Els recobriments curables amb UV d'alt rendiment s'utilitzen en la fabricació de terres, mobles i armaris durant molts anys. Durant la major part d'aquest temps, els recobriments curables per UV 100% sòlids i basats en dissolvents han estat la tecnologia dominant al mercat. En els darrers anys, la tecnologia de recobriment curable per UV a base d'aigua ha crescut. Les resines curables amb UV a base d'aigua han demostrat ser una eina útil per als fabricants per diverses raons, com ara la superació de la taca KCMA, les proves de resistència química i la reducció de COV. Perquè aquesta tecnologia continuï creixent en aquest mercat, s'han identificat diversos impulsors com a àrees clau on cal fer millores. Aquests portaran resines curables amb UV a base d'aigua més enllà de simplement tenir els "imprescindibles" que tenen la majoria de resines. Començaran a afegir propietats valuoses al recobriment, aportant valor a cada posició al llarg de la cadena de valor, des del formulador del recobriment fins a l'aplicador de fàbrica fins a l'instal·lador i, finalment, al propietari.
Els fabricants, especialment avui en dia, desitgen un recobriment que faci més que passar les especificacions. També hi ha altres propietats que ofereixen avantatges en la fabricació, l'embalatge i la instal·lació. Un atribut desitjat és la millora de l'eficiència de la planta. Per al recobriment a base d'aigua, això significa un alliberament d'aigua més ràpid i una resistència al bloqueig més ràpida. Un altre atribut desitjat és millorar l'estabilitat de la resina per a la captura/reutilització d'un recobriment i la gestió del seu inventari. Per a l'usuari final i l'instal·lador, els atributs desitjats són una millor resistència al brunyit i cap marca metàl·lica durant la instal·lació.
Aquest article tractarà els nous desenvolupaments en poliuretans curables amb UV a base d'aigua que ofereixen una estabilitat de pintura molt millorada a 50 °C en recobriments transparents i pigmentats. També analitza com aquestes resines aborden els atributs desitjats de l'aplicador de recobriment per augmentar la velocitat de la línia mitjançant l'alliberament ràpid d'aigua, la millora de la resistència al bloc i la resistència al dissolvent fora de la línia, cosa que millora la velocitat per a les operacions d'apilament i embalatge. Això també millorarà els danys fora de línia que de vegades es produeixen. Aquest article també analitza les millores demostrades en la resistència a les taques i als productes químics importants per als instal·ladors i els propietaris.
Fons
El panorama de la indústria dels recobriments està en constant evolució. Els "imprescindibles" de passar l'especificació a un preu raonable per mil aplicat simplement no són suficients. El panorama dels recobriments aplicats en fàbrica a mobles, fusteria, terres i mobles està canviant ràpidament. Es demana als formuladors que subministren recobriments a les fàbriques que facin que els recobriments siguin més segurs per als empleats, eliminen substàncies de gran preocupació, substitueixin els COV per aigua i, fins i tot, utilitzen menys carboni fòssil i més carboni bio. La realitat és que al llarg de la cadena de valor, cada client demana que el recobriment faci més que complir amb les especificacions.
En veure l'oportunitat de crear més valor per a la fàbrica, el nostre equip va començar a investigar a nivell de fàbrica els reptes als quals s'enfrontaven aquests aplicadors. Després de moltes entrevistes vam començar a escoltar alguns temes comuns:
- Permetre obstacles impedeix els meus objectius d'expansió;
- Els costos augmenten i els nostres pressupostos de capital estan disminuint;
- Els costos tant d'energia com de personal estan augmentant;
- Pèrdua d'empleats amb experiència;
- Els nostres objectius corporatius de SG&A, així com els del meu client, s'han de complir; i
- Competició a l'estranger.
Aquests temes van donar lloc a declaracions de proposta de valor que van començar a ressonar amb els aplicadors de poliuretans curables amb UV a base d'aigua, especialment en l'espai del mercat de la fusteria i l'ebenisteria, com ara: "els fabricants de fusteria i ebenisteria busquen millores en l'eficiència de les fàbriques" i els "fabricants". volem la capacitat d'ampliar la producció en línies de producció més curtes amb menys danys de reelaboració a causa dels recobriments amb propietats d'alliberament lents d'aigua".
La taula 1 il·lustra com, per al fabricant de matèries primeres de recobriments, les millores en determinats atributs i propietats físiques del recobriment condueixen a eficiències que l'usuari final pot aconseguir.
TAULA 1 | Atributs i beneficis.
Mitjançant el disseny de PUD curables amb UV amb determinats atributs tal com s'enumeren a la taula 1, els fabricants d'ús final podran fer front a les necessitats que tenen per millorar l'eficiència de les plantes. Això els permetrà ser més competitius, i potencialment els permetrà ampliar la producció actual.
Resultats experimentals i discussió
Història de les dispersions de poliuretà curable amb UV
A la dècada de 1990, els usos comercials de les dispersions de poliuretà aniònics que contenien grups acrilat units al polímer es van començar a utilitzar en aplicacions industrials.1 Moltes d'aquestes aplicacions eren en envasos, tintes i recobriments de fusta. La figura 1 mostra una estructura genèrica d'un PUD curable per UV, demostrant com es dissenyen aquestes matèries primeres de recobriment.
FIGURA 1 | Dispersió de poliuretà funcional acrilat genèric.3
Com es mostra a la figura 1, les dispersions de poliuretà curables amb UV (PUD curables amb UV) estan formades pels components típics que s'utilitzen per fer dispersions de poliuretà. Els diisocianats alifàtics reaccionen amb els típics èsters, diols, grups d'hidrofilització i extensors de cadena utilitzats per fer dispersions de poliuretà.2 La diferència és l'addició d'un èster funcional d'acrilat, epoxi o èters incorporats a l'etapa del prepolímer mentre es fa la dispersió. . L'elecció dels materials utilitzats com a blocs de construcció, així com l'arquitectura i el processament del polímer, dicten el rendiment i les característiques d'assecat d'un PUD. Aquestes eleccions en matèries primeres i processament donaran lloc a PUD curables amb UV que poden no formar pel·lícules, així com aquelles que són pel·lícules.3 La formació de pel·lícules, o els tipus d'assecat, són l'objecte d'aquest article.
La formació de pel·lícules, o l'assecat, com s'anomena sovint, produirà pel·lícules fusionades que s'assequen al tacte abans de la curació UV. Com que els aplicadors volen limitar la contaminació del recobriment per l'aire a causa de les partícules, així com la necessitat de velocitat en el seu procés de producció, sovint s'assequen als forns com a part d'un procés continu abans del curat UV. La figura 2 mostra el procés típic d'assecat i curat d'un PUD curable amb UV.
FIGURA 2 | Procés per curar un PUD curable amb UV.
El mètode d'aplicació utilitzat normalment és l'aerosol. No obstant això, s'han utilitzat ganivet sobre rotllo i fins i tot una capa d'inundació. Un cop aplicat, el recobriment normalment passarà per un procés de quatre passos abans de tornar-lo a manipular.
1.Flash: Això es pot fer a temperatures ambient o elevades durant uns quants segons a un parell de minuts.
2. Assecat al forn: aquí és on l'aigua i els cosolvents són expulsats del recobriment. Aquest pas és crític i normalment consumeix més temps en un procés. Aquest pas sol ser a >140 °F i dura fins a 8 minuts. També es poden utilitzar forns d'assecat de diverses zones.
- Làmpada IR i moviment d'aire: la instal·lació de làmpades IR i ventiladors de moviment d'aire accelerarà el flaix d'aigua encara més ràpidament.
3. Cura UV.
4.Cool: un cop curat, el recobriment haurà de curar-se durant un cert temps per aconseguir la resistència al bloqueig. Aquest pas pot trigar fins a 10 minuts abans d'aconseguir la resistència de bloqueig
Experimental
Aquest estudi va comparar dos PUD curables amb UV (WB UV), utilitzats actualment al mercat d'armaris i fusteria, amb el nostre nou desenvolupament, PUD # 65215A. En aquest estudi comparem l'estàndard #1 i l'estàndard #2 amb el PUD #65215A en l'assecat, el bloqueig i la resistència química. També avaluem l'estabilitat del pH i l'estabilitat de la viscositat, que poden ser crítiques a l'hora de considerar la reutilització de l'excés de polvorització i la vida útil. A continuació es mostren a la taula 2 les propietats físiques de cadascuna de les resines utilitzades en aquest estudi. Els tres sistemes es van formular a nivell de fotoiniciador, COV i nivell de sòlids similars. Les tres resines es van formular amb un 3% de cosolvent.
TAULA 2 | Propietats de la resina PUD.
En les nostres entrevistes ens van dir que la majoria dels recobriments WB-UV dels mercats de fusteria i ebenisteria s'assequen en una línia de producció, que triga entre 5 i 8 minuts abans de la curació UV. Per contra, una línia UV a base de dissolvents (SB-UV) s'asseca en 3-5 minuts. A més, per a aquest mercat, els recobriments s'apliquen normalment 4-5 mils humits. Un inconvenient important dels recobriments curables amb UV a l'aigua en comparar-los amb les alternatives basades en dissolvents curables amb UV és el temps que triga a evaporar l'aigua en una línia de producció.4 Els defectes de la pel·lícula, com ara taques blanques, es produiran si l'aigua no s'ha expulsat correctament de la línia de producció. recobriment abans de la cura UV. Això també pot passar si el gruix de la pel·lícula humida és massa alt. Aquestes taques blanques es creen quan l'aigua queda atrapada dins de la pel·lícula durant la curació UV.5
Per a aquest estudi vam triar un programa de curat similar al que s'utilitzaria en una línia a base de dissolvents curable amb UV. La figura 3 mostra el nostre programa d'aplicació, assecat, curat i envasat utilitzat per al nostre estudi. Aquest programa d'assecat representa una millora d'entre un 50% i un 60% en la velocitat general de la línia respecte a l'estàndard actual del mercat en aplicacions de fusteria i ebenisteria.
FIGURA 3 | Programa d'aplicació, assecat, curat i envasat.
A continuació es mostren les condicions d'aplicació i curat que hem utilitzat per al nostre estudi:
● Aplicació per polvorització sobre xapa d'auró amb una capa base negra.
●Flax de temperatura ambient de 30 segons.
● Forn d'assecat de 140 °F durant 2,5 minuts (forn de convecció).
● Curat UV – intensitat aproximadament 800 mJ/cm2.
- Els recobriments transparents es van curar amb una làmpada de Hg.
- Els recobriments pigmentats es van curar mitjançant una làmpada combinada Hg/Ga.
● 1 minut de refredament abans d'apilar.
Per al nostre estudi també vam polvoritzar tres gruixos diferents de pel·lícula humida per veure si també es podrien aconseguir altres avantatges, com ara menys capes. 4 mils humits és el típic de WB UV. Per a aquest estudi també hem inclòs aplicacions de recobriment humit de 6 i 8 mils.
Resultats de curació
Els resultats de l'estàndard #1, un recobriment transparent d'alta brillantor, es mostren a la figura 4. El recobriment transparent UV WB es va aplicar a un tauler de fibra de densitat mitjana (MDF) prèviament recobert amb una capa base negra i curat segons el calendari que es mostra a la figura 3. A 4 mils mulleu el recobriment passa. Tanmateix, a l'aplicació humida de 6 i 8 mils, el recobriment es va esquerdar i es va eliminar fàcilment 8 mils a causa d'una mala alliberació d'aigua abans del curat UV.
FIGURA 4 | Estàndard #1.
Un resultat similar també es veu a l'estàndard #2, que es mostra a la figura 5.
FIGURA 5 | Estàndard #2.
Es mostra a la figura 6, utilitzant el mateix programa de curat que a la figura 3, el PUD #65215A va demostrar una millora enorme en l'alliberament/assecat d'aigua. Amb un gruix de pel·lícula humida de 8 mils, es va observar una lleugera esquerda a la vora inferior de la mostra.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Es van avaluar proves addicionals de PUD # 65215A en un recobriment transparent de baixa brillantor i un recobriment pigmentat sobre el mateix MDF amb una capa base negra per avaluar les característiques d'alliberament d'aigua en altres formulacions de recobriment típiques. Com es mostra a la figura 7, la formulació de baixa brillantor a l'aplicació humida de 5 i 7 mils va alliberar l'aigua i va formar una bona pel·lícula. Tanmateix, a 10 mil·límetres humits, era massa gruixut per alliberar l'aigua sota el programa d'assecat i curat de la figura 3.
FIGURA 7 | PUD de baixa brillantor #65215A.
En una fórmula pigmentada blanca, PUD #65215A va funcionar bé en el mateix programa d'assecat i curat descrit a la figura 3, excepte quan s'aplica a 8 mils humits. Com es mostra a la figura 8, la pel·lícula s'esquerda a 8 mils a causa d'una mala alliberació d'aigua. En general, en formulacions clares, de poca brillantor i pigmentades, el PUD # 65215A va funcionar bé en les formacions de pel·lícules i l'assecat quan s'aplica fins a 7 mils humits i es cura amb el programa d'assecat i curat accelerat descrit a la figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentat #65215A.
Resultats de bloqueig
La resistència al bloqueig és la capacitat d'un recobriment de no enganxar-se a un altre article recobert quan s'apila. En la fabricació, això és sovint un coll d'ampolla si un recobriment curat necessita temps per aconseguir la resistència al bloc. Per a aquest estudi, es van aplicar formulacions pigmentades de l'estàndard #1 i PUD #65215A al vidre a 5 mil·límetres humits mitjançant una barra de descens. Es van curar cadascun segons el programa de curat de la figura 3. Es van curar dos panells de vidre recoberts al mateix temps: 4 minuts després de la curació, els panells es van subjectar, tal com es mostra a la figura 9. Van romandre subjectats junts a temperatura ambient durant 24 hores. . Si els panells es van separar fàcilment sense empremta ni danys als panells recoberts, la prova es considerava aprovada.
La figura 10 il·lustra la resistència de bloqueig millorada del PUD # 65215A. Tot i que tant l'estàndard #1 com el PUD #65215A van aconseguir una curació completa a la prova anterior, només el PUD #65215A va demostrar prou alliberament d'aigua i cura per aconseguir la resistència al bloqueig.
FIGURA 9 | Il·lustració de la prova de resistència al bloqueig.
FIGURA 10 | Resistència de bloqueig de l'estàndard #1, seguit del PUD #65215A.
Resultats de la barreja acrílica
Els fabricants de recobriments sovint barregen resines curables amb UV WB amb acrílics per reduir el cost. Per al nostre estudi també vam analitzar la barreja de PUD#65215A amb NeoCryl® XK-12, un acrílic a base d'aigua, que s'utilitza sovint com a soci de barreja per a PUD a base d'aigua curable amb UV al mercat de fusteria i ebenisteria. Per a aquest mercat, la prova de taques KCMA es considera l'estàndard. Depenent de l'aplicació d'ús final, alguns productes químics seran més importants que altres per al fabricant de l'article recobert. Una puntuació de 5 és la millor i una puntuació d'1 la pitjor.
Tal com es mostra a la taula 3, el PUD #65215A funciona excepcionalment bé en les proves de taques KCMA com a transparent d'alta brillantor, clar de baixa brillantor i com a recobriment pigmentat. Fins i tot quan es barreja 1:1 amb un acrílic, la prova de taques KCMA no es veu afectada dràsticament. Fins i tot en la tinció amb agents com la mostassa, el recobriment es va recuperar a un nivell acceptable després de 24 hores.
TAULA 3 | Resistència química i a les taques (la qualificació de 5 és la millor).
A més de les proves de taques KCMA, els fabricants també provaran la curació immediatament després de la cura UV fora de la línia. Sovint, els efectes de la barreja acrílica es notaran immediatament fora de la línia de curat en aquesta prova. L'expectativa és no tenir un avanç del recobriment després de 20 fregades dobles amb alcohol isopropílic (20 IPA dr). Les mostres es proveen 1 minut després de la curació UV. A les nostres proves vam veure que una barreja 1:1 de PUD # 65215A amb un acrílic no va passar aquesta prova. Tanmateix, vam veure que el PUD #65215A es podria barrejar amb un 25% d'acrílic NeoCryl XK-12 i encara aprovar la prova de 20 IPA dr (NeoCryl és una marca registrada del grup Covestro).
FIGURA 11 | 20 fregades dobles IPA, 1 minut després de la curació UV.
Estabilitat de la resina
També es va provar l'estabilitat del PUD #65215A. Una formulació es considera estable si després de 4 setmanes a 40 °C, el pH no baixa per sota de 7 i la viscositat es manté estable en comparació amb la inicial. Per a les nostres proves vam decidir sotmetre les mostres a les condicions més dures de fins a 6 setmanes a 50 °C. En aquestes condicions, l'estàndard #1 i #2 no eren estables.
Per a les nostres proves, vam analitzar les formulacions pigmentades de baix brillantor que s'utilitzen en aquest estudi. Com es mostra a la figura 12, l'estabilitat del pH de les tres formulacions es va mantenir estable i per sobre del llindar de pH de 7, 0. La figura 13 il·lustra el canvi mínim de viscositat després de 6 setmanes a 50 ° C.
FIGURA 12 | Estabilitat del pH del PUD formulat #65215A.
FIGURA 13 | Estabilitat de la viscositat del PUD formulat #65215A.
Una altra prova que demostrava el rendiment d'estabilitat del PUD # 65215A va ser tornar a provar la resistència a les taques KCMA d'una formulació de recobriment que s'ha envellit durant 6 setmanes a 50 ° C i comparar-la amb la seva resistència inicial a les taques KCMA. Els recobriments que no presenten una bona estabilitat veuran caigudes en el rendiment de la tinció. Tal com es mostra a la figura 14, el PUD # 65215A va mantenir el mateix nivell de rendiment que en les proves inicials de resistència química/taca del recobriment pigmentat que es mostra a la taula 3.
FIGURA 14 | Panells de proves químiques per a PUD pigmentat #65215A.
Conclusions
Per als aplicadors de recobriments a base d'aigua curables amb UV, el PUD #65215A els permetrà complir amb els estàndards de rendiment actuals en els mercats de fusteria, fusta i gabinet i, a més, permetrà que el procés de recobriment vegi millores de velocitat de línia a més de 50 -60% sobre els recobriments a base d'aigua curables amb UV estàndard actuals. Per a l'aplicador això pot significar:
●Producció més ràpida;
●L'augment del gruix de la pel·lícula redueix la necessitat de capes addicionals;
●Línies d'assecatge més curtes;
●Estalvi d'energia a causa de les necessitats d'assecat reduïdes;
●Menys ferralla a causa de la resistència al bloqueig ràpid;
●Reducció de residus de recobriment a causa de l'estabilitat de la resina.
Amb COV inferiors a 100 g/L, els fabricants també són més capaços d'assolir els seus objectius de COV. Per als fabricants que poden tenir problemes d'expansió a causa de problemes de permís, el PUD d'alliberament ràpid d'aigua #65215A els permetrà complir amb més facilitat les seves obligacions normatives sense sacrificis de rendiment.
A l'inici d'aquest article, vam citar de les nostres entrevistes que els aplicadors de materials curables per UV basats en dissolvents normalment assecaven i curaven els recobriments en un procés que trigava entre 3 i 5 minuts. Hem demostrat en aquest estudi que, segons el procés que es mostra a la figura 3, el PUD #65215A curarà fins a 7 mils de gruix de pel·lícula humida en 4 minuts amb una temperatura del forn de 140 °C. Això es troba dins de la finestra de la majoria de recobriments curables amb dissolvents UV. El PUD #65215A podria permetre als aplicadors actuals dels materials curables UV basats en dissolvents canviar a un material curable UV a base d'aigua amb pocs canvis a la seva línia de recobriment.
Per als fabricants que consideren l'expansió de la producció, els recobriments basats en PUD #65215A els permetran:
● Estalvieu diners mitjançant l'ús d'una línia de recobriment a base d'aigua més curta;
●Tenir una empremta de línia de recobriment més petita a la instal·lació;
● Tenir un impacte reduït en el permís actual de COV;
●Aconseguir un estalvi energètic a causa de les necessitats d'assecat reduïdes.
En conclusió, PUD #65215A ajudarà a millorar l'eficiència de fabricació de línies de recobriments curables amb UV mitjançant un rendiment d'alta propietat física i característiques d'alliberament ràpid d'aigua de la resina quan s'asseca a 140 °C.
Hora de publicació: 14-agost-2024
