Visokoučinkoviti UV premazi koji se stvrdnjavaju već dugi niz godina koriste se u proizvodnji podova, namještaja i ormara. Veći dio tog vremena, 100% čvrsti i UV premazi na bazi rastvarača koji se stvrdnjavaju bili su dominantna tehnologija na tržištu. Posljednjih godina, tehnologija premaza na bazi vode koji se stvrdnjavaju UV zračenjem doživjela je rast. UV smole na bazi vode koje se stvrdnjavaju UV zračenjem pokazale su se korisnim alatom za proizvođače iz različitih razloga, uključujući prolazak KCMA testiranja bojenja, ispitivanja otpornosti na hemikalije i smanjenje isparljivih organskih jedinjenja (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 na bazi vode koje se stvrdnjavaju UV zračenjem podići dalje od pukog posjedovanja „neophodnih“ karakteristika koje većina smola posjeduje. One će početi dodavati vrijedna svojstva premazu, donoseći vrijednost svakoj poziciji duž lanca vrijednosti, od formulatora premaza do fabričkog 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, pakovanju i ugradnji. Jedan od željenih atributa je poboljšanje efikasnosti 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 ostavljanja metalnih tragova tokom ugradnje.
Ovaj članak će razmatrati nova dostignuća 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 razmatra kako ove smole zadovoljavaju željene atribute nanosioca premaza u povećanju brzine linije kroz brzo otpuštanje vode, poboljšanu otpornost na blokiranje i otpornost na rastvarače van linije, što poboljšava brzinu operacija slaganja i pakovanja. Ovo će također poboljšati oštećenja van linije koja se ponekad javljaju. Ovaj članak također razmatra poboljšanja u otpornosti na mrlje i hemikalije, što je važno za instalatere i vlasnike.
Pozadina
Situacija u industriji premaza se stalno mijenja. "Must have" samo ispunjavanje specifikacija po razumnoj cijeni po primijenjenom milu jednostavno nije dovoljna. Situacija za fabrički nanesene premaze za ormariće, stolariju, podove i namještaj se brzo mijenja. Od proizvođača koji isporučuju premaze fabrikama se traži da premaze učine sigurnijim za nanošenje od strane zaposlenih, da uklone supstance koje izazivaju zabrinutost, da zamijene isparljiva organska jedinjenja 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 fabriku, naš tim je počeo istraživati izazove s kojima se suočavaju ovi aplikatori na nivou fabrike. Nakon mnogih intervjua počeli smo čuti neke uobičajene teme:
- Dozvoljavanje prepreka sprečava moje ciljeve ekspanzije;
- Troškovi rastu, a naši kapitalni budžeti se smanjuju;
- Troškovi energije i osoblja rastu;
- Gubitak iskusnih radnika;
- Naši korporativni ciljevi SG&A, kao i ciljevi mojih klijenata, moraju biti ispunjeni; i
- Takmičenje u inostranstvu.
Ove teme dovele su do izjava o vrijednosti ponude koje su počele odjeknuti kod korisnika poliuretana na bazi vode koji se stvrdnjavaju UV zračenjem, posebno na tržištu stolarije i namještaja, kao što su: „proizvođači stolarije i namještaja traže poboljšanja u efikasnosti fabrika“ i „proizvođači žele mogućnost proširenja proizvodnje na kraćim proizvodnim linijama s manje oštećenja od ponovne obrade 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 krajnji korisnik može ostvariti.
TABELA 1 | Svojstva i prednosti.
Dizajniranjem UV-otvrdnjavajućih PUD-ova s određenim atributima navedenim u Tabeli 1, proizvođači će moći odgovoriti na svoje potrebe za poboljšanjem efikasnosti postrojenja. To će im omogućiti da budu konkurentniji i potencijalno prošire trenutnu proizvodnju.
Eksperimentalni rezultati i diskusija
Historija UV-stvrdnjavajućih poliuretanskih disperzija
Tokom 1990-ih, komercijalna upotreba anionskih poliuretanskih disperzija koje sadrže akrilatne grupe vezane za polimer počela se koristiti u industrijskim primjenama.1 Mnoge od ovih primjena bile su u ambalaži, 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 reaguju sa tipičnim esterima, diolima, hidrofilizacijskim grupama i produživačima lanca koji se koriste za izradu poliuretanskih disperzija.2 Razlika je u dodavanju akrilatnog funkcionalnog estera, epoksida ili etera ugrađenih u korak predpolimerizacije tokom izrade disperzije. Izbor materijala koji se koriste kao gradivni 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 biti ne-formirajući film, kao i onih koji formiraju film.3 Vrste formiranja filma, ili tipovi 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, ovi se često suše u pećnicama kao dio kontinuiranog procesa prije UV sušenja. Slika 2 prikazuje tipičan proces sušenja i sušenja UV-sušljivog PUD-a.
SLIKA 2 | Postupak sušenja PUD-a koji se suši 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 od četiri koraka prije nego što se ponovo koristi.
1. Bljesak: Ovo se može uraditi na sobnoj ili povišenoj temperaturi u trajanju od nekoliko sekundi do nekoliko minuta.
2. Sušenje u peći: Ovo je faza u kojoj 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 peći za sušenje.
- IR lampa i kretanje zraka: Ugradnja IR lampi i ventilatora za kretanje zraka ubrzat će bljesak vode još brže.
3. UV sušenje.
4. Hlađenje: Nakon sušenja, premaz će morati da se suši određeno 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 je uporedila dva UV-stvrdnjavajuća PUD-a (WB UV), koja se trenutno koriste na tržištu ormarića i stolarije, sa našim novim razvojem, PUD # 65215A. U ovoj studiji upoređujemo Standard #1 i Standard #2 sa PUD #65215A u pogledu sušenja, blokiranja i hemijske otpornosti. Također procjenjujemo pH stabilnost i stabilnost viskoznosti, što može biti ključno pri razmatranju ponovne upotrebe prekomjernog prskanja i roka trajanja. U Tabeli 2 prikazana su fizička svojstva svake od smola korištenih u ovoj studiji. Sva tri sistema su formulisana sa sličnim nivoom fotoinicijatora, VOC-a i nivoom čvrstih materija. Sve tri smole su formulisane sa 3% kosolventa.
TABELA 2 | Svojstva PUD smole.
U intervjuima nam je rečeno da se većina WB-UV premaza na tržištu stolarije i namještaja suši na proizvodnoj liniji, što traje između 5-8 minuta prije UV sušenja. Nasuprot tome, UV linija na bazi rastvarača (SB-UV) suši se za 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 poređenju sa UV alternativama na bazi rastvarača 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 tokom UV sušenja.5
Za ovu studiju odabrali smo raspored sušenja sličan onome koji bi se koristio na liniji na bazi rastvarača koja se stvrdnjava UV zračenjem. Slika 3 prikazuje naš raspored nanošenja, sušenja, stvrdnjavanja i pakovanja korišten za našu studiju. Ovaj raspored sušenja predstavlja poboljšanje ukupne brzine linije od 50% do 60% u odnosu na trenutni tržišni standard u primjenama u stolarstvu i izradi ormara.
SLIKA 3 | Raspored nanošenja, sušenja, stvrdnjavanja i pakovanja.
U nastavku su navedeni uslovi nanošenja i sušenja koje smo koristili za našu studiju:
●Nanošenje prskanjem preko javorovog furnira s crnim osnovnim premazom.
●Bljesak sobne temperature od 30 sekundi.
●Sušenje u pećnici na temperaturi od 140 °F (70 °C) 2,5 minute (konvekcijska pećnica).
●UV sušenje – intenzitet oko 800 mJ/cm2.
- Prozirni premazi su sušeni pomoću Hg lampe.
- Pigmentirani premazi su sušeni korištenjem kombinovane Hg/Ga lampe.
●1 minuta hlađenja prije slaganja.
Za našu studiju smo također prskali 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 smo također uključili 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 srednje gustu vlaknastu ploču (MDF) prethodno premazanu crnim osnovnim premazom i očvrsnuo 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 očvršćavanja.
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 je pokazao 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 testiranje PUD# 65215A u prozirnom premazu niskog sjaja i pigmentiranom premazu preko istog MDF-a s 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 mokroj primjeni od 5 i 7 mil otpustila je vodu i formirala dobar film. Međutim, pri mokroj primjeni 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 je nanesen 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 formiranju filma i sušenju kada je nanesen do 7 mil u mokrom stanju i stvrdnuo 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 ovo često predstavlja 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 debljini od 5 mil pomoću šipke za izvlačenje. Svaka od njih je očvršćena prema rasporedu očvršćavanja na Slici 3. Dvije premazane staklene ploče su očvršćene istovremeno - 4 minute nakon očvršćavanja ploče su stegnute jedna prema drugoj, kao što je prikazano na Slici 9. Ostale su stegnute jedna prema drugoj na sobnoj temperaturi 24 sata. Ako su se ploče lako odvajale bez otiska ili oštećenja premazanih ploča, test se smatrao prolaznim.
Slika 10 ilustruje 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 testa otpora blokiranju.
SLIKA 10 | Otpornost 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 smo također proučavali miješanje PUD#65215A s NeoCryl® XK-12, akrilom na bazi vode, koji se često koristi kao partner za miješanje za UV-stvrdnjavajuće PUD-ove na bazi vode na tržištu stolarije i ormarića. Za ovo tržište, KCMA testiranje mrlja se smatra standardom. Ovisno o krajnjoj upotrebi, neke hemikalije će postati važnije od drugih za proizvođača premazanog predmeta. Ocjena 5 je najbolja, a ocjena 1 je najgora.
Kao što je prikazano u Tabeli 3, PUD #65215A se izuzetno dobro pokazao 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 do prihvatljivog nivoa nakon 24 sata.
TABELA 3 | Otpornost na hemikalije i mrlje (najbolja ocjena je 5).
Pored KCMA testiranja bojenja, proizvođači će također testirati očvršćavanje odmah nakon UV sušenja van linije. Često će se efekti miješanja akrila primijetiti odmah van linije sušenja 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 1:1 PUD# 65215A s akrilom nije prošla ovaj test. Međutim, vidjeli smo da se PUD #65215A može miješati s 25% NeoCryl XK-12 akrila i dalje proći test od 20 IPA dr (NeoCryl je registrovani zaštitni znak Covestro grupe).
SLIKA 11 | 20 dvostrukih trljanja IPA-om, 1 minutu nakon UV sušenja.
Stabilnost smole
Također je testirana stabilnost PUD #65215A. Formulacija se smatra stabilnom na skladištu ako nakon 4 sedmice na 40 °C pH ne padne ispod 7, a viskoznost ostane stabilna u poređenju s početnom. Za naše testiranje odlučili smo podvrgnuti uzorke težim uslovima do 6 sedmica na 50 °C. U ovim uslovima Standard #1 i #2 nisu bili stabilni.
Za naša testiranja smo proučili 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 od 7,0 pH. Slika 13 ilustruje minimalnu promjenu viskoznosti nakon 6 sedmica na 50 °C.
SLIKA 12 | pH stabilnost formuliranog PUD-a #65215A.
SLIKA 13 | Stabilnost viskoznosti formuliranog PUD-a #65215A.
Još jedan test koji je demonstrirao stabilnost PUD-a #65215A bio je ponovno testiranje otpornosti na mrlje od KCMA formulacije premaza koja je odležavala 6 sedmica na 50 °C, i poređenje 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 je zadržao isti nivo performansi kao i u početnom testiranju otpornosti na hemikalije/mrlje pigmentiranog premaza prikazanog u Tabeli 3.
SLIKA 14 | Hemijski ispitni paneli za pigmentirani PUD #65215A.
Zaključci
Za nanosioce UV-stvrdnjavajućih premaza na bazi vode, PUD #65215A će im omogućiti da ispune trenutne standarde performansi na tržištima stolarije, drveta i ormara, a osim toga će omogućiti proces premazivanja da vidi poboljšanje brzine linije za više od 50-60% u odnosu na trenutne standardne UV-stvrdnjavajuće premaze na bazi vode. Za nanosioca 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.
Sa VOC-ima manjim od 100 g/L, proizvođači su također u mogućnosti da ispune svoje VOC ciljeve. Za proizvođače koji možda imaju zabrinutosti oko proširenja zbog problema sa dozvolama, PUD sa brzim otpuštanjem vode #65215A će im omogućiti da lakše ispune svoje regulatorne obaveze bez žrtvovanja performansi.
Na početku ovog članka naveli smo iz naših intervjua da oni koji nanose UV-stvrdnjavajuće materijale na bazi rastvarača obično suše i stvrdnjavaju premaze u procesu koji traje između 3-5 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 peći od 140 °C. Ovo je unutar raspona većine UV-stvrdnjavajućih premaza na bazi rastvarača. PUD #65215A bi potencijalno mogao omogućiti trenutnim nanosiocima UV-stvrdnjavajućih materijala na bazi rastvarača da pređu na UV-stvrdnjavajuće materijale na bazi vode uz male promjene u njihovoj liniji premaza.
Za proizvođače koji razmatraju proširenje proizvodnje, premazi na bazi PUD #65215A omogućit će im da:
●Uštedite novac korištenjem kraće linije za premazivanje na bazi vode;
● Imati manji otisak linije za premazivanje u objektu;
●Imaju smanjen utjecaj na trenutnu dozvolu za isparljiva organska jedinjenja (VOC);
●Ostvarite uštedu energije zbog smanjenih potreba za sušenjem.
Zaključno, PUD #65215A će pomoći u poboljšanju efikasnosti proizvodnje linija za UV-stvrdnjavajuće premaze kroz visoka fizička svojstva i karakteristike brzog otpuštanja vode iz smole kada se osuši na 140 °C.
Vrijeme objave: 14. avg. 2024.
