Visokoučinkoviti UV premazi koji se stvrdnjavaju već se dugi niz godina koriste u proizvodnji podova, namještaja i ormara. Većinu tog vremena, 100%-tni UV premazi koji se stvrdnjavaju na bazi otapala bili su dominantna tehnologija na tržištu. Posljednjih godina, tehnologija premaza na bazi vode koji se stvrdnjavaju na bazi UV zračenja doživjela je rast. UV smole na bazi vode koje se stvrdnjavaju pokazale su se korisnim alatom za proizvođače iz raznih razloga, uključujući prolazak KCMA ispitivanja bojenja, ispitivanja kemijske otpornosti i smanjenje hlapljivih organskih spojeva (VOC). Da bi ova tehnologija nastavila rasti na ovom tržištu, identificirano je nekoliko pokretača kao ključna područja u kojima je potrebno napraviti poboljšanja. To će UV smole koje se stvrdnjavaju na bazi vode podići dalje od pukog posjedovanja „must haves“ karakteristika koje većina smola posjeduje. Počet će dodavati vrijedna svojstva premazu, donoseći vrijednost svakoj poziciji u lancu vrijednosti, od formulatora premaza do tvorničkog aplikatora, instalatera i, konačno, vlasnika.
Proizvođači, posebno danas, žele premaz koji će učiniti više od pukog zadovoljavanja specifikacija. Postoje i druga svojstva koja pružaju prednosti u proizvodnji, pakiranju i ugradnji. Jedan od željenih atributa je poboljšanje učinkovitosti postrojenja. Za premaz na bazi vode to znači brže otpuštanje vode i bržu otpornost na blokiranje. Drugi željeni atribut je poboljšanje stabilnosti smole za hvatanje/ponovnu upotrebu premaza i upravljanje njihovim zalihama. Za krajnjeg korisnika i instalatera, željeni atributi su bolja otpornost na poliranje i bez metalnih tragova tijekom ugradnje.
Ovaj članak će raspravljati o novim dostignućima u poliuretanima na bazi vode koji se stvrdnjavaju UV zračenjem, a koji nude znatno poboljšanu stabilnost boje na 50 °C u prozirnim, kao i u pigmentiranim premazima. Također se raspravlja o tome kako ove smole zadovoljavaju željene atribute nanositelja premaza u povećanju brzine linije kroz brzo otpuštanje vode, poboljšanu otpornost na blokiranje i otpornost na otapala izvan linije, što poboljšava brzinu operacija slaganja i pakiranja. To će također poboljšati oštećenja izvan linije koja se ponekad javljaju. Ovaj članak također raspravlja o poboljšanjima dokazanim u otpornosti na mrlje i kemikalije, važnim za instalatere i vlasnike.
Pozadina
Situacija u industriji premaza neprestano se mijenja. „Must have“ samo zadovoljavanje specifikacija po razumnoj cijeni po nanesenom milu jednostavno nije dovoljna. Situacija za tvornički nanesene premaze na ormariće, stolariju, podove i namještaj brzo se mijenja. Od proizvođača koji isporučuju premaze tvornicama traži se da premaze učine sigurnijima za nanošenje zaposlenicima, uklone tvari koje izazivaju zabrinutost, zamijene hlapljive organske spojeve vodom, pa čak i da koriste manje fosilnog ugljika, a više biougljika. Stvarnost je da duž cijelog lanca vrijednosti svaki kupac traži od premaza da učini više od pukog ispunjavanja specifikacija.
Vidjevši priliku za stvaranje veće vrijednosti za tvornicu, naš je tim počeo istraživati izazove s kojima su se suočavali ovi aplikatori na razini tvornice. Nakon mnogih intervjua počeli smo čuti neke uobičajene teme:
- Dopuštanje prepreka sprječava moje ciljeve širenja;
- Troškovi rastu, a naši kapitalni proračuni se smanjuju;
- Troškovi energije i osoblja rastu;
- Gubitak iskusnih zaposlenika;
- Naši korporativni ciljevi SG&A, kao i oni mojih klijenata, moraju biti ispunjeni; i
- Inozemna konkurencija.
Ove teme dovele su do izjava o vrijednosnim ponudama koje su počele odjeknuti kod aplikatora poliuretana na bazi vode koji se stvrdnjavaju UV zračenjem, posebno na tržištu stolarije i ormarića, kao što su: „proizvođači stolarije i ormarića traže poboljšanja u učinkovitosti tvornica“ i „proizvođači žele mogućnost proširenja proizvodnje na kraćim proizvodnim linijama s manje oštećenja od ponovne obrade zbog premaza sa svojstvima sporog otpuštanja vode.“
Tablica 1 ilustrira kako, za proizvođača sirovina za premaze, poboljšanja određenih atributa premaza i fizičkih svojstava dovode do učinkovitosti koju krajnji korisnik može ostvariti.
TABLICA 1 | Svojstva i prednosti.
Dizajniranjem UV-otvrdnjivih PUD-ova s određenim svojstvima navedenima u Tablici 1, proizvođači će moći zadovoljiti svoje potrebe za poboljšanjem učinkovitosti postrojenja. To će im omogućiti veću konkurentnost i potencijalno proširenje trenutne proizvodnje.
Eksperimentalni rezultati i rasprava
Povijest UV-stvrdnjavajućih poliuretanskih disperzija
U 1990-ima, komercijalna upotreba anionskih poliuretanskih disperzija koje sadrže akrilatne skupine vezane za polimer počela se koristiti u industrijskim primjenama.1 Mnoge od tih primjena bile su u pakiranju, tintama i premazima za drvo. Slika 1 prikazuje generičku strukturu UV-stvrdnjavajućeg PUD-a, demonstrirajući kako su ove sirovine za premaze dizajnirane.
SLIKA 1 | Generička akrilatna funkcionalna poliuretanska disperzija.3
Kao što je prikazano na slici 1, UV-stvrdnjavajuće poliuretanske disperzije (UV-stvrdnjavajući PUD-ovi) sastoje se od tipičnih komponenti koje se koriste za izradu poliuretanskih disperzija. Alifatski diizocijanati reagiraju s tipičnim esterima, diolima, hidrofilizacijskim skupinama i produživačima lanca koji se koriste za izradu poliuretanskih disperzija.2 Razlika je u dodavanju akrilatnog funkcionalnog estera, epoksida ili etera ugrađenih u korak predpolimera tijekom izrade disperzije. Izbor materijala koji se koriste kao građevni blokovi, kao i arhitektura i obrada polimera, diktiraju performanse i karakteristike sušenja PUD-a. Ovi izbori sirovina i obrade dovest će do UV-stvrdnjavajućih PUD-ova koji mogu ne stvarati film, kao i onih koji stvaraju film.3 Vrste stvaranja filma ili sušenja predmet su ovog članka.
Formiranje filma, ili sušenje kako se često naziva, dat će koalescirane filmove koji su suhi na dodir prije UV sušenja. Budući da aplikatori žele ograničiti kontaminaciju premaza zrakom zbog čestica, kao i potrebu za brzinom u svom proizvodnom procesu, oni se često suše u pećnicama kao dio kontinuiranog procesa prije UV sušenja. Slika 2 prikazuje tipičan proces sušenja i sušenja PUD-a koji se suši UV zračenjem.
SLIKA 2 | Postupak sušenja PUD-a koji se stvrdnjava UV zračenjem.
Metoda nanošenja koja se obično koristi je prskanje. Međutim, korišteni su i nanošenje valjkom preko lopatice, pa čak i prelijevanje. Nakon nanošenja, premaz obično prolazi kroz proces u četiri koraka prije nego što se ponovno obrađuje.
1. Bljesak: To se može učiniti na sobnoj ili povišenoj temperaturi od nekoliko sekundi do nekoliko minuta.
2. Sušenje u pećnici: Ovo je korak u kojem se voda i kosolventi istiskuju iz premaza. Ovaj korak je ključan i obično oduzima najviše vremena u procesu. Ovaj korak se obično odvija na temperaturi >60 °C i traje do 8 minuta. Mogu se koristiti i višezonske sušionice.
- IR lampa i kretanje zraka: Ugradnja IR lampi i ventilatora za kretanje zraka ubrzat će bljesak vode još brže.
3. UV stvrdnjavanje.
4. Hlađenje: Nakon sušenja, premaz će se morati stvrdnjavati neko vrijeme kako bi se postigla otpornost na blokiranje. Ovaj korak može potrajati i do 10 minuta prije nego što se postigne otpornost na blokiranje.
Eksperimentalno
Ova studija usporedila je dva UV-stvrdnjavajuća PUD-a (WB UV), koja se trenutno koriste na tržištu ormarića i stolarije, s našim novim razvojem, PUD # 65215A. U ovoj studiji uspoređujemo Standard #1 i Standard #2 s PUD #65215A u pogledu sušenja, blokiranja i kemijske otpornosti. Također procjenjujemo pH stabilnost i stabilnost viskoznosti, što može biti ključno pri razmatranju ponovne upotrebe prekomjernog prskanja i roka trajanja. U Tablici 2 prikazana su fizikalna svojstva svake od smola korištenih u ovoj studiji. Sva tri sustava formulirana su na sličnu razinu fotoinicijatora, hlapljivih organskih spojeva (VOC) i razine krutih tvari. Sve tri smole formulirane su s 3% kosolventa.
TABLICA 2 | Svojstva PUD smole.
U intervjuima nam je rečeno da se većina WB-UV premaza na tržištu stolarije i ormarića suši na proizvodnoj liniji, što traje između 5 i 8 minuta prije UV sušenja. Nasuprot tome, UV linija na bazi otapala (SB-UV) suši se 3-5 minuta. Osim toga, za ovo tržište premazi se obično nanose mokri debljine 4-5 mil. Glavni nedostatak UV premaza na bazi vode u usporedbi s UV alternativama na bazi otapala je vrijeme potrebno za ispiranje vodom na proizvodnoj liniji.4 Defekti filma, poput bijelih mrlja, pojavit će se ako voda nije pravilno ispuštena iz premaza prije UV sušenja. To se može dogoditi i ako je debljina mokrog filma prevelika. Ove bijele mrlje nastaju kada se voda zarobi unutar filma tijekom UV sušenja.5
Za ovu studiju odabrali smo raspored sušenja sličan onome koji bi se koristio na liniji na bazi otapala koja se stvrdnjava UV zračenjem. Slika 3 prikazuje naš raspored nanošenja, sušenja, stvrdnjavanja i pakiranja korišten za našu studiju. Ovaj raspored sušenja predstavlja poboljšanje ukupne brzine linije od 50% do 60% u odnosu na trenutni tržišni standard u stolariji i izradi ormarića.
SLIKA 3 | Raspored nanošenja, sušenja, stvrdnjavanja i pakiranja.
U nastavku su navedeni uvjeti primjene i sušenja koje smo koristili u našoj studiji:
●Nanošenje prskanjem preko javorovog furnira s crnim osnovnim premazom.
●30-sekundni bljesak sobne temperature.
●Sušenje u pećnici na temperaturi od 70 °C traje 2,5 minute (konvekcijska pećnica).
●UV stvrdnjavanje – intenzitet oko 800 mJ/cm2.
- Prozirni premazi su sušeni pomoću Hg lampe.
- Pigmentirani premazi su sušeni pomoću kombinirane Hg/Ga lampe.
●1 minuta hlađenja prije slaganja.
Za našu studiju također smo nanijeli tri različite debljine mokrog filma kako bismo vidjeli hoće li se ostvariti i druge prednosti, poput manjeg broja slojeva. 4 mil mokrog filma je tipična debljina za WB UV. Za ovu studiju uključili smo i nanošenje mokrog premaza od 6 i 8 mil.
Rezultati sušenja
Rezultati standarda #1, visokosjajnog prozirnog premaza, prikazani su na slici 4. WB UV prozirni premaz nanesen je na vlaknastu ploču srednje gustoće (MDF) prethodno premazanu crnim osnovnim premazom i sušen prema rasporedu prikazanom na slici 3. Pri mokrom nanošenju od 4 mil premaz prolazi. Međutim, pri mokrom nanošenju od 6 i 8 mil premaz je pukao, a 8 mil je lako uklonjeno zbog slabog otpuštanja vode prije UV sušenja.
SLIKA 4 | Standard br. 1.
Sličan rezultat se vidi i u Standardu br. 2, prikazanom na Slici 5.
SLIKA 5 | Standard br. 2.
Prikazano na slici 6, korištenjem istog rasporeda sušenja kao na slici 3, PUD #65215A pokazao je ogromno poboljšanje u otpuštanju vode/sušenju. Pri debljini mokrog filma od 8 mil, uočeno je blago pucanje na donjem rubu uzorka.
SLIKA 6 | PUD #65215A.
Dodatno ispitivanje PUD# 65215A u prozirnom premazu niskog sjaja i pigmentiranom premazu preko istog MDF-a s crnim osnovnim premazom procijenjeno je kako bi se procijenila svojstva otpuštanja vode u drugim tipičnim formulacijama premaza. Kao što je prikazano na slici 7, formulacija niskog sjaja pri mokrom nanošenju od 5 i 7 mil otpustila je vodu i stvorila dobar film. Međutim, pri mokrom nanošenju od 10 mil, bila je pregusta da bi otpustila vodu prema rasporedu sušenja i stvrdnjavanja na slici 3.
SLIKA 7 | PUD niskog sjaja #65215A.
U bijelo pigmentiranoj formuli, PUD #65215A se dobro pokazao u istom rasporedu sušenja i stvrdnjavanja opisanom na slici 3, osim kada se nanosi pri debljini od 8 mil u mokrom stanju. Kao što je prikazano na slici 8, film puca na 8 mil zbog slabog otpuštanja vode. Sveukupno, u prozirnim, niskosjajnim i pigmentiranim formulacijama, PUD# 65215A se dobro pokazao u stvaranju filma i sušenju kada se nanosi do 7 mil u mokrom stanju i stvrdnjava se pri ubrzanom rasporedu sušenja i stvrdnjavanja opisanom na slici 3.
SLIKA 8 | Pigmentirani PUD #65215A.
Blokiranje rezultata
Otpornost na blokiranje je sposobnost premaza da se ne lijepi za drugi premazani predmet kada se slaže. U proizvodnji to je često usko grlo ako je potrebno vrijeme da očvrsli premaz postigne otpornost na blokiranje. Za ovu studiju, pigmentirane formulacije Standarda #1 i PUD #65215A nanesene su na staklo pri 5 mokrih mila pomoću šipke za izvlačenje. Svaka je očvršćena prema rasporedu očvršćavanja na Slici 3. Dvije premazane staklene ploče očvršćene su istovremeno - 4 minute nakon očvršćavanja ploče su stegnute jedna prema drugoj, kao što je prikazano na Slici 9. Ostale su stegnute jedna na sobnoj temperaturi 24 sata. Ako su se ploče lako odvojile bez otiska ili oštećenja premazanih ploča, test se smatrao prolaznim.
Slika 10 prikazuje poboljšanu otpornost na blokiranje PUD-a # 65215A. Iako su i Standard #1 i PUD #65215A postigli potpuno stvrdnjavanje u prethodnom testu, samo je PUD #65215A pokazao dovoljno otpuštanja vode i stvrdnjavanja za postizanje otpornosti na blokiranje.
SLIKA 9 | Ilustracija ispitivanja otpora blokiranju.
SLIKA 10 | Otpor blokiranja Standarda #1, nakon čega slijedi PUD #65215A.
Rezultati miješanja akrila
Proizvođači premaza često miješaju WB UV-stvrdnjavajuće smole s akrilima kako bi smanjili troškove. Za našu studiju također smo proučavali miješanje PUD#65215A s NeoCryl® XK-12, akrilom na bazi vode, koji se često koristi kao partner za miješanje s UV-stvrdnjavajućim PUD-ovima na bazi vode na tržištu stolarije i ormarića. Za ovo tržište, KCMA testiranje mrlja smatra se standardom. Ovisno o krajnjoj upotrebi, neke će kemikalije postati važnije od drugih za proizvođača premazanog predmeta. Ocjena 5 je najbolja, a ocjena 1 najgora.
Kao što je prikazano u Tablici 3, PUD #65215A pokazao se iznimno dobro u KCMA testiranju bojenja kao visokosjajni prozirni premaz, niskosjajni prozirni premaz i kao pigmentirani premaz. Čak i kada se pomiješa 1:1 s akrilom, KCMA testiranje bojenja nije drastično pogođeno. Čak i kod bojenja sredstvima poput senfa, premaz se oporavio na prihvatljivu razinu nakon 24 sata.
TABLICA 3 | Otpornost na kemikalije i mrlje (najbolja ocjena je 5).
Uz KCMA testiranje bojenja, proizvođači će također testirati stvrdnjavanje odmah nakon UV sušenja izvan proizvodne linije. Često će se učinci miješanja akrila primijetiti odmah izvan proizvodne linije u ovom testu. Očekuje se da neće doći do probijanja premaza nakon 20 dvostrukih trljanja izopropilnim alkoholom (20 IPA dr). Uzorci se testiraju 1 minutu nakon UV sušenja. U našem testiranju vidjeli smo da mješavina PUD# 65215A s akrilom u omjeru 1:1 nije prošla ovaj test. Međutim, vidjeli smo da se PUD #65215A može pomiješati s 25% NeoCryl XK-12 akrila i dalje proći test od 20 IPA dr (NeoCryl je registrirani zaštitni znak Covestro grupe).
SLIKA 11 | 20 dvostrukih utrljavanja IPA-om, 1 minuta nakon UV sušenja.
Stabilnost smole
Također je testirana stabilnost PUD-a #65215A. Formulacija se smatra stabilnom na polici ako nakon 4 tjedna na 40 °C pH ne padne ispod 7, a viskoznost ostane stabilna u usporedbi s početnom. Za naše testiranje odlučili smo podvrgnuti uzorke težim uvjetima do 6 tjedana na 50 °C. U tim uvjetima standard #1 i #2 nisu bili stabilni.
Za naša ispitivanja proučili smo visokosjajne prozirne lakove, niskosjajne prozirne lakove, kao i niskosjajne pigmentirane formulacije korištene u ovoj studiji. Kao što je prikazano na slici 12, pH stabilnost sve tri formulacije ostala je stabilna i iznad praga pH 7,0. Slika 13 prikazuje minimalnu promjenu viskoznosti nakon 6 tjedana na 50 °C.
SLIKA 12 | pH stabilnost formuliranog PUD-a #65215A.
SLIKA 13 | Stabilnost viskoznosti formuliranog PUD-a #65215A.
Drugi test koji je pokazao stabilnost PUD-a #65215A bio je ponovno testiranje otpornosti na mrlje od KCMA formulacije premaza koja je odležavala 6 tjedana na 50 °C, te usporedba toga s početnom otpornošću na mrlje od KCMA. Premazi koji ne pokazuju dobru stabilnost vidjet će pad u performansama mrlja. Kao što je prikazano na slici 14, PUD# 65215A zadržao je istu razinu performansi kao i u početnom testiranju otpornosti na kemikalije/mrlje pigmentiranog premaza prikazanog u tablici 3.
SLIKA 14 | Kemijske ispitne ploče za pigmentirani PUD #65215A.
Zaključci
Za nanositelje UV-stvrdnjavajućih premaza na bazi vode, PUD #65215A omogućit će im da ispune trenutne standarde performansi na tržištima stolarije, drva i ormara, a osim toga omogućit će proces premazivanja da vidi poboljšanje brzine linije za više od 50-60% u odnosu na trenutne standardne UV-stvrdnjavajuće premaze na bazi vode. Za nanositelja to može značiti:
●Brža proizvodnja;
●Povećana debljina filma smanjuje potrebu za dodatnim slojevima;
●Kraće linije sušenja;
●Ušteda energije zbog smanjenih potreba za sušenjem;
●Manje otpada zbog brzog otpora na blokiranje;
●Smanjeni otpad premaza zbog stabilnosti smole.
S VOC-ima manjim od 100 g/L, proizvođači također mogu lakše ispuniti svoje ciljeve VOC-a. Za proizvođače koji možda imaju zabrinutosti oko širenja zbog problema s dozvolama, PUD s brzim otpuštanjem vode #65215A omogućit će im lakše ispunjavanje svojih regulatornih obveza bez žrtvovanja performansi.
Na početku ovog članka naveli smo iz naših intervjua da bi nanositelji materijala na bazi otapala koji se stvrdnjavaju UV zračenjem obično sušili i stvrdnjavali premaze u procesu koji traje između 3 i 5 minuta. U ovoj studiji smo pokazali da će, prema procesu prikazanom na slici 3, PUD #65215A stvrdnjavati do 7 mil debljine mokrog filma za 4 minute s temperaturom pećnice od 140 °C. To je unutar raspona većine premaza na bazi otapala koji se stvrdnjavaju UV zračenjem. PUD #65215A bi potencijalno mogao omogućiti trenutnim nanositeljima materijala na bazi otapala koji se stvrdnjavaju UV zračenjem da pređu na materijal na bazi vode koji se stvrdnjava UV zračenjem uz male promjene u svojoj liniji premaza.
Za proizvođače koji razmatraju proširenje proizvodnje, premazi na bazi PUD #65215A omogućit će im:
●Uštedite novac korištenjem kraće linije za premazivanje na bazi vode;
●Imati manji otisak linije za premazivanje u pogonu;
●Imaju smanjen utjecaj na trenutnu dozvolu za VOC-ove;
●Ostvarite uštedu energije zbog smanjenih potreba za sušenjem.
Zaključno, PUD #65215A pomoći će u poboljšanju učinkovitosti proizvodnje linija za UV-stvrdnjavajuće premaze zahvaljujući visokim fizičkim svojstvima i brzim karakteristikama otpuštanja vode iz smole kada se osuši na 140 °C.
Vrijeme objave: 14. kolovoza 2024.
