Високоефективните UV-втвърдяващи се покрития се използват в производството на подови настилки, мебели и шкафове в продължение на много години. През по-голямата част от това време 100% твърди и на основата на разтворители UV-втвърдяващи се покрития са доминиращата технология на пазара. През последните години технологията за UV-втвърдяващи се покрития на водна основа се разрасна. UV-втвърдяващите се смоли на водна основа се доказаха като полезен инструмент за производителите по различни причини, включително преминаване на KCMA тестове за оцветяване, химическа устойчивост и намаляване на летливите органични съединения (ЛОС). За да продължи растежът на тази технология на този пазар, бяха идентифицирани няколко фактора като ключови области, в които е необходимо да се направят подобрения. Те ще изведат UV-втвърдяващите се смоли на водна основа отвъд простото притежаване на „задължителните“ качества, които повечето смоли притежават. Те ще започнат да добавят ценни свойства към покритието, носейки стойност на всяка позиция по веригата за създаване на стойност - от формулатора на покритието до фабричния апликатор, монтажника и накрая на собственика.
Производителите, особено днес, желаят покритие, което ще прави повече от това просто да отговаря на спецификациите. Съществуват и други свойства, които осигуряват предимства при производството, опаковането и монтажа. Едно от желаните качества е подобренията в ефективността на инсталацията. За покритието на водна основа това означава по-бързо отделяне на вода и по-бърза устойчивост на блокиране. Друго желано качество е подобряването на стабилността на смолата за улавяне/повторна употреба на покритието и управлението на техните запаси. За крайния потребител и монтажника желаните качества са по-добра устойчивост на полиране и липса на метални следи по време на монтажа.
Тази статия ще обсъди новите разработки в областта на UV-втвърдяващите се полиуретани на водна основа, които предлагат значително подобрена стабилност на боята при 50°C, както в прозрачни, така и в пигментирани покрития. Обсъжда се също как тези смоли отговарят на желаните качества на апликатора на покритията, като увеличават скоростта на линията чрез бързо отделяне на вода, подобрена устойчивост на блокиране и устойчивост на разтворители извън линията, което подобрява скоростта на операциите по подреждане и опаковане. Това също така ще подобри защитата от повреди извън линията, които понякога се случват. Статията обсъжда и подобренията, демонстрирани в устойчивостта на петна и химикали, важни за монтажниците и собствениците.
Предистория
Пейзажът в индустрията за покрития непрекъснато се развива. „Задължителните“ изисквания просто да се отговаря на спецификацията на разумна цена за нанесен мил просто не са достатъчни. Пейзажът за фабрично нанасяни покрития върху шкафове, дограма, подови настилки и мебели се променя бързо. От производителите, които доставят покрития на фабриките, се изисква да направят покритията по-безопасни за нанасяне от служителите, да премахват вещества, пораждащи сериозно безпокойство, да заменят ЛОС с вода и дори да използват по-малко изкопаем въглерод и повече биовъглерод. Реалността е, че по цялата верига на създаване на стойност всеки клиент иска покритието да прави повече от това просто да отговаря на спецификацията.
Виждайки възможност да създаде повече стойност за фабриката, нашият екип започна да проучва на ниво фабрика предизвикателствата, пред които са изправени тези изпълнители. След много интервюта започнахме да чуваме някои общи теми:
- Поставянето на препятствия възпрепятства целите ми за разширяване;
- Разходите се увеличават, а капиталовите ни бюджети намаляват;
- Разходите както за енергия, така и за персонал се увеличават;
- Загуба на опитни служители;
- Нашите корпоративни цели за продажби, общи и административни разходи, както и тези на моите клиенти, трябва да бъдат изпълнени; и
- Състезание в чужбина.
Тези теми доведоха до твърдения за стойностни предложения, които започнаха да резонират с производителите на полиуретани на водна основа, втвърдяващи се с UV лъчи, особено на пазара на дограма и шкафове, като например: „производителите на дограма и шкафове търсят подобрения в ефективността на фабриките“ и „производителите искат възможността да разширят производството на по-къси производствени линии с по-малко щети от повторна обработка поради покритията с бавно отделящи вода свойства“.
Таблица 1 илюстрира как, за производителя на суровини за покрития, подобренията в определени характеристики на покритието и физични свойства водят до ефективност, която може да бъде реализирана от крайния потребител.
ТАБЛИЦА 1 | Характеристики и предимства.
Чрез проектирането на UV-втвърдяващи се PUD-ове с определени характеристики, както е посочено в Таблица 1, крайните производители ще могат да отговорят на нуждите си за подобряване на ефективността на инсталациите. Това ще им позволи да бъдат по-конкурентоспособни и потенциално да разширят текущото си производство.
Експериментални резултати и дискусия
История на UV-втвърдяващи се полиуретанови дисперсии
През 90-те години на миналия век, търговските приложения на анионни полиуретанови дисперсии, съдържащи акрилатни групи, прикрепени към полимера, започват да се използват в промишлени приложения.1 Много от тези приложения са били в опаковки, мастила и дървени покрития. Фигура 1 показва обща структура на UV-втвърдяващ се PUD, демонстрирайки как са проектирани тези суровини за покритие.
ФИГУРА 1 | Обща акрилатно-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, хидрофилизационни групи и удължители на веригата, използвани за направата на полиуретанови дисперсии.2 Разликата е в добавянето на акрилатен функционален естер, епоксидна смола или етери, включени в стъпката на предполимеризация, докато се прави дисперсията. Изборът на материали, използвани като градивни елементи, както и архитектурата и обработката на полимера, диктуват производителността и характеристиките на сушене на PUD. Този избор на суровини и обработка ще доведе до UV-втвърдяващи се PUD, които могат да не образуват филм, както и такива, които образуват филм.3 Филмообразуващите или видовете сушене са предмет на тази статия.
Формирането на филм, или както често се нарича сушенето, ще доведе до коалесцирани филми, които са сухи на допир преди UV втвърдяване. Тъй като производителите желаят да ограничат замърсяването на покритието във въздуха поради частици, както и необходимостта от бързина в производствения си процес, те често се сушат 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 на втвърдяване на UV-втвърдяващ се PUD.
Използваният метод на нанасяне обикновено е пръскане. Използвани са обаче нанасяне с нож върху валяк и дори нанасяне с обливане. След нанасяне, покритието обикновено преминава през четириетапен процес, 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 етапът, при който водата и съразтворителите се изтласкват от покритието. Тази стъпка е критична и обикновено отнема най-много време в процеса. Обикновено се извършва при температура >140°F и продължава до 8 минути. Могат да се използват и многозонни сушилни.
- IR лампа и движение на въздуха: Монтирането на IR лампи и вентилатори за движение на въздуха ще ускори водната светкавица още по-бързо.
3. UV втвърдяване.
4. Охлаждане: След втвърдяване, покритието ще трябва да се втвърди известно време, за да се постигне устойчивост на блокиране. Тази стъпка може да отнеме до 10 минути, преди да се постигне устойчивост на блокиране.
Експериментално
Това проучване сравнява два UV-втвърдяващи се PUD-а (WB UV), използвани понастоящем на пазара за мебели и дограма, с нашата нова разработка, PUD # 65215A. В това проучване сравняваме Стандарт #1 и Стандарт #2 с PUD #65215A по отношение на съхнене, блокиране и химическа устойчивост. Също така оценяваме pH стабилността и вискозитетната стабилност, които могат да бъдат от решаващо значение при обмисляне на повторна употреба на пръскане и срок на годност. По-долу в Таблица 2 са показани физичните свойства на всяка от смолите, използвани в това проучване. И трите системи са формулирани с подобно ниво на фотоинициатор, ЛОС и ниво на твърди вещества. И трите смоли са формулирани с 3% ко-разтворител.
ТАБЛИЦА 2 | Свойства на PUD смолата.
В интервютата ни беше казано, че повечето WB-UV покрития на пазарите за дограма и шкафове съхнат на производствена линия, което отнема между 5-8 минути преди UV втвърдяване. За разлика от тях, UV линия на базата на разтворител (SB-UV) изсъхва за 3-5 минути. Освен това, за този пазар покритията обикновено се нанасят мокри с дебелина 4-5 мила. Основен недостатък на водоразтворимите UV покрития, втвърдяващи се с UV, втвърдяващи се с разтворител алтернативи, е времето, необходимо за изплакване с вода на производствена линия.4 Дефекти на филма, като например бели петна, ще се появят, ако водата не е била правилно отстранена от покритието преди UV втвърдяване. Това може да се случи и ако дебелината на мокрия филм е твърде голяма. Тези бели петна се образуват, когато водата се задържа във филма по време на UV втвърдяване.5
За това проучване избрахме схема на втвърдяване, подобна на тази, която би се използвала на UV-втвърдяваща се линия на базата на разтворител. Фигура 3 показва схемата на нанасяне, сушене, втвърдяване и опаковане, използвана за нашето проучване. Тази схема на сушене представлява подобрение от 50% до 60% в общата скорост на линията спрямо настоящия пазарен стандарт в приложенията за дограма и шкафове.
ФИГУРА 3 | График за нанасяне, сушене, втвърдяване и опаковане.
По-долу са посочени условията на приложение и втвърдяване, които използвахме за нашето проучване:
●Нанасяне чрез пръскане върху кленов фурнир с черен базов слой.
●30-секундна светкавица при стайна температура.
●Сушене в пещ при температура 140 °F за 2,5 минути (конвекционна пещ).
●UV втвърдяване – интензитет около 800 mJ/cm2.
- Прозрачните покрития бяха втвърдени с помощта на живачна лампа.
- Пигментираните покрития бяха втвърдени с помощта на комбинирана Hg/Ga лампа.
● Оставете да се охлади за 1 минута преди подреждане.
За нашето проучване напръскахме и три различни дебелини на мокрия филм, за да видим дали ще се реализират и други предимства, като например по-малко слоеве. 4 мила мокър филм е типичният за WB UV. За това проучване включихме също 6 и 8 мила нанасяния на мокро покритие.
Резултати от втвърдяване
Резултатите от стандарт №1, високо гланцово прозрачно покритие, са показани на Фигура 4. WB UV прозрачното покритие е нанесено върху средно плътен фиброкартон (MDF), предварително покрит с черно базово покритие и е втвърдено съгласно графика, показан на Фигура 3. При 4 мила (4 мила) мокро покритието преминава. Въпреки това, при 6 и 8 мила (8 мила) мокро нанасяне покритието се напуква и 8 мила (8 мила) са лесно отстранени поради лошо отделяне на вода преди UV втвърдяване.
ФИГУРА 4 | Стандарт №1.
Подобен резултат се наблюдава и в Стандарт №2, показан на Фигура 5.
ФИГУРА 5 | Стандарт №2.
Показано на Фигура 6, използвайки същия график за втвърдяване, както на Фигура 3, PUD #65215A демонстрира огромно подобрение в отделянето/съхненето на вода. При дебелина на мокрия филм от 8 мила се наблюдава леко напукване по долния ръб на пробата.
ФИГУРА 6 | PUD #65215A.
Допълнително тестване на PUD# 65215A в нискогланцово прозрачно покритие и пигментирано покритие върху същия MDF с черно базово покритие беше оценено, за да се оценят характеристиките на отделяне на вода при други типични формулировки на покрития. Както е показано на Фигура 7, нискогланцовата формулировка при мокро нанасяне с дебелина 5 и 7 мила отдели водата и образува добър филм. При мокро нанасяне с дебелина 10 мила обаче, тя беше твърде дебела, за да отдели водата при схемата на съхнене и втвърдяване на Фигура 3.
ФИГУРА 7 | Ниско гланцово PUD #65215A.
В бяла пигментирана формула, PUD #65215A се представи добре при същия график на съхнене и втвърдяване, описан на Фигура 3, с изключение на случая, когато се нанесе при 8 мила (8 мила) мокро покритие. Както е показано на Фигура 8, филмът се напуква при 8 мила поради лошо отделяне на вода. Като цяло, в прозрачни, нискогланцови и пигментирани формулировки, PUD# 65215A се представи добре при образуване на филм и съхнене, когато се нанесе до 7 мила (7 мила) мокро покритие и се втвърди при ускорения график на сушене и втвърдяване, описан на Фигура 3.
ФИГУРА 8 | Пигментиран PUD #65215A.
Блокиране на резултати
Устойчивостта на блокиране е способността на покритието да не залепва към друго покрито изделие, когато е подредено. В производството това често е пречка, ако е необходимо време, за да достигне устойчивост на блокиране втвърденото покритие. За това проучване, пигментирани формулировки на Стандарт №1 и PUD №65215A бяха нанесени върху стъкло при 5 мокри мила, използвайки изтегляща лента. Всяка от тях беше втвърдена съгласно графика за втвърдяване на Фигура 3. Два покрити стъклени панела бяха втвърдени едновременно – 4 минути след втвърдяването панелите бяха захванати заедно, както е показано на Фигура 9. Те останаха захванати заедно при стайна температура в продължение на 24 часа. Ако панелите бяха лесно разделени без отпечатък или повреда на покритите панели, тестът се считаше за преминал.
Фигура 10 илюстрира подобрената устойчивост на блокиране на PUD# 65215A. Въпреки че както Стандарт #1, така и PUD #65215A постигнаха пълно втвърдяване в предишния тест, само PUD #65215A демонстрира достатъчно отделяне на вода и втвърдяване, за да постигне устойчивост на блокиране.
ФИГУРА 9 | Илюстрация на тест за блокиращо съпротивление.
ФИГУРА 10 | Блокиращо съпротивление на Стандарт №1, последван от PUD №65215A.
Резултати от смесването на акрилни бои
Производителите на покрития често смесват UV-втвърдяващи се WB 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 тестването за оцветяване се счита за стандарт. В зависимост от крайното приложение, някои химикали ще станат по-важни от други за производителя на покритото изделие. Оценка 5 е най-добрата, а оценка 1 е най-лошата.
Както е показано в Таблица 3, PUD #65215A се представя изключително добре в KCMA тестовете за оцветяване като високогланцов прозрачен лак, нискогланцов прозрачен лак и като пигментирано покритие. Дори когато е смесен 1:1 с акрил, KCMA тестовете за оцветяване не се влияят драстично. Дори при оцветяване с агенти като горчица, покритието се възстановява до приемливо ниво след 24 часа.
ТАБЛИЦА 3 | Устойчивост на химикали и петна (най-добра оценка 5).
В допълнение към теста за оцветяване с KCMA, производителите ще тестват и за втвърдяване веднага след UV втвърдяване извън линията. Често ефектите от смесването на акрила ще се забелязват веднага след втвърдяване в 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 нашите тестове видяхме, че смес 1:1 на PUD# 65215A с акрил не е преминала този тест. Видяхме обаче, че PUD #65215A може да се смеси с 25% NeoCryl XK-12 акрил и все пак да премине теста 20 IPA dr (NeoCryl е регистрирана търговска марка на групата Covestro).
ФИГУРА 11 | 20 двойни втривания с IPA, 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 пада под 7 и вискозитетът остава стабилен в сравнение с първоначалния. За нашето тестване решихме да подложим пробите на по-суровите условия до 6 седмици при 50°C. При тези условия Стандарт #1 и #2 не бяха стабилни.
За нашите тестове разгледахме високогланцовите, нискогланцовите и нискогланцовите пигментирани формулировки, използвани в това проучване. Както е показано на Фигура 12, pH стабилността и на трите формулировки остана стабилна и над прага от 7,0. Фигура 13 илюстрира минималната промяна на вискозитета след 6 седмици при 50 °C.
ФИГУРА 12 | pH стабилност на формулиран PUD #65215A.
ФИГУРА 13 | Вискозитетна стабилност на формулиран PUD #65215A.
Друг тест, демонстриращ стабилността на PUD #65215A, беше повторно тестване на устойчивостта на петна от KCMA на формула на покритие, която е отлежала 6 седмици при 50°C, и сравняване на това с първоначалната ѝ устойчивост на петна от KCMA. Покритията, които не показват добра стабилност, ще покажат спад в ефективността на петна. Както е показано на Фигура 14, PUD# 65215A поддържа същото ниво на производителност, както при първоначалното тестване за химическа/петнеста устойчивост на пигментираното покритие, показано в Таблица 3.
ФИГУРА 14 | Химични тестови панели за пигментиран PUD #65215A.
Заключения
За нанасящите UV-втвърдяващи се покрития на водна основа, PUD #65215A ще им позволи да отговорят на настоящите стандарти за производителност на пазарите на дограма, дърво и шкафове, а освен това ще позволи процеса на нанасяне да постигне подобрения в скоростта на линията с над 50-60% в сравнение със сегашните стандартни UV-втвърдяващи се покрития на водна основа. За нанасящия това може да означава:
●По-бързо производство;
●Увеличената дебелина на филма намалява необходимостта от допълнителни слоеве;
●По-къси линии за сушене;
●Икономия на енергия поради намалени нужди от сушене;
●По-малко скрап поради бързата устойчивост на блокиране;
●Намалено количество отпадъци от покритие поради стабилността на смолата.
С ЛОС под 100 г/л, производителите са по-способни да постигнат целите си за ЛОС. За производителите, които може да имат притеснения относно разширяването поради проблеми с разрешителните, бързоотделящият се от вода PUD #65215A ще им позволи по-лесно да изпълнят регулаторните си задължения без компромис с производителността.
В началото на тази статия цитирахме от нашите интервюта, че апликаторите на UV-втвърдяващи се материали на основата на разтворители обикновено изсушават и втвърдяват покритията в процес, който отнема между 3 и 5 минути. В това проучване демонстрирахме, че съгласно процеса, показан на Фигура 3, PUD #65215A ще втвърди до 7 мила дебелина на мокрия филм за 4 минути при температура на пещта от 140 °C. Това е в рамките на диапазона на повечето UV-втвърдяващи се покрития на основата на разтворители. PUD #65215A би могъл потенциално да даде възможност на настоящите апликатори на UV-втвърдяващи се материали на основата на разтворители да преминат към UV-втвърдяващ се материал на водна основа с малка промяна в линията си за покрития.
За производителите, които обмислят разширяване на производството, покритията на базата на PUD #65215A ще им позволят:
●Спестете пари чрез използването на по-къса линия за боядисване на водна основа;
● Да имат по-малка площ на линията за покритие в съоръжението;
●Имат намалено въздействие върху текущото разрешително за ЛОС;
●Реализирайте икономии на енергия поради намалените нужди от сушене.
В заключение, PUD #65215A ще спомогне за подобряване на ефективността на производството на линии за UV-втвърдяващи се покрития чрез високи физични свойства и бързо отделяне на вода от смолата при изсушаване при 140°C.
Време на публикуване: 14 август 2024 г.
