiększoną odporność na blokowanie PUD nr 65215A. Chociaż zarówno Standard nr 1, jak i PUD nr 65215A osiągnęły pełne utwardzenie w poprzednim teście, tylko PUD nr 65215A wykazał wystarczające uwolnienie wody i utwardzenie, aby uzyskać odporność na blokowanie.
RYCINA 9 | Ilustracja testu oporu blokowania.
RYCINA 10 | Rezystancja blokowania standardu nr 1, a następnie PUD nr 65215A.
Wyniki mieszania akrylu
Producenci powłok często mieszają żywice utwardzane promieniami UV WB z żywicami akrylowymi, aby obniżyć koszty. W naszych badaniach przyjrzeliśmy się również mieszaniu żywicy PUD#65215A z NeoCryl® XK-12, akrylem na bazie wody, często stosowanym jako składnik mieszanki do utwardzanych promieniami UV, wodorozcieńczalnych żywic PUD w branży stolarskiej i meblarskiej. W tym segmencie standardem jest testowanie bejcy KCMA. W zależności od zastosowania końcowego, niektóre substancje chemiczne będą miały większe znaczenie dla producenta powlekanego wyrobu. Ocena 5 oznacza najwyższą, a 1 najgorszą ocenę.
Jak pokazano w tabeli 3, PUD #65215A wypada wyjątkowo dobrze w testach bejcowania KCMA jako lakier bezbarwny o wysokim połysku, lakier bezbarwny o niskim połysku oraz jako powłoka pigmentowana. Nawet po zmieszaniu z akrylem w stosunku 1:1, wyniki testu bejcowania KCMA nie ulegają drastycznemu pogorszeniu. Nawet po bejcowaniu środkami takimi jak musztarda, powłoka odzyskała akceptowalny poziom po 24 godzinach.
TABELA 3 | Odporność na działanie substancji chemicznych i plam (ocena 5 jest najlepsza).
Oprócz testów bejcowania KCMA, producenci testują również utwardzanie bezpośrednio po utwardzeniu UV poza linią produkcyjną. W tym teście efekty mieszania akrylu często są widoczne tuż po wyjściu z linii produkcyjnej. Oczekuje się, że powłoka nie przebije się po 20 podwójnych potarciach alkoholem izopropylowym (20 dr IPA). Próbki testuje się 1 minutę po utwardzeniu UV. W naszych testach zaobserwowaliśmy, że mieszanka PUD#65215A z akrylem w stosunku 1:1 nie przeszła tego testu. Zaobserwowaliśmy jednak, że PUD#65215A można było zmieszać z 25% akrylem NeoCryl XK-12 i nadal przejść test 20 dr IPA (NeoCryl jest zastrzeżonym znakiem towarowym grupy Covestro).
RYCINA 11 | 20 podwójnych pocierań IPA, 1 minuta po utwardzeniu promieniami UV.
Stabilność żywicy
Przetestowano również stabilność PUD #65215A. Preparat uznaje się za stabilny, jeśli po 4 tygodniach przechowywania w temperaturze 40°C pH nie spadnie poniżej 7, a lepkość pozostaje stabilna w porównaniu z wartością początkową. W naszych testach zdecydowaliśmy się poddać próbki działaniu trudniejszych warunków, do 6 tygodni w temperaturze 50°C. W tych warunkach Standardy nr 1 i nr 2 nie były stabilne.
W naszych testach przyjrzeliśmy się formulacjom lakierów bezbarwnych o wysokim połysku, bezbarwnych o niskim połysku, a także pigmentowanym o niskim połysku użytym w tym badaniu. Jak pokazano na rysunku 12, stabilność pH wszystkich trzech formulacji pozostała stabilna i przekraczała próg pH 7,0. Rysunek 13 ilustruje minimalną zmianę lepkości po 6 tygodniach w temperaturze 50°C.
RYCINA 12 | Stabilność pH preparatu PUD #65215A.
RYCINA 13 | Stabilność lepkości preparatu PUD #65215A.
Kolejnym testem wykazującym stabilność PUD nr 65215A było ponowne sprawdzenie odporności na plamienie metodą KCMA preparatu powłokowego poddanego starzeniu przez 6 tygodni w temperaturze 50°C i porównanie jej z początkową odpornością na plamienie metodą KCMA. Powłoki o niskiej stabilności będą charakteryzować się spadkiem odporności na plamienie. Jak pokazano na rysunku 14, PUD nr 65215A utrzymał ten sam poziom odporności, co w początkowym teście odporności na chemikalia/plamy pigmentowanej powłoki, przedstawionym w tabeli 3.
RYCINA 14 | Panele do testów chemicznych dla pigmentowanego PUD #65215A.
Wnioski
Dla aplikatorów powłok wodorozcieńczalnych utwardzanych promieniowaniem UV, PUD #65215A umożliwi im spełnienie obecnych standardów wydajności na rynku stolarki, drewna i mebli, a dodatkowo pozwoli na zwiększenie prędkości linii produkcyjnej procesu powlekania o ponad 50-60% w porównaniu z obecnymi standardowymi powłokami wodorozcieńczalnymi utwardzanymi promieniowaniem UV. Dla aplikatora może to oznaczać:
●Szybsza produkcja;
●Zwiększona grubość powłoki zmniejsza potrzebę nakładania dodatkowych warstw;
●Krótsze linie suszenia;
●Oszczędność energii dzięki zmniejszonym potrzebom suszenia;
●Mniej odpadów dzięki szybkiej odporności na blokowanie;
●Mniejsze zużycie powłok dzięki stabilności żywicy.
Dzięki zawartości lotnych związków organicznych (LZO) poniżej 100 g/l producenci są również bardziej skłonni do osiągnięcia swoich celów w zakresie LZO. Producenci, którzy mogą mieć obawy dotyczące ekspansji z powodu problemów z pozwoleniami, mogą skorzystać z szybko uwalniającego wodę PUD #65215A, który ułatwi im spełnienie wymogów regulacyjnych bez uszczerbku dla wydajności.
Na początku tego artykułu, cytowaliśmy z naszych wywiadów, że aplikatorzy rozpuszczalnikowych materiałów utwardzanych promieniowaniem UV zazwyczaj schną i utwardzają powłoki w procesie trwającym od 3 do 5 minut. W niniejszym badaniu wykazaliśmy, że zgodnie z procesem przedstawionym na rysunku 3, PUD #65215A utwardza warstwy o grubości do 7 mils (ok. 1800 mm) w ciągu 4 minut w temperaturze pieca 140°C. Jest to wynik mieszczący się w zakresie możliwości większości rozpuszczalnikowych powłok utwardzanych promieniowaniem UV. PUD #65215A mógłby potencjalnie umożliwić obecnym aplikatorom rozpuszczalnikowych materiałów utwardzanych promieniowaniem UV przejście na wodorozcieńczalny materiał utwardzany promieniowaniem UV przy niewielkich zmianach w linii produkcyjnej.
Producenci rozważający rozszerzenie produkcji mogą dzięki powłokom bazującym na PUD #65215A:
●Oszczędzaj pieniądze dzięki zastosowaniu krótszej linii produkcyjnej powłok na bazie wody;
●Mniejsza powierzchnia linii powlekania w zakładzie;
●Zmniejszyć wpływ na obecne pozwolenie na emisję lotnych związków organicznych (LZO);
●Oszczędność energii dzięki zmniejszeniu zapotrzebowania na suszenie.
Podsumowując, PUD #65215A pomoże zwiększyć wydajność produkcji linii powłok utwardzanych promieniami UV dzięki wysokim właściwościom fizycznym i szybkiemu uwalnianiu wody przez żywicę po wysuszeniu w temperaturze 140 °C.
Czas publikacji: 14 sierpnia 2024 r.
