U proizvodnji podova, namještaja i ormara već dugi niz godina koriste se UV-stvrdljivi premazi visokih performansi. Veći dio ovog vremena, 100% čvrsti premazi na bazi otapala UV-očvrsli su bili dominantna tehnologija na tržištu. Posljednjih godina tehnologija premaza na bazi vode koja se očvršćava UV je porasla. UV-otvrdnute smole na bazi vode pokazale su se korisnim alatom za proizvođače iz raznih razloga, uključujući prolazak KCMA boje, ispitivanje hemijske otpornosti i smanjenje VOC. Da bi ova tehnologija nastavila da raste na ovom tržištu, nekoliko pokretača je identifikovano kao ključne oblasti u kojima je potrebno poboljšati. Ovo će ukloniti UV smole koje se otvrdnjavaju na bazi vode i više od jednostavnog posedovanja „must have“ koje većina smola poseduje. Oni će početi da dodaju vredna svojstva premazu, donoseći vrednost svakoj poziciji duž lanca vrednosti od formulatora premaza do fabričkog aplikatora do instalatera i, konačno, do vlasnika.
Proizvođači, posebno danas, žele premaz koji će učiniti više nego samo proći specifikacije. Postoje i druga svojstva koja pružaju prednosti u proizvodnji, pakovanju i instalaciji. Jedan od željenih atributa je poboljšanje efikasnosti postrojenja. Za premaz na bazi vode to znači brže oslobađanje vode i bržu otpornost na blokiranje. Još jedan željeni atribut je poboljšanje stabilnosti smole za hvatanje/ponovnu upotrebu premaza i upravljanje njihovim inventarom. Za krajnjeg korisnika i instalatera, željeni atributi su bolja otpornost na gorenje i bez metalnih oznaka tokom ugradnje.
Ovaj članak će raspravljati o novim razvojima poliuretana na bazi vode koji se očvršćavaju UV zrakama koji nude znatno poboljšanu stabilnost boje na 50 °C u prozirnim, kao i pigmentiranim premazima. Također se govori o tome kako ove smole rješavaju željene atribute aplikatora premaza u povećanju brzine linije kroz brzo oslobađanje vode, poboljšanu otpornost na blokove i otpornost na rastvarače van linije, što poboljšava brzinu za slaganje i pakovanje. Ovo će također poboljšati štetu izvan mreže koja se ponekad javlja. Ovaj članak također govori o poboljšanjima koja su pokazana u otpornosti na mrlje i kemikalije važna za instalatere i vlasnike.
Pozadina
Pejzaž industrije premaza se stalno razvija. Ono što mora imati da se prođe specifikacija po razumnoj cijeni po primijenjenom mil jednostavno nije dovoljno. Pejzaž za fabrički nanesene premaze za ormare, stolariju, podove i namještaj brzo se mijenja. Od Formulatora koji isporučuju premaze u tvornice traži se da učine premaze sigurnijim za zaposlenike za nanošenje, uklone supstance koje izazivaju zabrinutost, zamjene VOCs vodom, pa čak koriste manje fosilnog ugljika i više bio-ugljika. Realnost je da duž cijelog lanca vrijednosti, svaki kupac traži od premaza da učini više od samo ispunjavanja specifikacije.
Videvši priliku za stvaranje veće vrednosti za fabriku, naš tim je počeo da istražuje na nivou fabrike izazove sa kojima su se ovi aplikatori suočavali. Nakon mnogih intervjua počeli smo čuti neke uobičajene teme:
- Dozvoljene prepreke sprečavaju moje ciljeve širenja;
- Troškovi rastu, a naši kapitalni budžeti se smanjuju;
- Troškovi energije i osoblja rastu;
- Gubitak iskusnih radnika;
- Naši korporativni SG&A ciljevi, kao i ciljevi mojih kupaca, moraju biti ispunjeni; i
- Konkurencija u inostranstvu.
Ove teme dovele su do izjava o vrijednostima koje su počele odjekivati kod aplikatora UV poliuretana na bazi vode, posebno u tržišnom prostoru stolarije i ormara, kao što su: „proizvođači stolarije i ormara traže poboljšanja u efikasnosti tvornice“ i „proizvođači žele mogućnost proširenja proizvodnje na kraćim proizvodnim linijama uz manje štete pri preradi zbog premaza sa svojstvima sporog otpuštanja vode.”
Tabela 1 ilustruje kako, za proizvođača sirovina za premaze, poboljšanja određenih atributa premaza i fizičkih svojstava dovode do efikasnosti koju može ostvariti krajnji korisnik.
TABELA 1 | Atributi i prednosti.
Dizajniranjem UV-očvrsnih PUD-ova sa određenim atributima navedenim u Tabeli 1, proizvođači krajnje upotrebe će moći da odgovore na potrebe koje imaju u poboljšanju efikasnosti postrojenja. To će im omogućiti da budu konkurentniji, a potencijalno i da prošire trenutnu proizvodnju.
Eksperimentalni rezultati i diskusija
Istorija poliuretanskih disperzija koje se očvršćavaju UV zračenjem
U 1990-im, komercijalna upotreba anjonskih poliuretanskih disperzija koje sadrže akrilatne grupe vezane za polimer počele su se koristiti u industrijskim primjenama.1 Mnoge od ovih primjena bile su u ambalaži, bojama i premazima za drvo. Slika 1 prikazuje generičku strukturu UV-otvrdljivog PUD-a, pokazujući kako su dizajnirane ove sirovine za oblaganje.
SLIKA 1 | Generička akrilatna funkcionalna poliuretanska disperzija.3
Kao što je prikazano na slici 1, UV-otvrdnute poliuretanske disperzije (PUD-ovi koji se otvrdnjavaju na UV-zracima) se sastoje od tipičnih komponenti koje se koriste za pravljenje poliuretanskih disperzija. Alifatski diizocijanati reaguju sa tipičnim esterima, diolima, hidrofilizacijskim grupama i produžavačima lanca koji se koriste za pravljenje poliuretanskih disperzija.2 Razlika je u dodavanju funkcionalnog estera akrilatnog epoksida, ili etera koji su ugrađeni u korak predpolimera prilikom pravljenja disperzije. . Izbor materijala koji se koriste kao građevni blokovi, kao i polimerna arhitektura i obrada, diktiraju performanse i karakteristike sušenja PUD-a. Ovi izbori u sirovinama i preradi dovest će do UV-otvrdljivih PUD-ova koji mogu biti neformirajući film, kao i onih koji stvaraju film.3 Formiranje filma ili vrste sušenja su predmet ovog članka.
Formiranje filma, ili sušenje kako se to često naziva, daće spojene filmove koji su suhi na dodir prije UV sušenja. Budući da aplikatori žele ograničiti kontaminaciju premaza iz zraka zbog čestica, kao i potrebu za brzinom u procesu proizvodnje, oni se često suše u pećnicama kao dio kontinuiranog procesa prije UV sušenja. Slika 2 prikazuje tipičan proces sušenja i stvrdnjavanja UV očvrslog PUD-a.
SLIKA 2 | Proces stvrdnjavanja UV-očvrsnutog PUD-a.
Korištena metoda primjene je obično sprej. Međutim, korišteni su nož preko rolne, pa čak i flood coat. Jednom nanesena, premaz će obično proći proces u četiri koraka prije nego što se ponovo obradi.
1.Bljesak: Ovo se može učiniti na sobnoj ili povišenoj temperaturi od nekoliko sekundi do nekoliko minuta.
2. Sušenje u pećnici: Ovo je mjesto gdje se voda i surastvarači izbacuju iz premaza. Ovaj korak je kritičan i obično oduzima najviše vremena u procesu. Ovaj korak je obično na >140 °F i traje do 8 minuta. Mogu se koristiti i višezonske peći za sušenje.
- IR lampa i kretanje vazduha: Instalacija IR lampi i ventilatora za kretanje vazduha će ubrzati vodeni bljesak još brže.
3.UV izlečenje.
4.Hladiti: Kada se očvrsne, premaz će morati da se osuši neko vreme da bi se postigla otpornost na blokiranje. Ovaj korak može potrajati čak 10 minuta prije nego što se postigne otpor blokiranja
Eksperimentalno
Ova studija je upoređivala dva UV-otvrdljiva PUD-a (WB UV), koja se trenutno koriste na tržištu ormara i stolarije, s našim novim razvojem, PUD # 65215A. U ovoj studiji poredimo Standard #1 i Standard #2 sa PUD #65215A u otpornosti na sušenje, blokiranje i hemijsku otpornost. Također procjenjujemo pH stabilnost i stabilnost viskoziteta, što može biti kritično kada se razmatra ponovna upotreba prekomjernog spreja i rok trajanja. U tabeli 2 prikazana su fizička svojstva svake od smola korištenih u ovoj studiji. Sva tri sistema su formulisana na sličan nivo fotoinicijatora, VOC i nivo čvrstih materija. Sve tri smole su formulisane sa 3% ko-rastvarača.
TABELA 2 | Svojstva PUD smole.
Rečeno nam je u našim intervjuima da se većina WB-UV premaza na tržištu stolarije i ormara suši na proizvodnoj liniji, što traje između 5-8 minuta prije UV sušenja. Nasuprot tome, UV (SB-UV) linija na bazi rastvarača suši se za 3-5 minuta. Osim toga, za ovo tržište, premazi se obično nanose 4-5 mils mokrih. Glavni nedostatak UV-otvrdnjavih premaza na bazi vode u poređenju sa alternativama na bazi rastvarača koje se otvrdnjavaju na UV-zracima je vrijeme koje je potrebno da se voda isprazni na proizvodnoj liniji.4 Defekti filma kao što su bijele mrlje će se pojaviti ako voda nije pravilno ispuštena iz premazivanje prije UV sušenja. To se također može dogoditi ako je debljina vlažnog filma previsoka. Ove bele mrlje nastaju kada voda ostane zarobljena unutar filma tokom UV sušenja.5
Za ovu studiju odabrali smo raspored očvršćavanja sličan onom koji bi se koristio na liniji baziranoj na rastvaračima koja se očvršćava na UV zrakama. Slika 3 prikazuje naš raspored primjene, sušenja, sušenja i pakovanja koji smo koristili za našu studiju. Ovaj raspored sušenja predstavlja između 50% i 60% poboljšanje ukupne brzine linije u odnosu na trenutni tržišni standard u primjeni stolarije i ormara.
SLIKA 3 | Raspored primjene, sušenja, sušenja i pakovanja.
U nastavku su navedeni uslovi primjene i stvrdnjavanja koje smo koristili za naše istraživanje:
●Nanošenje prskanjem preko javorovog furnira sa crnim osnovnim premazom.
●Blic na sobnoj temperaturi od 30 sekundi.
●140 °F pećnica za sušenje 2,5 minuta (konvekcijska pećnica).
●UV očvršćavanje – intenzitet oko 800 mJ/cm2.
- Prozirni premazi su sušeni pomoću Hg lampe.
- Pigmentirani premazi su sušeni upotrebom Hg/Ga lampe.
●Ohladiti 1 minut prije slaganja.
Za našu studiju smo također poprskali tri različite debljine vlažnog filma kako bismo vidjeli da li će se ostvariti i druge prednosti kao što je manje slojeva. 4 mils wet je tipično za WB UV. Za ovu studiju smo također uključili nanošenje mokrog premaza od 6 i 8 mils.
Rezultati očvršćavanja
Standard #1, prozirni premaz visokog sjaja, rezultati su prikazani na slici 4. WB UV prozirni premaz je nanesen na srednje guste vlaknaste ploče (MDF) prethodno premazane crnim osnovnim premazom i osušene prema rasporedu prikazanom na slici 3. Na vlažnoj 4 mils premaz prolazi. Međutim, pri mokrom nanošenju od 6 i 8 mils premaz je napukao, a 8 mils je lako uklonjen zbog slabog oslobađanja vode prije UV sušenja.
SLIKA 4 | Standard #1.
Sličan rezultat se također vidi u standardu #2, prikazanom na slici 5.
SLIKA 5 | Standard #2.
Prikazano na slici 6, koristeći isti raspored očvršćavanja kao na slici 3, PUD #65215A pokazao je ogromno poboljšanje u oslobađanju/sušenju vode. Pri debljini vlažnog filma od 8 mils, uočeno je blago pucanje na donjem rubu uzorka.
SLIKA 6 | PUD #65215A.
Dodatno testiranje PUD# 65215A u prozirnom premazu niskog sjaja i pigmentiranom premazu preko istog MDF-a sa crnim osnovnim premazom procijenjeno je kako bi se procijenile karakteristike otpuštanja vode u drugim tipičnim formulacijama premaza. Kao što je prikazano na slici 7, formulacija niskog sjaja pri mokrom nanošenju od 5 i 7 mils oslobodila je vodu i stvorila dobar film. Međutim, na vlažnoj 10 mils, bila je pregusta da bi ispustila vodu prema rasporedu sušenja i sušenja na slici 3.
SLIKA 7 | PUD niskog sjaja #65215A.
U bijelo pigmentiranoj formuli, PUD #65215A se dobro pokazao u istom rasporedu sušenja i očvršćavanja opisanom na slici 3, osim kada se nanosi na 8 vlažnih milova. Kao što je prikazano na slici 8, film puca na 8 mils zbog slabog oslobađanja vode. Sveukupno u prozirnim, niskim sjajem i pigmentiranim formulacijama, PUD# 65215A se dobro pokazao u formiranju filma i sušenju kada se nanosi do 7 mils vlažnog i očvršćava po ubrzanom rasporedu sušenja i očvršćavanja 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 ovo često predstavlja usko grlo ako je potrebno vrijeme da očvrsnuti premaz postigne otpornost na blokove. Za ovu studiju, pigmentirane formulacije Standarda #1 i PUD #65215A nanesene su na staklo pri 5 mokrih milova pomoću trake za povlačenje. Svaki od njih je očvrsnuo prema rasporedu očvršćavanja na slici 3. Dvije obložene staklene ploče su stvrdnjavale u isto vrijeme – 4 minute nakon stvrdnjavanja paneli su bili stegnuti zajedno, kao što je prikazano na slici 9. Ostali su stegnuti zajedno na sobnoj temperaturi 24 sata. . Ako su se paneli lako odvojili bez otiska ili oštećenja obloženih panela, onda se test smatrao prošlim.
Slika 10 ilustruje poboljšanu otpornost na blokiranje PUD# 65215A. Iako su i Standard #1 i PUD #65215A postigli potpuno očvršćavanje u prethodnom testu, samo je PUD #65215A pokazao dovoljno oslobađanja vode i očvršćavanja da postigne otpornost na blokiranje.
SLIKA 9 | Ilustracija testa otpornosti na blokiranje.
SLIKA 10 | Otpor na blokiranje standarda #1, nakon čega slijedi PUD #65215A.
Rezultati miješanja akrila
Proizvođači premaza često miješaju WB UV-otvrdnute smole s akrilima kako bi smanjili cijenu. Za našu studiju smo također razmotrili miješanje PUD#65215A sa NeoCryl® XK-12, akrilom na bazi vode, koji se često koristi kao partner za miješanje za UV-otvrdnu PUD-ove na bazi vode na tržištu stolarije i ormara. Za ovo tržište, KCMA testiranje mrlja se smatra standardom. U zavisnosti od krajnje upotrebe, neke hemikalije će postati važnije od drugih za proizvođača premazanog proizvoda. Ocjena 5 je najbolja, a ocjena 1 je najgora.
Kao što je prikazano u Tabeli 3, PUD #65215A se izuzetno dobro ponaša u KCMA testiranju mrlja kao prozirni visokosjajni, prozirni niski sjaj i kao pigmentirani premaz. Čak i kada se pomiješa 1:1 s akrilom, KCMA testiranje mrlja nije drastično pogođeno. Čak i kod bojenja agensima kao što je senf, premaz se vratio na prihvatljiv nivo nakon 24 sata.
TABELA 3 | Otpornost na kemikalije i mrlje (ocjena 5 je najbolja).
Pored KCMA testiranja mrlja, proizvođači će također testirati očvršćavanje odmah nakon UV očvršćavanja s linije. Često će se efekti miješanja akrila primijetiti odmah izvan linije očvršćavanja u ovom testu. Očekuje se da neće doći do proboja premaza nakon 20 dvostrukih trljanja izopropil alkoholom (20 IPA dr). Uzorci se testiraju 1 minut nakon UV sušenja. U našem testiranju vidjeli smo da mješavina 1:1 PUD# 65215A sa akrilom nije prošla ovaj test. Međutim, vidjeli smo da se PUD #65215A može pomiješati sa 25% NeoCryl XK-12 akrila i još uvijek proći 20 IPA dr test (NeoCryl je registrirani zaštitni znak Covestro grupe).
SLIKA 11 | 20 IPA dvostrukih trljanja, 1 minut nakon UV sušenja.
Stabilnost smole
Stabilnost PUD-a #65215A je također testirana. Formulacija se smatra stabilnom ako nakon 4 sedmice na 40 °C pH ne padne ispod 7 i viskozitet ostane stabilan u poređenju sa početnim. Za naše testiranje odlučili smo da uzorke izložimo težim uslovima do 6 nedelja na 50 °C. U ovim uslovima standard #1 i #2 nisu bili stabilni.
Za naše testiranje pogledali smo prozirne visokosjajne, prozirne niskog sjaja, kao i pigmentirane formulacije niskog sjaja korištene u ovoj studiji. Kao što je prikazano na slici 12, pH stabilnost sve tri formulacije ostala je stabilna i iznad praga pH od 7,0. Slika 13 ilustruje minimalnu promjenu viskoziteta nakon 6 sedmica na 50 °C.
SLIKA 12 | pH stabilnost formulisanog PUD-a #65215A.
SLIKA 13 | Stabilnost viskoziteta formulisanog PUD #65215A.
Još jedan test koji pokazuje performanse stabilnosti PUD #65215A bio je da se ponovo testira otpornost na KCMA mrlje formulacije premaza koja je odležala 6 sedmica na 50 °C, i da se to uporedi sa njegovom početnom otpornošću na KCMA mrlje. Premazi koji ne pokazuju dobru stabilnost vidjet će pad performansi bojenja. Kao što je prikazano na slici 14, PUD# 65215A zadržao je isti nivo performansi kao i u početnom testiranju otpornosti na kemikalije/mrlje pigmentiranog premaza prikazanog u Tablici 3.
SLIKA 14 | Hemijski test paneli za pigmentirani PUD #65215A.
Zaključci
Za aplikatore UV očvrslih premaza na bazi vode, PUD #65215A će im omogućiti da ispune trenutne standarde performansi na tržištu stolarije, drveta i ormara, a osim toga, omogućit će proces premazivanja da vidi poboljšanje brzine linije na više od 50 -60% u odnosu na trenutne standardne UV-otvrdnjave premaze na bazi vode. Za aplikatora 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;
●Smanjen otpad premaza zbog stabilnosti smole.
Sa VOC manjim od 100 g/L, proizvođači su također sposobniji da ispune svoje VOC ciljeve. Za proizvođače koji možda imaju brige o proširenju zbog problema s dozvolama, PUD #65215A s brzim otpuštanjem vode će im omogućiti da lakše ispune svoje regulatorne obaveze bez žrtvovanja performansi.
Na početku ovog članka citirali smo iz naših intervjua da aplikatori UV-očvrsnih materijala na bazi rastvarača obično suše i stvrdnjavaju premaze u procesu koji je trajao između 3-5 minuta. U ovoj studiji smo pokazali da će prema procesu prikazanom na slici 3, PUD #65215A očvrsnuti do 7 mils mokrog filma debljine za 4 minute uz temperaturu pećnice od 140 °C. Ovo je sasvim u granicama okvira većine premaza na bazi rastvarača koji se očvršćavaju UV zračenjem. PUD #65215A bi potencijalno mogao omogućiti sadašnjim aplikatorima UV-očvrsnih materijala na bazi rastvarača da pređu na UV-očvršćavajući materijal na bazi vode sa malom promjenom na liniji premaza.
Za proizvođače koji razmišljaju o proširenju proizvodnje, premazi na bazi PUD #65215A će im omogućiti:
●Uštedite novac upotrebom kraće linije premaza na bazi vode;
●Imati manji otisak linije premaza u objektu;
●Imati smanjen uticaj na trenutnu VOC dozvolu;
●Ostvarite uštedu energije zbog smanjenih potreba za sušenjem.
U zaključku, PUD #65215A će pomoći da se poboljša efikasnost proizvodnje UV-otvrdljivih linija premaza kroz performanse visokih fizičkih svojstava i karakteristike brzog otpuštanja vode kada se osuši na 140 °C.
Vrijeme objave: 14.08.2024
