Wysokowydajne powłoki utwardzane promieniowaniem UV są stosowane od wielu lat w produkcji podłóg, mebli i szafek. Przez większość tego czasu dominującą technologią na rynku były powłoki w 100% stałe i na bazie rozpuszczalników, utwardzane promieniowaniem UV. W ostatnich latach nastąpił rozwój technologii powlekania na bazie wody, utwardzanej promieniami UV. Żywice na bazie wody, utwardzane promieniowaniem UV, okazały się użytecznym narzędziem dla producentów z wielu powodów, w tym przepuszczania plam KCMA, testów odporności chemicznej i redukcji LZO. Aby technologia ta mogła nadal rozwijać się na tym rynku, zidentyfikowano kilka czynników jako kluczowe obszary wymagające ulepszeń. Dzięki temu żywice utwardzane promieniami UV na bazie wody będą czymś więcej niż tylko koniecznością posiadania większości żywic. Zaczną dodawać cenne właściwości do powłoki, wnosząc wartość do każdej pozycji w łańcuchu wartości, od formulatora powłoki, przez wykonawcę fabrycznego, instalatora i wreszcie właściciela.
Producenci, szczególnie dzisiaj, oczekują powłoki, która spełni więcej niż tylko spełni wymagania specyfikacji. Istnieją również inne właściwości, które zapewniają korzyści w produkcji, pakowaniu i instalacji. Jedną z pożądanych cech jest poprawa wydajności instalacji. W przypadku powłok na bazie wody oznacza to szybsze uwalnianie wody i większą odporność na blokowanie. Inną pożądaną cechą jest poprawa stabilności żywicy w celu wychwytywania/ponownego wykorzystania powłoki i zarządzania jej zapasami. Dla użytkownika końcowego i instalatora pożądanymi cechami są lepsza odporność na polerowanie i brak śladów metalu podczas instalacji.
W tym artykule omówione zostaną nowe rozwiązania w zakresie poliuretanów na bazie wody, utwardzanych promieniami UV, które zapewniają znacznie lepszą stabilność farb w temperaturze 50°C w przypadku powłok przezroczystych i pigmentowanych. Omówiono także, w jaki sposób żywice te spełniają pożądane cechy aplikatora powłoki, zwiększając prędkość linii poprzez szybkie uwalnianie wody, lepszą odporność na blokowanie i odporność na rozpuszczalniki poza linią, co poprawia prędkość operacji układania w stosy i pakowania. Poprawi to również obrażenia poza linią, które czasami występują. W tym artykule omówiono także ulepszenia w zakresie odporności na plamy i chemikalia, ważne dla instalatorów i właścicieli.
Tło
Krajobraz branży powłok stale się rozwija. To, co „niezbędne” w postaci spełnienia specyfikacji za rozsądną cenę za zastosowany mil, po prostu nie wystarczy. Krajobraz fabrycznie nakładanych powłok na szafki, stolarkę, podłogi i meble szybko się zmienia. Formułulatorzy dostarczający powłoki do fabryk proszeni są o zwiększenie bezpieczeństwa stosowania powłok przez pracowników, usunięcie substancji wzbudzających duże obawy, zastąpienie LZO wodą, a nawet wykorzystanie mniejszej ilości węgla kopalnego i większej ilości biowęgla. Rzeczywistość jest taka, że w całym łańcuchu wartości każdy klient oczekuje od powłoki czegoś więcej niż tylko spełnienia specyfikacji.
Widząc szansę na stworzenie większej wartości dla fabryki, nasz zespół zaczął badać na poziomie fabryki wyzwania, przed którymi stoją ci aplikatorzy. Po wielu wywiadach zaczęliśmy słyszeć kilka wspólnych tematów:
- Dopuszczanie przeszkód uniemożliwia moje cele ekspansji;
- Koszty rosną, a nasze budżety kapitałowe maleją;
- Rosną koszty energii i personelu;
- Utrata doświadczonych pracowników;
- Musimy spełnić nasze korporacyjne cele w zakresie kosztów sprzedaży, kosztów ogólnych i administracyjnych, a także cele mojego klienta; I
- Konkurencja zagraniczna.
Tematy te doprowadziły do sformułowań propozycji wartości, które zaczęły przemawiać do producentów wodnych poliuretanów utwardzanych promieniami UV, zwłaszcza na rynku stolarki i mebli, takich jak: „producenci stolarki i mebli poszukują poprawy wydajności fabryk” oraz „producenci chcą mieć możliwość rozszerzenia produkcji na krótsze linie produkcyjne przy mniejszych uszkodzeniach związanych z poprawkami dzięki powłokom o właściwościach powolnego uwalniania wody.”
Tabela 1 ilustruje, jak w przypadku producenta surowców powłokowych ulepszenia niektórych atrybutów powłok i właściwości fizycznych prowadzą do wydajności, którą może osiągnąć użytkownik końcowy.
TABELA 1 | Atrybuty i korzyści.
Projektując utwardzane promieniowaniem UV PUD o określonych cechach wymienionych w tabeli 1, producenci do zastosowań końcowych będą mogli zaspokoić swoje potrzeby w zakresie poprawy wydajności instalacji. Dzięki temu będą bardziej konkurencyjni i potencjalnie pozwolą na zwiększenie dotychczasowej produkcji.
Wyniki eksperymentów i dyskusja
Historia dyspersji poliuretanowych utwardzanych promieniami UV
W latach 90. XX wieku zaczęto stosować w przemyśle anionowe dyspersje poliuretanowe zawierające grupy akrylanowe przyłączone do polimeru.1 Wiele z tych zastosowań dotyczyło opakowań, tuszy i powłok do drewna. Rysunek 1 przedstawia ogólną strukturę PUD utwardzanego promieniowaniem UV, pokazując, w jaki sposób zaprojektowano te surowce powłokowe.
RYSUNEK 1 | Ogólna akrylanowa dyspersja poliuretanowa z funkcjonalnymi funkcjami.3
Jak pokazano na rysunku 1, dyspersje poliuretanowe utwardzane promieniami UV (PUD utwardzane promieniami UV) składają się z typowych składników stosowanych do wytwarzania dyspersji poliuretanowych. Alifatyczne diizocyjaniany poddaje się reakcji z typowymi estrami, diolami, grupami hydrofilizacyjnymi i przedłużaczami łańcucha stosowanymi do wytwarzania dyspersji poliuretanowych.2 Różnica polega na dodaniu estru z akrylanową grupą funkcyjną, żywicy epoksydowej lub eterów włączonych do etapu prepolimeru podczas wytwarzania dyspersji . Wybór materiałów użytych jako elementy składowe, a także architektura i przetwarzanie polimerów decydują o wydajności i charakterystyce suszenia PUD. Te wybory dotyczące surowców i przetwarzania doprowadzą do utwardzania promieniami UV PUD, które mogą nie tworzyć błony, a także takie, które tworzą błonę.3 Tematem tego artykułu jest tworzenie błony lub typy suszenia.
Tworzenie filmu lub suszenie, jak to się często nazywa, daje zrośnięte filmy, które są suche w dotyku przed utwardzaniem promieniami UV. Ponieważ aplikatorzy chcą ograniczyć zanieczyszczenie powłoki cząstkami stałymi w powietrzu, a także potrzebę szybkości procesu produkcyjnego, powłoki często suszy się w piecach w ramach ciągłego procesu przed utwardzaniem promieniami UV. Rysunek 2 przedstawia typowy proces suszenia i utwardzania PUD utwardzanego promieniami UV.
RYSUNEK 2 | Proces utwardzania PUD utwardzalnego promieniami UV.
Stosowaną metodą aplikacji jest zazwyczaj natrysk. Jednakże stosowano rolkę nożową, a nawet płaszcz zalewowy. Po nałożeniu powłoka zwykle przechodzi czteroetapowy proces, zanim zostanie ponownie nałożona.
1.Błysk: Można to zrobić w temperaturze pokojowej lub podwyższonej przez kilka sekund do kilku minut.
2. Suszenie w piekarniku: W tym miejscu woda i współrozpuszczalniki są usuwane z powłoki. Ten krok jest krytyczny i zwykle zajmuje najwięcej czasu w procesie. Ten etap odbywa się zwykle w temperaturze >140°F i trwa do 8 minut. Można również stosować wielostrefowe piece suszące.
- Lampa IR i ruch powietrza: Instalacja lamp IR i wentylatorów ruchu powietrza jeszcze szybciej przyspieszy rozbłysk wody.
3. Utwardzanie UV.
4. Cool: Po utwardzeniu powłoka będzie musiała utwardzić się przez pewien czas, aby osiągnąć odporność na blokowanie. Ten etap może zająć nawet 10 minut, zanim zostanie osiągnięty opór blokowania
Eksperymentalny
W badaniu tym porównano dwa utwardzane promieniowaniem UV PUD (WB UV), stosowane obecnie na rynku szafek i stolarki, z naszym nowym produktem, PUD # 65215A. W tym badaniu porównujemy Standard nr 1 i Standard nr 2 z PUD nr 65215A pod względem suszenia, blokowania i odporności chemicznej. Oceniamy także stabilność pH i stabilność lepkości, które mogą mieć kluczowe znaczenie przy rozważaniu ponownego wykorzystania pozostałości sprayu i okresu trwałości. Poniżej w Tabeli 2 przedstawiono właściwości fizyczne każdej z żywic zastosowanych w tym badaniu. Wszystkie trzy systemy opracowano z myślą o podobnym poziomie fotoinicjatorów, LZO i zawartości substancji stałych. Wszystkie trzy żywice formułowano z 3% współrozpuszczalnika.
TABELA 2 | Właściwości żywicy PUD.
W naszych wywiadach powiedziano nam, że większość powłok WB-UV na rynku stolarskim i meblowym schnie na linii produkcyjnej, co zajmuje od 5 do 8 minut przed utwardzeniem promieniami UV. Natomiast kreska rozpuszczalnikowa UV (SB-UV) schnie w ciągu 3-5 minut. Ponadto na tym rynku powłoki zwykle nakłada się na mokro o grubości 4–5 milimetrów. Główną wadą wodorozcieńczalnych powłok utwardzanych promieniowaniem UV w porównaniu z alternatywami na bazie rozpuszczalników utwardzanych promieniami UV jest czas potrzebny do odparowania wody na linii produkcyjnej.4 W przypadku nieprawidłowego odparowania wody z powłoki pojawią się defekty powłoki, takie jak białe plamy. powłoka przed utwardzaniem promieniami UV. Może się to również zdarzyć, jeśli grubość mokrej warstwy jest zbyt duża. Te białe plamy powstają, gdy woda zostaje uwięziona wewnątrz folii podczas utwardzania promieniami UV.5
Na potrzeby tego badania wybraliśmy harmonogram utwardzania podobny do tego, który byłby stosowany w przypadku linii na bazie rozpuszczalnika utwardzanej promieniami UV. Rysunek 3 przedstawia harmonogram aplikacji, suszenia, utwardzania i pakowania zastosowany w naszym badaniu. Ten harmonogram suszenia zapewnia poprawę ogólnej szybkości linii o 50% do 60% w porównaniu z obecnymi standardami rynkowymi w zastosowaniach stolarskich i meblowych.
RYSUNEK 3 | Harmonogram aplikacji, suszenia, utwardzania i pakowania.
Poniżej znajdują się warunki aplikacji i utwardzania, które zastosowaliśmy w naszym badaniu:
● Nakładanie natryskowe na fornir klonowy z czarnym lakierem bazowym.
●30-sekundowy błysk temperatury w pomieszczeniu.
● Piec suszący o temperaturze 140°F przez 2,5 minuty (piec konwekcyjny).
●Utwardzanie UV – intensywność około 800 mJ/cm2.
- Przezroczyste powłoki utwardzano lampą Hg.
- Powłoki pigmentowane utwardzano przy użyciu lampy kombinowanej Hg/Ga.
●1-minutowe ochłodzenie przed ułożeniem w stos.
Na potrzeby naszego badania natryskiwaliśmy także trzy różne grubości mokrej powłoki, aby sprawdzić, czy zostaną zaobserwowane również inne korzyści, takie jak mniejsza liczba warstw. 4 mils na mokro to typowa wartość dla WB UV. Do tego badania uwzględniliśmy także powłoki na mokro o grubości 6 i 8 milimetrów.
Wyniki utwardzania
Wyniki standardu nr 1, przezroczystej powłoki o wysokim połysku, przedstawiono na rysunku 4. Przezroczystą powłokę WB UV nałożono na płytę pilśniową o średniej gęstości (MDF), uprzednio pokrytą czarnym lakierem bazowym i utwardzoną zgodnie ze harmonogramem pokazanym na rysunku 3. Przy 4 milicalach na mokro powłoka przechodzi. Jednakże przy aplikacji na mokro przy 6 i 8 milicali powłoka pękała, a 8 milicali można było łatwo usunąć z powodu słabego uwalniania wody przed utwardzaniem promieniami UV.
RYSUNEK 4 | Norma nr 1.
Podobny wynik można zobaczyć także w standardzie nr 2, pokazanym na rysunku 5.
RYSUNEK 5 | Norma nr 2.
Jak pokazano na Figurze 6, przy zastosowaniu tego samego harmonogramu utwardzania, co na Figurze 3, PUD nr 65215A wykazał ogromną poprawę w uwalnianiu/suszeniu wody. Przy grubości mokrej powłoki wynoszącej 8 milicali zaobserwowano lekkie pękanie na dolnej krawędzi próbki.
RYSUNEK 6 | PUD #65215A.
Oceniono dodatkowe badania PUD#65215A w przezroczystej powłoce o niskim połysku i powłoce pigmentowanej na tej samej płycie MDF z czarnym lakierem bazowym, aby ocenić właściwości uwalniania wody w innych typowych preparatach powłokowych. Jak pokazano na fig. 7, preparat o niskim połysku przy nałożeniu na mokro o grubości 5 i 7 milicali uwolnił wodę i utworzył dobrą powłokę. Jednakże przy wilgotności wynoszącej 10 mil była zbyt gęsta, aby uwolnić wodę w ramach harmonogramu suszenia i utwardzania przedstawionego na rysunku 3.
RYSUNEK 7 | PUD o niskim połysku #65215A.
W formule z białym pigmentem PUD #65215A sprawdzał się dobrze przy tym samym schemacie suszenia i utwardzania opisanym na rysunku 3, z wyjątkiem stosowania w temperaturze 8 milimetrów na mokro. Jak pokazano na rysunku 8, folia pęka przy grubości 8 milicali z powodu słabego uwalniania wody. Ogólnie rzecz biorąc, w postaci przezroczystej, o niskim połysku i pigmentowanej, PUD# 65215A dobrze radził sobie z tworzeniem powłoki i suszeniem, gdy nałożono go na mokro do 7 milicali i utwardzono zgodnie z przyspieszonym harmonogramem suszenia i utwardzania opisanym na rysunku 3.
RYSUNEK 8 | Pigmentowany PUD #65215A.
Blokowanie wyników
Odporność na blokowanie to zdolność powłoki do nieprzywierania do innego powlekanego artykułu podczas układania w stos. W produkcji jest to często wąskie gardło, jeśli utwardzona powłoka potrzebuje czasu, aby osiągnąć odporność na blokowanie. W tym badaniu pigmentowane preparaty Standardu nr 1 i PUD nr 65215A nałożono na szkło w stężeniu 5 milimetrów na mokro, stosując listwę dozującą. Każdy z nich utwardzano zgodnie z harmonogramem utwardzania przedstawionym na rysunku 3. Dwa powlekane panele szklane utwardzano w tym samym czasie – 4 minuty po utwardzeniu panele zostały ściśnięte razem, jak pokazano na rysunku 9. Pozostały ściśnięte razem w temperaturze pokojowej przez 24 godziny . Jeżeli panele można było łatwo oddzielić bez odcisków lub uszkodzeń powlekanych paneli, test uznawano za zaliczony.
Rysunek 10 ilustruje ulepszoną odporność blokującą PUD# 65215A. Chociaż zarówno Standard nr 1, jak i PUD nr 65215A osiągnęły pełne utwardzenie w poprzednim teście, tylko PUD nr 65215A wykazał wystarczające uwalnianie wody i utwardzenie, aby osiągnąć odporność na blokowanie.
RYSUNEK 9 | Ilustracja testu rezystancji blokowania.
RYSUNEK 10 | Odporność blokująca według normy nr 1, a następnie PUD nr 65215A.
Wyniki mieszania akrylu
Producenci powłok często mieszają żywice WB utwardzane promieniami UV z akrylami, aby obniżyć koszty. W naszym badaniu przyjrzeliśmy się także mieszaniu PUD#65215A z NeoCryl® XK-12, akrylem na bazie wody, często używanym jako dodatek do mieszania utwardzanych promieniami UV PUD na bazie wody na rynku stolarskim i meblowym. Na tym rynku badanie plam KCMA uważane jest za standard. W zależności od zastosowania końcowego, dla producenta powlekanego artykułu niektóre chemikalia staną się ważniejsze niż inne. Ocena 5 jest oceną najlepszą, a ocena 1 najgorszą.
Jak pokazano w Tabeli 3, PUD #65215A sprawdza się wyjątkowo dobrze w testach plam KCMA jako przezroczysty o wysokim połysku, przezroczysty o niskim połysku i jako powłoka pigmentowana. Nawet po zmieszaniu z akrylem w stosunku 1:1, badanie plam KCMA nie ulega drastycznemu wpływowi. Nawet w przypadku barwienia środkami takimi jak musztarda, powłoka powróciła do akceptowalnego poziomu po 24 godzinach.
TABELA 3 | Odporność na chemikalia i plamy (najlepsza ocena 5).
Oprócz testów plam KCMA producenci przeprowadzą również testy utwardzania bezpośrednio po utwardzeniu promieniami UV poza linią. Często efekty mieszania akrylu będą zauważalne w tym teście natychmiast poza linią utwardzania. Oczekuje się, że po 20 podwójnych przetarciach alkoholem izopropylowym (20 IPA dr) nie nastąpi przebicie powłoki. Próbki bada się 1 minutę po utwardzeniu promieniami UV. W naszych testach zaobserwowaliśmy, że mieszanka PUD# 65215A z akrylem w proporcji 1:1 nie przeszła tego testu. Jednakże zaobserwowaliśmy, że PUD #65215A można mieszać z 25% akrylem NeoCryl XK-12 i mimo to przejść test 20 IPA dr (NeoCryl jest zastrzeżonym znakiem towarowym grupy Covestro).
RYSUNEK 11 | 20 podwójnych przetarć IPA, 1 minuta po utwardzeniu promieniami UV.
Stabilność żywicy
Przetestowano także stabilność PUD #65215A. Preparat uważa się za trwały w przechowywaniu, jeśli po 4 tygodniach w temperaturze 40°C pH nie spadnie poniżej 7, a lepkość pozostaje stabilna w porównaniu z wartością początkową. Na potrzeby naszych testów zdecydowaliśmy się poddać próbki trudniejszym warunkom do 6 tygodni w temperaturze 50°C. W tych warunkach standardy #1 i #2 nie były stabilne.
W naszych testach przyjrzeliśmy się preparatom przezroczystym o wysokim połysku, przezroczystym o niskim połysku, a także preparatom pigmentowanym o niskim połysku zastosowanym w tym badaniu. Jak pokazano na Figurze 12, stabilność pH wszystkich trzech preparatów pozostała stabilna i powyżej progu pH 7,0. Figura 13 ilustruje minimalną zmianę lepkości po 6 tygodniach w temperaturze 50°C.
RYSUNEK 12 | Stabilność pH formuły PUD #65215A.
RYSUNEK 13 | Stabilność lepkości formułowanego PUD #65215A.
Innym testem wykazującym stabilność PUD #65215A było ponowne przetestowanie odporności na plamienie KCMA preparatu powłokowego, który był starzony przez 6 tygodni w temperaturze 50°C, i porównanie go z jego początkową odpornością na plamienie KCMA. Powłoki, które nie wykazują dobrej stabilności, spowodują spadek wydajności barwienia. Jak pokazano na rysunku 14, PUD nr 65215A zachował ten sam poziom wydajności, co we wstępnych testach odporności chemicznej/plamienia powłoki pigmentowanej pokazanych w tabeli 3.
RYSUNEK 14 | Panele testów chemicznych do pigmentowanego PUD #65215A.
Wnioski
Aplikatorom powłok na bazie wody utwardzanych promieniami UV, PUD #65215A umożliwi im spełnienie aktualnych standardów wydajności na rynku stolarki, drewna i szafek, a ponadto umożliwi poprawę szybkości procesu powlekania linii do ponad 50 -60% w stosunku do obecnych standardowych powłok na bazie wody utwardzanych promieniami UV. Dla aplikatora może to oznaczać:
●Szybsza produkcja;
●Zwiększona grubość powłoki zmniejsza potrzebę stosowania dodatkowych powłok;
●Krótsze linie suszące;
●Oszczędność energii dzięki zmniejszonym potrzebom suszenia;
●Mniej złomu dzięki szybkiemu oporowi blokowania;
●Zmniejszenie strat powłoki dzięki stabilności żywicy.
Przy zawartości LZO poniżej 100 g/l producenci są również w stanie lepiej osiągnąć swoje cele w zakresie LZO. Producentom, którzy mogą mieć obawy związane z ekspansją ze względu na problemy z pozwoleniami, szybko uwalniający się w wodzie PUD nr 65215A umożliwi im łatwiejsze spełnienie obowiązków regulacyjnych bez utraty wydajności.
Na początku tego artykułu cytowaliśmy z naszych wywiadów, że osoby stosujące materiały na bazie rozpuszczalników, utwardzalne promieniowaniem UV, zazwyczaj suszą i utwardzają powłoki w procesie trwającym od 3 do 5 minut. W tym badaniu wykazaliśmy, że zgodnie z procesem pokazanym na rysunku 3, PUD #65215A utwardzi mokrą warstwę o grubości do 7 milimetrów w ciągu 4 minut w temperaturze pieca 140°C. Wynik ten mieści się w zakresie większości powłok rozpuszczalnikowych utwardzanych promieniami UV. PUD #65215A może potencjalnie umożliwić obecnym aplikacjom materiałów utwardzanych promieniowaniem UV na bazie rozpuszczalników przejście na materiał utwardzany promieniami UV na bazie wody przy niewielkich zmianach w linii powłok.
Producentom rozważającym rozszerzenie produkcji powłoki na bazie PUD #65215A umożliwią im:
●Oszczędź pieniądze dzięki zastosowaniu krótszej linii do powlekania na bazie wody;
● Mieć mniejszą powierzchnię linii powlekania w obiekcie;
●Mieć mniejszy wpływ na obecne zezwolenie na LZO;
●Oszczędność energii dzięki zmniejszonym potrzebom suszenia.
Podsumowując, PUD #65215A pomoże poprawić wydajność produkcji linii powłok utwardzanych promieniami UV dzięki wysokim właściwościom fizycznym i właściwościom szybkiego uwalniania wody przez żywicę po suszeniu w temperaturze 140 °C.
Czas publikacji: 14 sierpnia 2024 r
