Høypresterende UV-herdende belegg har blitt brukt i produksjon av gulv, møbler og skap i mange år. I mesteparten av denne tiden har 100 % faste og løsemiddelbaserte UV-herdende belegg vært den dominerende teknologien i markedet. I de senere årene har vannbasert UV-herdende beleggteknologi vokst. Vannbaserte UV-herdende harpikser har vist seg å være et nyttig verktøy for produsenter av en rekke årsaker, inkludert å bestå KCMA-farging, teste kjemikalieresistens og redusere VOC-er. For at denne teknologien skal fortsette å vokse i dette markedet, har flere drivere blitt identifisert som viktige områder der forbedringer må gjøres. Disse vil ta vannbaserte UV-herdende harpikser utover å bare ha de "må-ha"-funksjonene som de fleste harpikser har. De vil begynne å tilføre verdifulle egenskaper til belegget, og bringe verdi til hver posisjon langs verdikjeden fra beleggformulerer til fabrikkapplikator til installatør og til slutt til eieren.
Spesielt i dag ønsker produsenter et belegg som gjør mer enn bare å oppfylle spesifikasjonene. Det finnes også andre egenskaper som gir fordeler i produksjon, pakking og installasjon. En ønsket egenskap er forbedringer i anleggets effektivitet. For vannbasert belegg betyr dette raskere vannfrigjøring og raskere blokkeringsmotstand. En annen ønsket egenskap er forbedring av harpiksens stabilitet for fangst/gjenbruk av et belegg, og styring av lagerbeholdningen. For sluttbrukeren og installatøren er ønskede egenskaper bedre poleringsmotstand og ingen metallmerker under installasjon.
Denne artikkelen vil diskutere nye utviklinger innen vannbaserte UV-herdende polyuretaner som gir mye forbedret malingsstabilitet ved 50 °C i klare så vel som pigmenterte belegg. Den diskuterer også hvordan disse harpiksene imøtekommer de ønskede egenskapene til beleggapplikatoren ved å øke linjehastigheten gjennom rask vannfrigjøring, forbedret blokkeringsmotstand og løsemiddelresistens utenfor produksjonslinjen, noe som forbedrer hastigheten for stablings- og pakkeoperasjoner. Dette vil også forbedre skader utenfor produksjonslinjen som noen ganger oppstår. Denne artikkelen diskuterer også forbedringer demonstrert i flekk- og kjemikalieresistens som er viktige for installatører og eiere.
Bakgrunn
Landskapet i beleggindustrien er i stadig utvikling. Det å bare oppfylle spesifikasjonene til en rimelig pris per påført millimeter er rett og slett ikke nok. Landskapet for fabrikkpåførte belegg til skap, snekkerarbeid, gulv og møbler endrer seg raskt. Formuleringsprodusenter som leverer belegg til fabrikkene blir bedt om å gjøre belegg tryggere for ansatte å påføre, fjerne stoffer som gir stor bekymring, erstatte VOC-er med vann og til og med bruke mindre fossilt karbon og mer biokarbon. Realiteten er at langs hele verdikjeden ber hver kunde om at belegget skal gjøre mer enn bare å oppfylle spesifikasjonen.
Da teamet vårt så en mulighet til å skape mer verdi for fabrikken, begynte de å undersøke utfordringene disse applikatorene sto overfor på fabrikknivå. Etter mange intervjuer begynte vi å høre noen fellestrekk:
- Å tillate hindringer hindrer mine ekspansjonsmål;
- Kostnadene øker og kapitalbudsjettene våre synker;
- Kostnadene for både energi og personell øker;
- Tap av erfarne ansatte;
- Våre bedriftsmål for salgs- og administrasjonskostnader, så vel som kundens mål, må oppfylles; og
- Konkurranse i utlandet.
Disse temaene førte til verdiforslag som begynte å resonnere med produsenter av vannbaserte UV-herdbare polyuretaner, spesielt innen snekker- og skapmarkedet, som for eksempel: «produsenter av snekker- og skapprodukter søker forbedringer i fabrikkeffektiviteten» og «produsenter ønsker muligheten til å utvide produksjonen på kortere produksjonslinjer med mindre omarbeidingsskader på grunn av belegg med langsomme vannavgivende egenskaper.»
Tabell 1 illustrerer hvordan forbedringer i visse beleggsegenskaper og fysiske egenskaper fører til effektivitetsforbedringer som kan realiseres av sluttbrukeren, for produsenten av beleggråvarer.
TABELL 1 | Attributter og fordeler.
Ved å designe UV-herdende PUD-er med visse egenskaper som listet opp i tabell 1, vil sluttbrukerprodusenter kunne imøtekomme behovene de har for å forbedre anleggseffektiviteten. Dette vil gjøre dem mer konkurransedyktige og potensielt gi dem muligheten til å utvide dagens produksjon.
Eksperimentelle resultater og diskusjon
Historien om UV-herdbare polyuretan-dispersjoner
På 1990-tallet begynte kommersiell bruk av anioniske polyuretandispersjoner som inneholdt akrylatgrupper festet til polymeren å bli brukt i industrielle applikasjoner.1 Mange av disse bruksområdene var innen emballasje, blekk og trebelegg. Figur 1 viser en generisk struktur av en UV-herdbar PUD, som demonstrerer hvordan disse beleggråmaterialene er utformet.
FIGUR 1 | Generisk akrylatfunksjonell polyuretandispersjon.3
Som vist i figur 1, består UV-herdbare polyuretandispersjoner (UV-herdbare PUD-er) av de typiske komponentene som brukes til å lage polyuretandispersjoner. Alifatiske diisocyanater reageres med de typiske esterne, diolene, hydrofiliseringsgruppene og kjedeforlengerne som brukes til å lage polyuretandispersjoner.2 Forskjellen er tilsetningen av en akrylatfunksjonell ester, epoksy eller etere som innlemmes i prepolymertrinnet under fremstillingen av dispersjonen. Valg av materialer som brukes som byggesteiner, samt polymerarkitektur og prosessering, dikterer en PUDs ytelse og tørkeegenskaper. Disse valgene i råvarer og prosessering vil føre til UV-herdbare PUD-er som kan være ikke-filmdannende, så vel som de som er filmdannende.3 De filmdannende, eller tørketypene, er temaet for denne artikkelen.
Filmdannelse, eller tørking som det ofte kalles, vil gi sammenvokste 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 sprøyting. Imidlertid har knivrull og til og med flomstrøk blitt brukt. Når belegget er påført, vil det vanligvis gå gjennom en firetrinnsprosess før det håndteres igjen.
1. Blits: Dette kan gjøres ved romtemperatur eller forhøyede temperaturer i flere sekunder til et par minutter.
2. Ovnstørking: Det er her vannet og løsningsmidlene drives ut av belegget. Dette trinnet er kritisk og bruker vanligvis mest tid i en prosess. Dette trinnet er vanligvis ved >70 °C 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 vannblitset enda raskere.
3. UV-herding.
4. Avkjøling: Når belegget er herdet, må det herde en stund for å oppnå blokkeringsmotstand. Dette trinnet kan ta opptil 10 minutter før blokkeringsmotstanden oppnås.
Eksperimentell
Denne studien sammenlignet to UV-herdende PUD-er (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 når det gjelder tørking, blokkering og kjemisk resistens. Vi evaluerer også pH-stabilitet og viskositetsstabilitet, noe som kan være kritisk når man vurderer gjenbruk av oversprøyting og holdbarhet. Tabell 2 viser de fysiske egenskapene til hver av harpiksene som ble brukt i denne studien. Alle tre systemene ble formulert til lignende fotoinitiatornivå, VOC-er og tørrstoffnivå. Alle tre harpiksene ble formulert med 3 % ko-løsningsmiddel.
TABELL 2 | Egenskaper til PUD-harpiks.
I intervjuene våre ble vi fortalt at de fleste WB-UV-belegg i snekker- og skapmarkedene tørker på en produksjonslinje, noe som tar mellom 5–8 minutter før UV-herding. Til sammenligning tørker en løsemiddelbasert UV-linje (SB-UV) på 3–5 minutter. I tillegg påføres belegg vanligvis 4–5 mil våte for dette markedet. En stor ulempe med vannbaserte UV-herdende belegg sammenlignet med UV-herdende løsemiddelbaserte alternativer er tiden det tar å avdampe vann på en produksjonslinje.4 Filmdefekter som hvite flekker vil oppstå hvis vann ikke har blitt riktig avdampet fra belegget før UV-herding. Dette kan også oppstå hvis den våte filmtykkelsen 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 den som ville blitt brukt på en UV-herdende løsemiddelbasert linje. Figur 3 viser vår påførings-, tørke-, herde- og pakkeplan som ble brukt i studien vår. Denne tørkeplanen representerer en forbedring på mellom 50 % og 60 % i total linjehastighet i forhold til dagens markedsstandard for snekker- og skapapplikasjoner.
FIGUR 3 | Påføring, tørking, herding og pakkeplan.
Nedenfor er påførings- og herdebetingelsene vi brukte i studien vår:
● Spraypåføring over lønnefiner med svart baselakk.
● 30 sekunders blinking av romtemperatur.
● Tørkeovn på 60 °C i 2,5 minutter (varmluftsovn).
● UV-herding – intensitet omtrent 800 mJ/cm2.
- Klare belegg ble herdet med en Hg-lampe.
- Pigmenterte belegg ble herdet med en kombinert Hg/Ga-lampe.
● Avkjølingstid på 1 minutt før stabling.
I vår studie sprøytet vi også tre forskjellige våtfilmtykkelser for å se om andre fordeler, som færre strøk, også kunne oppnås. 4 mil vått er typisk for WB UV. I denne studien inkluderte vi også våte belegg på 6 og 8 mil.
Herdingsresultater
Standard nr. 1, et høyglanset klarlakkbelegg, resultater er vist i figur 4. WB UV-klarlakk ble påført fiberplate (MDF) med middels tetthet som tidligere var belagt med et svart baselakk og herdet i henhold til skjemaet vist i figur 3. Ved 4 mils vått lag passerte belegget. Ved 6 og 8 mils våt påføring sprakk imidlertid belegget, og 8 mils kunne lett fjernes på grunn av dårlig vannfrigjøring før UV-herding.
FIGUR 4 | Standard nr. 1.
Et lignende resultat sees også i standard nr. 2, vist i figur 5.
FIGUR 5 | Standard nr. 2.
Vist i figur 6, med samme herdeplan som i figur 3, viste PUD #65215A enorm forbedring i vannfrigjøring/tørking. Ved 8 mils våtfilmtykkelse ble det observert svak sprekkdannelse på den nedre kanten av prøven.
FIGUR 6 | PUD #65215A.
Ytterligere testing av PUD# 65215A i et lavglanset klarlakklag og pigmentert belegg over samme MDF med et svart baselakk ble evaluert for å evaluere vannavgivelsesegenskapene i andre typiske beleggformuleringer. Som vist i figur 7, frigjorde lavglansformuleringen vannet ved 5 og 7 mil våt påføring og dannet en god film. Ved 10 mil våt påføring var den imidlertid for tykk til å frigjøre vannet under tørke- og herdeplanen i figur 3.
FIGUR 7 | Lavglans PUD #65215A.
I en hvitpigmentert formel presterte PUD #65215A bra i samme tørke- og herdeplan som 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 vannfrigjøring. Totalt sett presterte PUD# 65215A bra i filmdannelser og tørking i klare, lavglansende og pigmenterte formuleringer når den ble påført opptil 7 mils våt og herdet ved den akselererte tørke- og herdeplanen beskrevet i figur 3.
FIGUR 8 | Pigmentert PUD #65215A.
Blokkeringsresultater
Blokkeringsmotstand er et beleggs evne til ikke å feste seg til en annen belagt artikkel når den stables. I produksjonen er dette ofte en flaskehals hvis det tar tid for et herdet belegg å oppnå blokkeringsmotstand. For denne studien ble pigmenterte formuleringer av Standard #1 og PUD #65215A påført glass ved 5 våte mils ved hjelp av en nedtrekksstang. Disse ble hver herdet i henhold til herdeplanen 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 kunne separeres 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 | Illustrasjon av test av blokkeringsmotstand.
FIGUR 10 | Blokkeringsmotstand for standard nr. 1, etterfulgt av PUD nr. 65215A.
Resultater av akrylblanding
Beleggprodusenter blander ofte UV-herdende WB-harpikser med akryl for å redusere kostnadene. I vår studie så vi også på å blande PUD#65215A med NeoCryl® XK-12, en vannbasert akryl, ofte brukt som blandingspartner for UV-herdende vannbaserte PUD-er i snekker- og skapmarkedet. For dette markedet anses KCMA-flekktesting som standarden. Avhengig av sluttbruken vil noen kjemikalier bli viktigere enn andre for produsenten av den belagte artikkelen. En vurdering på 5 er best og en vurdering på 1 er dårligst.
Som vist i tabell 3, presterer PUD #65215A eksepsjonelt bra i KCMA-fargetesting som høyglansklarlakk, lavglansklarlakk og som pigmentert belegg. Selv når den blandes 1:1 med en akrylmaling, påvirkes ikke KCMA-fargetestingen drastisk. Selv ved farging med midler som sennep, gjenopprettes belegget til et akseptabelt nivå etter 24 timer.
TABELL 3 | Kjemikalie- og flekkbestandighet (vurdering 5 er best).
I tillegg til KCMA-fargetesting, vil produsentene også teste herding umiddelbart etter UV-herding utenfor herdelinjen. Ofte vil effektene av akrylblanding merkes umiddelbart etter herdelinjen i denne testen. Forventningen er at det ikke er gjennombrudd i belegget etter 20 dobbeltgnissinger med isopropylalkohol (20 IPA dr). Prøvene testes 1 minutt etter UV-herding. I testingen vår 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-dobbeltgnissinger, 1 minutt etter UV-herding.
Harpiksstabilitet
Stabiliteten til PUD #65215A ble også testet. En formulering anses som lagerstabil dersom pH-verdien ikke faller under 7 etter 4 uker ved 40 °C, og viskositeten forblir stabil sammenlignet med initialen. For vår testing bestemte vi oss for å utsette prøvene for tøffere forhold på opptil 6 uker ved 50 °C. Under disse forholdene var ikke standard #1 og #2 stabile.
I testingen vår så vi på formuleringene med høy glans, klar lakk med lav glans og pigmenterte formuleringer med lav glans som ble brukt i denne studien. Som vist i figur 12, forble pH-stabiliteten til alle tre formuleringene stabil 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 teste KCMA-flekkbestandigheten til en beleggformulering som har blitt aldret i 6 uker ved 50 °C, og sammenligne dette med den opprinnelige KCMA-flekkbestandigheten. Belegg som ikke viser god stabilitet vil oppleve fall i flekkbestandighet. Som vist i figur 14, opprettholdt PUD# 65215A samme ytelsesnivå som i den første kjemikalie-/flekkbestandighetstesten av det pigmenterte belegget vist i tabell 3.
FIGUR 14 | Kjemiske testpaneler for pigmentert PUD #65215A.
Konklusjoner
For påførere av UV-herdende vannbaserte belegg, vil PUD #65215A gjøre det mulig for dem å oppfylle gjeldende ytelsesstandarder innen snekker-, tre- og skapmarkedene, og i tillegg vil det gjøre det mulig for påføringsprosessen å se forbedringer i linjehastigheten på mer enn 50–60 % i forhold til nåværende standard UV-herdende vannbaserte belegg. For påføreren kan dette bety:
● Raskere produksjon;
● Økt filmtykkelse reduserer behovet for ekstra strøk;
● Kortere tørkelinjer;
●Energibesparelse på grunn av redusert tørkebehov;
● Mindre skrap på grunn av rask blokkeringsmotstand;
● Redusert beleggsavfall på grunn av harpiksstabilitet.
Med VOC-innhold på under 100 g/L er produsenter også bedre i stand til å oppfylle sine VOC-mål. For produsenter som kan ha bekymringer om ekspansjon på grunn av tillatelsesproblemer, vil hurtigvannfrigjørings-PUD #65215A gjøre det lettere for dem å oppfylle sine regulatoriske forpliktelser uten at det går på bekostning av ytelsen.
I begynnelsen av denne artikkelen siterte vi fra intervjuene våre at applikatorer av løsemiddelbaserte UV-herdende materialer vanligvis tørker og herder belegg i en prosess som tar mellom 3 og 5 minutter. I denne studien har vi vist at i henhold til prosessen vist i figur 3, vil PUD #65215A herde opptil 7 mil våtfilmtykkelser på 4 minutter med en ovnstemperatur på 140 °C. Dette er godt innenfor vinduet for de fleste løsemiddelbaserte UV-herdende belegg. PUD #65215A kan potensielt gjøre det mulig for nåværende applikatorer av løsemiddelbaserte UV-herdende materialer å bytte til et vannbasert UV-herdende materiale med liten endring i belegglinjen.
For produsenter som vurderer produksjonsutvidelse, vil belegg basert på PUD #65215A gjøre det mulig for dem å:
● Spar penger ved å bruke en kortere vannbasert belegningslinje;
● Ha et mindre fotavtrykk på belegningslinjen i anlegget;
● Ha redusert innvirkning på gjeldende VOC-tillatelse;
● Oppnå energibesparelser på grunn av redusert tørkebehov.
Avslutningsvis vil PUD #65215A bidra til å forbedre produksjonseffektiviteten til UV-herdbare belegglinjer gjennom høy fysisk ytelse og rask vannavgivelse av harpiksen når den tørkes ved 140 °C.
Publisert: 14. august 2024
