Високоефективни UV-втвърдяващи се покрития се използват в производството на подови настилки, мебели и шкафове от много години. През по-голямата част от това време 100% твърдите и базирани на разтворители UV-втвърдяващи се покрития бяха доминиращата технология на пазара. През последните години технологията за UV-втвърдяващо се покритие на водна основа нарасна. UV-втвърдяващите се смоли на водна основа са се доказали като полезен инструмент за производителите по различни причини, включително преминаване на KCMA оцветяване, изпитване за химическа устойчивост и намаляване на ЛОС. За да продължи да расте тази технология на този пазар, няколко фактора са идентифицирани като ключови области, в които трябва да се направят подобрения. Те ще изведат UV-втвърдяващите се смоли на водна основа отвъд просто наличието на „необходимото“, което повечето смоли притежават. Те ще започнат да добавят ценни свойства към покритието, като добавят стойност към всяка позиция по веригата на стойността от формулатора на покритието до фабричния апликатор до монтажника и накрая до собственика.
Производителите, особено днес, желаят покритие, което да прави повече от просто да отговаря на спецификациите. Има и други свойства, които осигуряват предимства при производството, опаковането и монтажа. Един желан атрибут е подобряването на ефективността на инсталацията. За покритието на водна основа това означава по-бързо отделяне на вода и по-бърза устойчивост на блокиране. Друг желан атрибут е подобряване на стабилността на смолата за улавяне/повторно използване на покритие и управление на техния инвентар. За крайния потребител и монтажника желаните атрибути са по-добра устойчивост на изгаряне и липса на метална маркировка по време на монтажа.
Тази статия ще обсъди нови разработки в полиуретани, втвърдяващи се с ултравиолетови лъчи на водна основа, които предлагат много подобрена стабилност на боята при 50 °C в прозрачни, както и пигментирани покрития. Той също така обсъжда как тези смоли отговарят на желаните характеристики на апликатора за покритие при увеличаване на скоростта на линията чрез бързо освобождаване на водата, подобрена устойчивост на блокиране и устойчивост на разтворители извън линията, което подобрява скоростта на операциите по подреждане и опаковане. Това също така ще подобри щетите извън мрежата, които понякога възникват. Тази статия също така обсъжда подобрения, демонстрирани в устойчивостта на петна и химикали, важни за монтажниците и собствениците.
Фон
Пейзажът на индустрията за покрития непрекъснато се развива. „Трябва да има“ просто преминаване на спецификацията на разумна цена за приложен милион просто не е достатъчно. Пейзажът за фабрично нанесени покрития върху шкафове, дограма, подови настилки и мебели бързо се променя. Формулаторите, които доставят покрития на фабриките, са помолени да направят покритията по-безопасни за нанасяне от служителите, да премахнат вещества, пораждащи голямо безпокойство, да заменят ЛОС с вода и дори да използват по-малко изкопаем въглерод и повече био въглерод. Реалността е, че по цялата верига на стойността всеки клиент иска от покритието да направи нещо повече от това просто да отговаря на спецификацията.
Виждайки възможност за създаване на повече стойност за фабриката, нашият екип започна да проучва на ниво фабрика предизвикателствата, пред които са изправени тези апликатори. След много интервюта започнахме да чуваме някои общи теми:
- Разрешителните препятствия пречат на целите ми за разширяване;
- Разходите се увеличават, а нашите капиталови бюджети намаляват;
- Разходите както за енергия, така и за персонал се увеличават;
- Загуба на опитни служители;
- Нашите корпоративни SG&A цели, както и тези на моя клиент, трябва да бъдат изпълнени; и
- Конкуренция в чужбина.
Тези теми доведоха до изявления за стойностно предложение, които започнаха да резонират с апликаторите на водно базирани UV-втвърдяващи се полиуретани, особено в пазарното пространство на дограмата и шкафовете, като например: „производителите на дограма и шкафове търсят подобрения във фабричната ефективност“ и „производителите искат способността да разширят производството на по-къси производствени линии с по-малко щети при преработване поради покритията с бавно отделяне на вода.“
Таблица 1 илюстрира как за производителя на суровини за покрития подобренията в някои атрибути на покритието и физичните свойства водят до ефективност, която може да бъде реализирана от крайния потребител.
ТАБЛИЦА 1 | Атрибути и ползи.
Чрез проектирането на UV-втвърдяващи се PUD с определени атрибути, изброени в таблица 1, производителите за крайна употреба ще могат да отговорят на нуждите, които имат, за подобряване на ефективността на инсталациите. Това ще им позволи да бъдат по-конкурентоспособни и потенциално ще им позволи да разширят настоящото производство.
Експериментални резултати и дискусия
История на UV-втвърдяващи се полиуретанови дисперсии
През 1990 г. търговската употреба на анионни полиуретанови дисперсии, съдържащи акрилатни групи, прикрепени към полимера, започна да се използва в промишлени приложения.1 Много от тези приложения бяха в опаковки, мастила и покрития за дърво. Фигура 1 показва обща структура на UV-втвърдяващ се PUD, демонстриращ как са проектирани тези суровини за покритие.
ФИГУРА 1 | Генерична акрилатна функционална полиуретанова дисперсия.3
Както е показано на Фигура 1, UV-втвърдяващите се полиуретанови дисперсии (UV-втвърдяващи се PUD) са съставени от типичните компоненти, използвани за направата на полиуретанови дисперсии. Алифатните диизоцианати реагират с типичните естери, диоли, хидрофилизиращи групи и удължители на веригата, използвани за получаване на полиуретанови дисперсии.2 Разликата е добавянето на акрилатен функционален естер, епоксид или етери, включени в предполимерния етап, докато се прави дисперсията . Изборът на материали, използвани като градивни елементи, както и полимерната архитектура и обработка, диктуват производителността и характеристиките на сушене на PUD. Тези избори на суровини и обработка ще доведат до UV-втвърдяващи се PUD, които могат да не образуват филм, както и такива, които образуват филм.3 Видовете образуване на филм или сушене са предмет на тази статия.
Образуването на филм или изсушаването, както често се нарича, ще доведе до слепени филми, които са сухи на допир преди UV втвърдяване. Тъй като апликаторите искат да ограничат замърсяването на покритието във въздуха, дължащо се на частици, както и необходимостта от бързина в техния производствен процес, те често се изсушават в пещи като част от непрекъснат процес преди UV втвърдяване. Фигура 2 показва типичния процес на сушене и втвърдяване на UV-втвърдяващ се PUD.
ФИГУРА 2 | Процес за втвърдяване на UV-втвърдяващ се PUD.
Използваният метод на приложение обикновено е спрей. Въпреки това са използвани ножове и дори наводнения. Веднъж нанесено, покритието обикновено преминава през процес от четири стъпки, преди да бъде обработено отново.
1. Светкавица: Това може да се направи при стайна или повишена температура за няколко секунди до няколко минути.
2. Сушене във фурна: Това е мястото, където водата и съразтворителите се изтласкват от покритието. Тази стъпка е критична и обикновено отнема най-много време в процеса. Тази стъпка обикновено е при >140 °F и продължава до 8 минути. Могат да се използват и многозонални сушилни пещи.
- IR лампа и движение на въздуха: Инсталирането на IR лампи и вентилатори за движение на въздуха ще ускори още по-бързо светкавицата на водата.
3.UV лечение.
4. Охлаждане: Веднъж втвърдено, покритието ще трябва да се втвърди известно време, за да постигне устойчивост на блокиране. Тази стъпка може да отнеме до 10 минути, преди да се постигне съпротива срещу блокиране
Експериментален
Това проучване сравнява два UV-втвърдяващи се PUD (WB UV), използвани в момента в пазара на шкафове и дограма, с нашата нова разработка, PUD # 65215A. В това проучване сравняваме стандарт #1 и стандарт #2 с PUD #65215A по отношение на изсушаване, блокиране и химическа устойчивост. Ние също така оценяваме стабилността на рН и стабилността на вискозитета, което може да бъде критично, когато обмисляме повторна употреба на свръхразпръскване и срок на годност. Показани по-долу в таблица 2 са физическите свойства на всяка от смолите, използвани в това изследване. И трите системи бяха формулирани за подобно ниво на фотоинициатор, летливи органични съединения и ниво на твърди вещества. И трите смоли бяха формулирани с 3% съразтворител.
ТАБЛИЦА 2 | Свойства на PUD смола.
В нашите интервюта ни казаха, че повечето WB-UV покрития на пазарите на дограма и шкафове изсъхват на производствена линия, което отнема между 5-8 минути преди UV втвърдяване. За разлика от това, UV линия на базата на разтворител (SB-UV) изсъхва за 3-5 минути. В допълнение, за този пазар покритията обикновено се нанасят 4-5 мили мокри. Основен недостатък на водните UV-втвърдяващи се покрития, когато се сравняват с UV-втвърдяващите се алтернативи, базирани на разтворители, е времето, необходимо за измиване на вода на производствена линия.4 Дефекти на филма, като бели петна, ще се появят, ако водата не е измита правилно от покритие преди UV втвърдяване. Това може да се случи и ако дебелината на мокрия филм е твърде голяма. Тези бели петна се създават, когато водата се улови във филма по време на UV втвърдяване.5
За това проучване избрахме график за втвърдяване, подобен на този, който би се използвал на UV-втвърдяваща се линия, базирана на разтворители. Фигура 3 показва нашия график за нанасяне, сушене, втвърдяване и опаковане, използван за нашето изследване. Този график на сушене представлява между 50% до 60% подобрение в общата скорост на линията в сравнение с текущия пазарен стандарт в приложенията за дограма и шкафове.
ФИГУРА 3 | График за нанасяне, сушене, втвърдяване и опаковане.
По-долу са посочени условията за приложение и втвърдяване, които използвахме за нашето изследване:
●Нанесете със спрей върху кленов фурнир с черен основен слой.
●30-секундно мигане на стайна температура.
●140 °F сушилня за 2,5 минути (конвекторна фурна).
●UV втвърдяване – интензитет около 800 mJ/cm2.
- Прозрачните покрития се втвърдяват с помощта на Hg лампа.
- Пигментираните покрития бяха втвърдени с помощта на комбинирана Hg/Ga лампа.
●1 минута охлаждане преди подреждане.
За нашето проучване ние също напръскахме три различни дебелини на мокър филм, за да видим дали ще бъдат реализирани и други предимства като по-малко слоеве. 4 mils wet е типичното за WB UV. За това проучване ние също така включихме приложения за мокро покритие от 6 и 8 mils.
Резултати от втвърдяване
Стандарт #1, гланцово прозрачно покритие, резултатите са показани на Фигура 4. WB UV прозрачното покритие е нанесено върху плоскости от влакна със средна плътност (MDF), предварително покрити с черен основен слой и втвърдени съгласно графика, показан на Фигура 3. При 4 mils мокро покритието преминава. Въпреки това, при 6 и 8 mils мокро нанасяне покритието се напука и 8 mils беше лесно отстранено поради лошо отделяне на вода преди UV втвърдяване.
ФИГУРА 4 | Стандарт #1.
Подобен резултат се вижда и в стандарт #2, показан на фигура 5.
ФИГУРА 5 | Стандарт #2.
Показано на Фигура 6, използвайки същата схема на втвърдяване като на Фигура 3, PUD #65215A демонстрира огромно подобрение в отделянето на вода/сушенето. При дебелина на мокрия филм от 8 mils се наблюдава леко напукване на долния ръб на пробата.
ФИГУРА 6 | PUD #65215A.
Допълнително тестване на PUD# 65215A в прозрачно покритие с нисък блясък и пигментирано покритие върху същия MDF с черно основно покритие беше оценено, за да се оценят характеристиките на отделяне на вода в други типични състави на покритие. Както е показано на Фигура 7, формулировката с нисък гланц при 5 и 7 mils мокро нанасяне освобождава водата и образува добър филм. Въпреки това, при 10 mils мокър, беше твърде дебел, за да освободи водата при графика за сушене и втвърдяване на Фигура 3.
ФИГУРА 7 | Слаб гланц PUD #65215A.
В бяло пигментирана формула, PUD #65215A се представи добре при същия график за сушене и втвърдяване, описан на Фигура 3, освен когато се прилага при 8 мокри мили. Както е показано на Фигура 8, филмът се напуква при 8 mils поради лошо отделяне на вода. Като цяло в прозрачни, с нисък блясък и пигментирани формули, PUD# 65215A се представи добре при образуване на филм и сушене, когато се нанася до 7 mils мокро и се втвърдява при графика за ускорено сушене и втвърдяване, описан на Фигура 3.
ФИГУРА 8 | Пигментиран PUD #65215A.
Блокиране на резултатите
Устойчивостта на блокиране е способността на покритието да не залепва за друг предмет с покритие, когато е подредено. В производството това често е тясно място, ако е необходимо време на втвърденото покритие да постигне устойчивост на блокове. За това изследване пигментирани състави на стандарт #1 и PUD #65215A бяха нанесени върху стъкло при 5 мокри мили с помощта на лента за изтегляне. Всеки от тях беше втвърден според графика на втвърдяване на Фигура 3. Два стъклени панела с покритие бяха втвърдени едновременно – 4 минути след втвърдяването панелите бяха захванати заедно, както е показано на Фигура 9. Те останаха захванати заедно при стайна температура за 24 часа . Ако панелите се отделят лесно без отпечатък или повреда на покритите панели, тогава тестът се счита за преминат.
Фигура 10 илюстрира подобрената устойчивост на блокиране на PUD# 65215A. Въпреки че и стандарт #1, и PUD #65215A постигнаха пълно втвърдяване в предишния тест, само PUD #65215A демонстрира достатъчно отделяне на вода и втвърдяване за постигане на устойчивост на блокиране.
ФИГУРА 9 | Илюстрация на теста за устойчивост на блокиране.
ФИГУРА 10 | Устойчивост на блокиране на стандарт #1, последван от PUD #65215A.
Резултати от смесване на акрил
Производителите на покрития често смесват WB UV-втвърдяващи се смоли с акрили, за да намалят разходите. За нашето проучване разгледахме и смесването на PUD#65215A с NeoCryl® XK-12, акрил на водна основа, често използван като партньор за смесване на UV-втвърдяващи се PUD на водна основа на пазара на дограма и шкафове. За този пазар KCMA тестът за петна се счита за стандарт. В зависимост от приложението за крайна употреба, някои химикали ще станат по-важни от други за производителя на изделието с покритие. Оценка 5 е най-добрата, а оценка 1 е най-лошата.
Както е показано в таблица 3, PUD #65215A се представя изключително добре при тестване на петна KCMA като прозрачно с висок гланц, прозрачно с нисък блясък и като пигментирано покритие. Дори когато се смеси 1:1 с акрил, KCMA тестът за петна не се повлиява драстично. Дори при оцветяване с агенти като горчица, покритието се възстановява до приемливо ниво след 24 часа.
ТАБЛИЦА 3 | Устойчивост на химикали и петна (оценка 5 е най-добра).
В допълнение към KCMA теста за оцветяване, производителите също ще тестват за втвърдяване веднага след UV втвърдяване от линията. Често ефектите от смесването на акрил ще бъдат забелязани веднага след втвърдяването при този тест. Очаква се да няма пробив на покритието след 20 двойни втривания с изопропилов алкохол (20 IPA dr). Пробите се тестват 1 минута след UV втвърдяване. При нашето тестване видяхме, че смес 1:1 от PUD# 65215A с акрил не издържа този тест. Въпреки това видяхме, че PUD #65215A може да се смеси с 25% акрил NeoCryl XK-12 и все пак да премине теста 20 IPA dr (NeoCryl е регистрирана търговска марка на групата Covestro).
ФИГУРА 11 | 20 IPA двойни втривания, 1 минута след UV втвърдяване.
Стабилност на смолата
Стабилността на PUD #65215A също беше тествана. Формулировката се счита за стабилна при съхранение, ако след 4 седмици при 40 °C pH не спадне под 7 и вискозитетът остава стабилен в сравнение с първоначалния. За нашите тестове решихме да подложим пробите на по-тежки условия до 6 седмици при 50 °C. При тези условия Стандарт #1 и #2 не бяха стабилни.
За нашето тестване ние разгледахме прозрачните с висок гланц, прозрачни с нисък блясък, както и пигментираните състави с нисък гланц, използвани в това проучване. Както е показано на Фигура 12, стабилността на рН и на трите състава остава стабилна и над прага от 7,0 рН. Фигура 13 илюстрира минималната промяна на вискозитета след 6 седмици при 50 °C.
ФИГУРА 12 | pH стабилност на формулирания PUD #65215A.
ФИГУРА 13 | Стабилност на вискозитета на формулирана PUD #65215A.
Друг тест, демонстриращ стабилността на PUD #65215A, беше отново да се тества устойчивостта на петна KCMA на състав на покритие, който е отлежал 6 седмици при 50 °C, и сравнявайки това с първоначалната му устойчивост на петна KCMA. Покрития, които не показват добра стабилност, ще видят спад в ефективността на оцветяване. Както е показано на Фигура 14, PUD# 65215A поддържа същото ниво на ефективност, както при първоначалното изпитване за устойчивост на химикали/петна на пигментираното покритие, показано в Таблица 3.
ФИГУРА 14 | Химически тестови панели за пигментиран PUD #65215A.
Изводи
За апликаторите на UV-втвърдяващи се покрития на водна основа, PUD #65215A ще им позволи да отговорят на настоящите стандарти за производителност на пазарите на дограма, дървен материал и шкафове и в допълнение ще позволи процеса на нанасяне на покритие да види подобрения на скоростта на линията до повече от 50 -60% над сегашните стандартни UV-втвърдяващи се покрития на водна основа. За апликатора това може да означава:
●По-бързо производство;
●Повишената дебелина на филма намалява нуждата от допълнителни слоеве;
●По-къси линии за сушене;
●Икономия на енергия поради намалени нужди от сушене;
●По-малко скрап поради бързата устойчивост на блокиране;
●Намален брак на покритието поради стабилността на смолата.
С ЛОС по-малко от 100 g/L, производителите са по-способни да постигнат целите си за ЛОС. За производителите, които може да имат притеснения относно разширяването поради проблеми с разрешителните, PUD #65215A с бързо отделяне на вода ще им позволи по-лесно да изпълняват своите регулаторни задължения без жертви в производителността.
В началото на тази статия цитирахме от нашите интервюта, че апликаторите на UV-втвърдяващи се материали на базата на разтворители обикновено изсушават и втвърдяват покрития в процес, който отнема между 3-5 минути. Ние демонстрирахме в това проучване, че според процеса, показан на Фигура 3, PUD #65215A ще втвърди до 7 mils дебелина на мокър филм за 4 минути при температура на пещта от 140 °C. Това е в рамките на прозореца на повечето базирани на разтворители UV-втвърдяващи се покрития. PUD #65215A може потенциално да даде възможност на настоящите апликатори на базирани на разтворител UV-втвърдяващи се материали да преминат към UV-втвърдяващ се материал на водна основа с малка промяна в тяхната линия за покритие.
За производителите, обмислящи разширяване на производството, покритията на базата на PUD #65215A ще им позволят да:
●Спестете пари чрез използването на по-къса линия за покритие на водна основа;
●Имат по-малък отпечатък на линията за нанасяне на покритие в съоръжението;
●Имат намалено въздействие върху текущото разрешително за ЛОС;
●Осъществете спестяване на енергия поради намалени нужди от сушене.
В заключение, PUD #65215A ще помогне да се подобри производствената ефективност на линиите за UV-втвърдяващи се покрития чрез високи физически показатели и характеристики на бързо освобождаване на водата на смолата, когато се изсуши при 140 °C.
Време на публикуване: 14 август 2024 г
