UV-herdbare belegg med høy ytelse har blitt brukt i produksjon av gulv, møbler og skap i mange år. I det meste av denne tiden har 100 % faste og løsemiddelbaserte UV-herdbare belegg vært den dominerende teknologien på markedet. De siste årene har vannbasert UV-herdbar beleggsteknologi vokst. Vannbaserte UV-herdbare harpikser har vist seg å være et nyttig verktøy for produsenter av en rekke årsaker, inkludert bestått KCMA-flekk, testing av kjemisk motstand og reduksjon av VOC. For at denne teknologien skal fortsette å vokse i dette markedet, har flere drivere blitt identifisert som nøkkelområder der forbedringer må gjøres. Disse vil ta vannbaserte UV-herdbare harpikser utover å bare ha "must-have" som de fleste harpikser har. De vil begynne å tilføre belegget verdifulle egenskaper, og bringe verdi til hver posisjon langs verdikjeden fra beleggformuler til fabrikkpåføring til installatør og til slutt til eieren.
Produsenter, spesielt i dag, ønsker et belegg som vil gjøre mer enn bare å bestå spesifikasjoner. Det er også andre egenskaper som gir fordeler ved produksjon, pakking og installasjon. En ønsket egenskap er forbedringer i anleggets effektivitet. For det vannbaserte belegget betyr dette raskere vannfrigjøring og raskere blokkeringsmotstand. En annen ønsket egenskap er å forbedre harpiksstabiliteten for fangst/gjenbruk av et belegg, og styring av deres beholdning. For sluttbruker og installatør er ønskede egenskaper bedre poleringsmotstand og ingen metallmerking under installasjon.
Denne artikkelen vil diskutere nye utviklinger innen vannbaserte UV-herdbare polyuretaner som gir mye forbedret 50 °C malingsstabilitet i klare, så vel som pigmenterte belegg. Den diskuterer også hvordan disse harpiksene adresserer de ønskede egenskapene til beleggapplikatoren ved å øke linjehastigheten gjennom rask vannfrigjøring, forbedret blokkmotstand og løsningsmiddelmotstand utenfor linjen, noe som forbedrer hastigheten for stabling og pakkeoperasjoner. Dette vil også forbedre off-the-line skader som noen ganger oppstår. Denne artikkelen diskuterer også forbedringer demonstrert i flekk- og kjemikaliebestandighet som er viktige for installatører og eiere.
Bakgrunn
Landskapet i malingsindustrien er i stadig utvikling. Det "må ha" ved å bare bestå spesifikasjonen til en rimelig pris per brukt mil er rett og slett ikke nok. Landskapet for fabrikkpåførte belegg på skap, snekkerarbeid, gulv og møbler endrer seg raskt. Formulatorer som leverer belegg til fabrikkene blir bedt om å gjøre belegg tryggere for ansatte å påføre, fjerne stoffer som gir stor bekymring, erstatte VOC med vann, og til og med bruke mindre fossilt karbon og mer biokarbon. Realiteten er at gjennom hele verdikjeden ber hver kunde belegget om å gjøre mer enn bare å oppfylle spesifikasjonen.
Da vi så en mulighet til å skape mer verdi for fabrikken, begynte teamet vårt å undersøke på fabrikknivå utfordringene disse applikatorene sto overfor. Etter mange intervjuer begynte vi å høre noen vanlige temaer:
- Å tillate hindringer hindrer mine ekspansjonsmål;
- Kostnadene øker og kapitalbudsjettene våre synker;
- Kostnadene til både energi og personell øker;
- Tap av erfarne ansatte;
- Våre SG&A-mål, så vel som kundene mine, må oppfylles; og
- Konkurranse i utlandet.
Disse temaene førte til verdiforslag som begynte å gi gjenklang med applikatorer av vannbaserte UV-herdbare polyuretaner, spesielt i snekker- og møbelsnekkermarkedet som: "produsenter av snekker- og møbelsnekkervarer søker forbedringer i fabrikkeffektivitet" og "produsenter ønsker muligheten til å utvide produksjonen på kortere produksjonslinjer med mindre etterarbeidsskader på grunn av beleggene med langsomme vannavgivende egenskaper."
Tabell 1 illustrerer hvordan forbedringer i visse beleggsegenskaper og fysiske egenskaper for produsenten av beleggråmaterialer fører til effektivitet som kan realiseres av sluttbrukeren.
TABELL 1 | Egenskaper og fordeler.
Ved å designe UV-herdbare PUD-er med visse attributter som oppført i tabell 1, vil sluttbruksprodusenter kunne møte behov de har for å forbedre anleggseffektiviteten. Dette vil tillate dem å være mer konkurransedyktige, og potensielt tillate dem å utvide dagens produksjon.
Eksperimentelle resultater og diskusjon
UV-herdbare polyuretandispersjoner historie
På 1990-tallet begynte den kommersielle bruken av anioniske polyuretandispersjoner som inneholder akrylatgrupper festet til polymeren å bli brukt i industrielle applikasjoner.1 Mange av disse bruksområdene var i emballasje, blekk og trebelegg. Figur 1 viser en generisk struktur av en UV-herdbar PUD, som viser hvordan disse beleggsråmaterialene er utformet.
FIGUR 1 | Generisk akrylat funksjonell polyuretandispersjon.3
Som vist i figur 1, består UV-herdbare polyuretandispersjoner (UV-herdbare PUDs), av de typiske komponentene som brukes til å lage polyuretandispersjoner. Alifatiske diisocyanater reageres med de typiske estere, dioler, hydrofiliseringsgrupper og kjedeforlengere som brukes til å lage polyuretandispersjoner.2 Forskjellen er tilsetningen av en akrylatfunksjonell ester, epoksy eller etere som er inkorporert i prepolymertrinnet mens dispersjonen lages. . Valg av materialer brukt som byggeklosser, samt polymerarkitektur og prosessering, dikterer en PUDs ytelse og tørkeegenskaper. Disse valgene i råvarer og prosessering vil føre til UV-herdbare PUDer som kan være ikke-filmdannende, samt de som er filmdannende.3 Filmdannende, eller tørketyper, er tema for denne artikkelen.
Filmdanning, eller tørking som det ofte kalles, vil gi koaleserte filmer som er tørre å ta på før UV-herding. Fordi applikatorer ønsker å begrense luftbåren forurensning av belegget på grunn av partikler, samt behovet for hastighet i produksjonsprosessen, tørkes disse ofte i ovner som en del av en kontinuerlig prosess før UV-herding. Figur 2 viser den typiske tørke- og herdeprosessen for en UV-herdbar PUD.
FIGUR 2 | Prosess for å herde en UV-herdbar PUD.
Påføringsmetoden som brukes er vanligvis spray. Imidlertid har kniv over rull og til og med flombelegg blitt brukt. Etter påføring vil belegget vanligvis gå gjennom en fire-trinns prosess før det håndteres igjen.
1. Blits: Dette kan gjøres ved romtemperatur eller forhøyede temperaturer i flere sekunder til et par minutter.
2.Ovnstørr: Det er her vannet og hjelpeløsningsmidlene drives ut av belegget. Dette trinnet er kritisk og bruker vanligvis mest tid i en prosess. Dette trinnet er vanligvis ved >140 °F og varer i opptil 8 minutter. Tørkeovner med flere soner kan også brukes.
- IR-lampe og luftbevegelse: Installasjon av IR-lamper og luftbevegelsesvifter vil akselerere vannblinken enda raskere.
3.UV-kur.
4.Kjølig: Når belegget er herdet, må det herde i en viss tid for å oppnå blokkeringsmotstand. Dette trinnet kan ta så lenge som 10 minutter før blokkerende motstand oppnås
Eksperimentell
Denne studien sammenlignet to UV-herdbare PUDer (WB UV), som for tiden brukes i skap- og snekkermarkedet, med vår nye utvikling, PUD # 65215A. I denne studien sammenligner vi Standard #1 og Standard #2 med PUD #65215A i tørking, blokkering og kjemisk motstand. Vi evaluerer også pH-stabilitet og viskositetsstabilitet, noe som kan være kritisk når man vurderer gjenbruk av overspray og holdbarhet. Nedenfor i tabell 2 er de fysiske egenskapene til hver av harpiksene brukt i denne studien. Alle tre systemene ble formulert til lignende fotoinitiatornivå, VOC-er og faststoffnivå. Alle tre harpiksene ble formulert med 3 % hjelpeløsningsmiddel.
TABELL 2 | PUD-harpiksegenskaper.
Vi ble fortalt i våre intervjuer at de fleste WB-UV-belegg i snekker- og møbelsnekkermarkedet tørker på en produksjonslinje, som tar mellom 5-8 minutter før UV-herding. Derimot tørker en løsemiddelbasert UV (SB-UV) linje på 3-5 minutter. I tillegg, for dette markedet, påføres belegg vanligvis 4-5 mil våt. En stor ulempe for vannbårne UV-herdbare belegg når man sammenligner med UV-herdbare løsemiddelbaserte alternativer, er tiden det tar å flashe vann på en produksjonslinje.4 Filmdefekter som hvite flekker vil oppstå hvis vannet ikke har blitt skikkelig avblåst fra belegg før UV-herding. Dette kan også skje hvis våtfilmtykkelsen er for høy. Disse hvite flekkene oppstår når vann blir fanget inne i filmen under UV-herding.5
For denne studien valgte vi en herdeplan som ligner på en som ville bli brukt på en UV-herdbar løsningsmiddelbasert linje. Figur 3 viser tidsplanen vår for påføring, tørking, herding og pakking brukt for vår studie. Denne tørkeplanen representerer en forbedring på mellom 50 % og 60 % i den totale linjehastigheten i forhold til gjeldende markedsstandard innen snekker- og kabinettapplikasjoner.
FIGUR 3 | Påføring, tørking, herding og pakkingsplan.
Nedenfor er påførings- og herdebetingelsene vi brukte for studien vår:
●Spray påføring over lønnfiner med svart grunnlakk.
●30 sekunders romtemperaturblink.
●140 °F tørkeovn i 2,5 minutter (konveksjonsovn).
●UV-kur – intensitet ca. 800 mJ/cm2.
- Klare belegg ble herdet med en Hg-lampe.
- Pigmenterte belegg ble herdet ved bruk av en kombinasjon Hg/Ga-lampe.
●1 minutts avkjøling før stabling.
For vår studie sprayet vi også tre forskjellige våtfilmtykkelser for å se om andre fordeler som færre strøk også ville bli realisert. 4 mil vått er typisk for WB UV. For denne studien inkluderte vi også 6 og 8 mils våtbelegg.
Herdingsresultater
Standard #1, et høyglans klart belegg, resultater er vist i figur 4. WB UV-klart belegg ble påført på middels tett fiberplate (MDF) tidligere belagt med en svart grunnlakk og herdet i henhold til planen vist i figur 3. Ved 4 mil vått passerer belegget. Ved 6 og 8 mils våt påføring sprakk imidlertid belegget, og 8 mils ble lett fjernet på grunn av dårlig vannavgivelse før UV-herding.
FIGUR 4 | Standard #1.
Et lignende resultat er også sett i standard #2, vist i figur 5.
FIGUR 5 | Standard #2.
Vist i figur 6, ved bruk av samme herdeskjema som i figur 3, demonstrerte PUD #65215A en enorm forbedring i vannfrigjøring/tørking. Ved 8 mils våt filmtykkelse ble det observert liten sprekkdannelse på den nedre kanten av prøven.
FIGUR 6 | PUD #65215A.
Ytterligere testing av PUD# 65215A i et lavglans klart belegg og pigmentert belegg over samme MDF med en svart basecoat ble evaluert for å evaluere vannfrigjørende egenskaper i andre typiske beleggsformuleringer. Som vist i figur 7, frigjorde lavglansformuleringen ved 5 og 7 mils våt påføring vannet og dannet en god film. Men ved 10 mil vått var det for tykt til å slippe ut vannet under tørke- og herdeplanen i figur 3.
FIGUR 7 | Lavglans PUD #65215A.
I en hvitpigmentert formel, presterte PUD #65215A godt i den samme tørke- og herdeplanen beskrevet i figur 3, bortsett fra når den ble påført ved 8 våte mils. Som vist i figur 8 sprekker filmen ved 8 mils på grunn av dårlig vannavgivelse. Totalt sett i klare, lavglansende og pigmenterte formuleringer, presterte PUD# 65215A godt i filmdannelser og tørking når den ble påført opptil 7 mils våt og herdet med den akselererte tørke- og herdeplanen beskrevet i figur 3.
FIGUR 8 | Pigmentert PUD #65215A.
Blokkering av resultater
Blokkeringsmotstand er et beleggs evne til å ikke feste seg til en annen belagt artikkel når den stables. I produksjon er dette ofte en flaskehals hvis det tar tid før et herdet belegg oppnår blokkmotstand. For denne studien ble pigmenterte formuleringer av Standard #1 og PUD #65215A påført glass ved 5 våte mils ved å bruke en nedtrekkbar stang. Disse ble hver herdet i henhold til herdeskjemaet i figur 3. To belagte glasspaneler ble herdet samtidig – 4 minutter etter herding ble panelene klemt sammen, som vist i figur 9. De forble klemt sammen ved romtemperatur i 24 timer . Hvis panelene lett ble separert uten avtrykk eller skade på de belagte panelene, ble testen ansett som bestått.
Figur 10 illustrerer den forbedrede blokkeringsmotstanden til PUD# 65215A. Selv om både Standard #1 og PUD #65215A oppnådde full herding i forrige test, viste bare PUD #65215A nok vannfrigjøring og herding til å oppnå blokkeringsmotstand.
FIGUR 9 | Blokkeringsmotstandstest illustrasjon.
FIGUR 10 | Blokkeringsmotstand til standard #1, etterfulgt av PUD #65215A.
Akrylblandingsresultater
Beleggprodusenter blander ofte WB UV-herdbare harpikser med akryl for å redusere kostnadene. For vår studie så vi også på blanding av PUD#65215A med NeoCryl® XK-12, en vannbasert akryl, ofte brukt som en blandingspartner for UV-herdbare vannbaserte PUDer i snekker- og møbelsnekkermarkedet. For dette markedet regnes KCMA flekktesting som standarden. Avhengig av sluttbruksapplikasjonen vil noen kjemikalier bli viktigere enn andre for produsenten av den belagte artikkelen. En vurdering på 5 er det beste og en vurdering på 1 er det dårligste.
Som vist i tabell 3, presterer PUD #65215A eksepsjonelt godt i KCMA-fargetesting som en høyglans klar, lavglans klar, og som et pigmentert belegg. Selv når den blandes 1:1 med akryl, påvirkes ikke KCMA-flekktestingen drastisk. Selv ved farging med midler som sennep, kom belegget til et akseptabelt nivå etter 24 timer.
TABELL 3 | Kjemikalie- og flekkbestandighet (vurdering på 5 er best).
I tillegg til KCMA flekktesting, vil produsenter også teste for herding umiddelbart etter UV-herding av linjen. Ofte vil effekten av akrylblanding merkes umiddelbart utenfor herdelinjen i denne testen. Forventningen er å ikke ha belegget gjennombrudd etter 20 isopropylalkohol dobbel rubs (20 IPA dr). Prøver testes 1 minutt etter UV-herding. I vår testing så vi at en 1:1 blanding av PUD# 65215A med en akryl ikke besto denne testen. Vi så imidlertid at PUD #65215A kunne blandes med 25 % NeoCryl XK-12 akryl og fortsatt bestå 20 IPA dr-testen (NeoCryl er et registrert varemerke for Covestro-gruppen).
FIGUR 11 | 20 IPA dobbel-gnidninger, 1 minutt etter UV-herding.
Harpiks stabilitet
Stabiliteten til PUD #65215A ble også testet. En formulering anses som lagringsstabil hvis pH etter 4 uker ved 40 °C ikke synker under 7 og viskositeten forblir stabil sammenlignet med den opprinnelige. For vår testing bestemte vi oss for å utsette prøvene for de tøffere forholdene på opptil 6 uker ved 50 °C. Ved disse forholdene var standard #1 og #2 ikke stabile.
For vår testing så vi på den høyglansklare, lavglansklare, så vel som de lavglanspigmenterte formuleringene som ble brukt i denne studien. Som vist i figur 12 forble pH-stabiliteten til alle tre formuleringene stabile og over pH-terskelen på 7,0. Figur 13 illustrerer den minimale viskositetsendringen etter 6 uker ved 50 °C.
FIGUR 12 | pH-stabilitet for formulert PUD #65215A.
FIGUR 13 | Viskositetsstabilitet for formulert PUD #65215A.
En annen test som demonstrerte stabilitetsytelsen til PUD #65215A var å igjen teste KCMA-flekkemotstanden til en beleggformulering som har blitt eldet i 6 uker ved 50 °C, og sammenligne den med dens opprinnelige KCMA-flekkebestandighet. Belegg som ikke viser god stabilitet vil se fall i fargeytelsen. Som vist i figur 14, opprettholdt PUD# 65215A det samme ytelsesnivået som det gjorde i den første kjemiske/flekkebestandighetstesten av det pigmenterte belegget vist i tabell 3.
FIGUR 14 | Kjemiske testpaneler for pigmentert PUD #65215A.
Konklusjoner
For applikatorer av UV-herdbare vannbaserte belegg, vil PUD #65215A gjøre dem i stand til å møte gjeldende ytelsesstandarder i snekker-, tre- og skapmarkedet, og vil i tillegg gjøre det mulig for belegningsprosessen å se linjehastighetsforbedringer til mer enn 50 -60 % over dagens standard UV-herdbare vannbaserte belegg. For applikatoren kan dette bety:
●Raskere produksjon;
●Økt filmtykkelse reduserer behovet for ytterligere strøk;
● Kortere tørkelinjer;
●Energibesparelse på grunn av redusert tørkebehov;
● Mindre skrap på grunn av rask blokkeringsmotstand;
●Redusert beleggavfall på grunn av harpiksstabilitet.
Med VOC mindre enn 100 g/L, er produsenter også bedre i stand til å nå sine VOC-mål. For produsenter som kan ha utvidelsesproblemer på grunn av tillatelsesproblemer, vil PUD #65215A med hurtigvannfrigjøring gjøre dem i stand til lettere å oppfylle sine regulatoriske forpliktelser uten å ofre ytelsen.
I begynnelsen av denne artikkelen siterte vi fra våre intervjuer at applikatorer av løsemiddelbaserte UV-herdbare materialer typisk ville tørke og herde belegg i en prosess som tok mellom 3-5 minutter. Vi har demonstrert i denne studien at i henhold til prosessen vist i figur 3, vil PUD #65215A herde opp til 7 mils våt filmtykkelse på 4 minutter med en ovnstemperatur på 140 °C. Dette er godt innenfor vinduet for de fleste løsemiddelbaserte UV-herdbare belegg. PUD #65215A kan potensielt gjøre det mulig for gjeldende applikatorer av de løsemiddelbaserte UV-herdbare materialene å bytte til et vannbasert UV-herdbart materiale med liten endring i beleggslinjen.
For produsenter som vurderer produksjonsutvidelse, vil belegg basert på PUD #65215A gjøre dem i stand til å:
●Spar penger ved å bruke en kortere vannbasert malingslinje;
●Ha et mindre fotavtrykk av beleggslinje i anlegget;
● Ha en redusert innvirkning på gjeldende VOC-tillatelse;
●Realiser energibesparelser på grunn av redusert tørkebehov.
Avslutningsvis vil PUD #65215A bidra til å forbedre produksjonseffektiviteten til UV-herdbare beleggslinjer gjennom høye fysiske egenskaper og raske vannfrigjørende egenskaper til harpiksen når den tørkes ved 140 °C.
Innleggstid: 14. august 2024
