Els recobriments curables per UV d'alt rendiment s'han utilitzat 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 recobriments curables per UV a base d'aigua ha crescut. Les resines curables per UV a base d'aigua han demostrat ser una eina útil per als fabricants per diverses raons, com ara superar la tinció KCMA, les proves de resistència química i la reducció de COV. Perquè aquesta tecnologia continuï creixent en aquest mercat, s'han identificat diversos factors com a àrees clau on cal fer millores. Aquests faran que les resines curables per UV a base d'aigua vagin més enllà de simplement tenir els "imprescindibles" que posseeixen 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, l'instal·lador i, finalment, el propietari.
Els fabricants, especialment avui dia, desitgen un recobriment que faci més que simplement complir les especificacions. També hi ha altres propietats que proporcionen beneficis en la fabricació, l'embalatge i la instal·lació. Un atribut desitjat són les millores en 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 l'absència de marques metàl·liques durant la instal·lació.
Aquest article tractarà els nous desenvolupaments en poliuretans curables per UV a base d'aigua que ofereixen una estabilitat de la pintura a 50 °C molt millorada en recobriments transparents i pigmentats. També analitza com aquestes resines aborden els atributs desitjats de l'aplicador del recobriment en augmentar la velocitat de la línia mitjançant un alliberament ràpid d'aigua, una resistència millorada al bloqueig i una resistència als dissolvents fora de la línia, cosa que millora la velocitat de les operacions d'apilament i embalatge. Això també millorarà els danys fora de la 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 propietaris.
Fons
El panorama de la indústria dels recobriments està en constant evolució. Els "imprescindibles" de simplement complir les especificacions a un preu raonable per mil·límetre aplicat simplement no són suficients. El panorama dels recobriments aplicats a la fàbrica a ebenisteria, fusteria, terres i mobles està canviant ràpidament. Es demana als formuladors que subministren recobriments a les fàbriques que els facin més segurs per als empleats, que eliminin les substàncies molt preocupants, que substitueixin els COV per aigua i fins i tot que utilitzin menys carboni fòssil i més biocarboni. La realitat és que al llarg de la cadena de valor, cada client demana que el recobriment faci més que simplement complir les especificacions.
Veient una oportunitat per 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 sentir alguns temes comuns:
- Els obstacles que permeten estan impedint els meus objectius d'expansió;
- Els costos augmenten i els nostres pressupostos de capital disminueixen;
- Els costos tant d'energia com de personal estan augmentant;
- Pèrdua d'empleats experimentats;
- Els nostres objectius corporatius de venda i administracions, així com els del meu client, s'han de complir; i
- Competència a l'estranger.
Aquests temes van conduir a declaracions de proposta de valor que van començar a ressonar entre els aplicadors de poliuretans curables per UV a base d'aigua, especialment en el 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 volen la capacitat d'ampliar la producció en línies de producció més curtes amb menys danys per reelaboració a causa dels recobriments amb propietats d'alliberament lent d'aigua".
La taula 1 il·lustra com, per al fabricant de matèries primeres per a recobriments, les millores en certs atributs del recobriment i propietats físiques condueixen a eficiències que l'usuari final pot aconseguir.
TAULA 1 | Atributs i beneficis.
Dissenyant PUD curables per UV amb certs atributs, tal com s'enumeren a la Taula 1, els fabricants d'ús final podran abordar les seves necessitats per millorar l'eficiència de les plantes. Això els permetrà ser més competitius i, potencialment, ampliar la producció actual.
Resultats experimentals i discussió
Història de les dispersions de poliuretà curables per UV
A la dècada del 1990, els usos comercials de dispersions de poliuretà aniòniques que contenien grups acrilats units al polímer van començar a utilitzar-se en aplicacions industrials.1 Moltes d'aquestes aplicacions van ser en envasos, tintes i recobriments de fusta. La figura 1 mostra una estructura genèrica d'un PUD curable per UV, que demostra com es dissenyen aquestes matèries primeres de recobriment.
FIGURA 1 | Dispersió genèrica de poliuretà amb funcionalitat acrilat.3
Com es mostra a la Figura 1, les dispersions de poliuretà curables per UV (PUD curables per UV) estan formades pels components típics que s'utilitzen per fabricar dispersions de poliuretà. Els diisocianats alifàtics reaccionen amb els èsters, diols, grups d'hidrofilització i extensors de cadena típics que s'utilitzen per fabricar dispersions de poliuretà.2 La diferència és l'addició d'un èster funcional d'acrilat, epoxi o èters incorporats al pas del prepolímer durant la fabricació de 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 de matèries primeres i processament donaran lloc a PUD curables per UV que poden no formar pel·lícula, així com a aquells que sí que formen pel·lícula.3 Els tipus de formació de pel·lícula o assecat són el tema d'aquest article.
La formació de pel·lícules, o assecat com se sol anomenar, produirà pel·lícules coalescents que són seques al tacte abans del curat UV. Com que els aplicadors volen limitar la contaminació del recobriment a l'aire a causa de partícules, així com la necessitat de velocitat en el seu procés de producció, aquestes sovint s'assequen en 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 per UV.
FIGURA 2 | Procés per curar un PUD curable amb UV.
El mètode d'aplicació que s'utilitza normalment és l'aspersió. Tanmateix, s'ha utilitzat l'aplicació amb un ganivet sobre corró i fins i tot la capa superficial. Un cop aplicat, el recobriment normalment passa per un procés de quatre passos abans de tornar-lo a manipular.
1. Flash: Això es pot fer a temperatura ambient o elevada durant uns segons o un parell de minuts.
2. Assecat al forn: Aquí és on l'aigua i els co-solvents s'expulsen del recobriment. Aquest pas és crític i normalment és el que 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 multizona.
- Làmpada d'infrarojos i moviment d'aire: la instal·lació de làmpades d'infrarojos i ventiladors de moviment d'aire accelerarà encara més el flaix d'aigua.
3. Curació UV.
4. Refredar: Un cop curat, el recobriment haurà de curar-se durant un temps per aconseguir la resistència al bloqueig. Aquest pas pot trigar fins a 10 minuts abans que s'aconsegueixi la resistència al bloqueig.
Experimental
Aquest estudi va comparar dos PUD curables amb UV (WB UV), que s'utilitzen actualment al mercat de l'ebenisteria i la fusteria, amb el nostre nou desenvolupament, el PUD núm. 65215A. En aquest estudi comparem l'Estàndard núm. 1 i l'Estàndard núm. 2 amb el PUD núm. 65215A en assecat, bloqueig i 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 la Taula 2 es mostren les propietats físiques de cadascuna de les resines utilitzades en aquest estudi. Els tres sistemes es van formular amb un nivell similar de fotoiniciador, COV i nivell de sòlids. Les tres resines es van formular amb un 3% de co-solvent.
TAULA 2 | Propietats de la resina PUD.
A 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 del curat UV. En canvi, una línia UV basada en dissolvents (SB-UV) s'asseca en 3-5 minuts. A més, per a aquest mercat, els recobriments s'apliquen normalment a una profunditat humida de 4-5 mil·límetres. Un inconvenient important dels recobriments curables per UV a base d'aigua en comparació amb les alternatives basades en dissolvents curables per UV és el temps que es triga a aplicar l'aigua instantàniament en una línia de producció.4 Es produiran defectes de la pel·lícula, com ara taques blanques, si l'aigua no s'ha eliminat correctament del recobriment abans del curat 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 el curat UV.5
Per a aquest estudi, hem triat un programa de curat similar al que s'utilitzaria en una línia de processament a base de dissolvents curables per 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 el 50% i el 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 amb esprai sobre xapa d'auró amb una capa base negra.
●Flaix de temperatura ambient de 30 segons.
●Assecat al forn de 60 °C durant 2,5 minuts (forn de convecció).
● Curat UV: intensitat d'uns 800 mJ/cm2.
- Els recobriments transparents es van curar amb una làmpada de Hg.
- Els recobriments pigmentats es van curar utilitzant una làmpada combinada Hg/Ga.
●Refredar durant 1 minut abans d'apilar.
Per al nostre estudi també vam ruixar tres gruixos de pel·lícula humida diferents per veure si també es podien aconseguir altres avantatges, com ara menys capes. 4 mil·límetres de gruix en humit és el típic per a WB UV. Per a aquest estudi també vam incloure aplicacions de recobriment humit de 6 i 8 mil·límetres.
Resultats de curació
Els resultats de l'estàndard núm. 1, un recobriment transparent d'alta brillantor, es mostren a la Figura 4. El recobriment transparent WB UV es va aplicar a un tauler de fibra de densitat mitjana (MDF) prèviament recobert amb una capa base negra i curat segons el programa que es mostra a la Figura 3. A 4 mil·límetres de gruix humit, el recobriment es passa. Tanmateix, a l'aplicació humida de 6 i 8 mil·límetres, el recobriment es va esquerdar i 8 mil·límetres es van eliminar fàcilment a causa de la mala alliberació d'aigua abans del curat UV.
FIGURA 4 | Estàndard núm. 1.
Un resultat similar també es veu a l'Estàndard núm. 2, que es mostra a la Figura 5.
FIGURA 5 | Estàndard núm. 2.
Com es mostra a la Figura 6, utilitzant el mateix programa de curat que a la Figura 3, el PUD #65215A va demostrar una gran millora en l'alliberament d'aigua/assecat. Amb un gruix de pel·lícula humida de 8 mil·límetres, es va observar una lleugera esquerda a la vora inferior de la mostra.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Es van avaluar proves addicionals del PUD núm. 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 5 i 7 mil·límetres d'aplicació humida va alliberar l'aigua i va formar una bona pel·lícula. Tanmateix, a 10 mil·límetres d'aplicació humida, era massa gruixuda per alliberar l'aigua segons el programa d'assecat i curat de la Figura 3.
FIGURA 7 | PUD de baixa brillantor núm. 65215A.
En una fórmula pigmentada blanca, el PUD #65215A va tenir un bon rendiment en el mateix programa d'assecatge i curat descrit a la Figura 3, excepte quan es va aplicar a 8 mil·límetres de gruix humits. Com es mostra a la Figura 8, la pel·lícula s'esquerda a 8 mil·límetres de gruix a causa d'una mala alliberació d'aigua. En general, en formulacions transparents, de baixa brillantor i pigmentades, el PUD# 65215A va tenir un bon rendiment en la formació de pel·lícules i l'assecatge quan es va aplicar fins a 7 mil·límetres de gruix humit i es va curar en el programa d'assecatge i curat accelerat descrit a la Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentat núm. 65215A.
Bloqueig de resultats
La resistència al bloqueig és la capacitat d'un recobriment de no adherir-se a un altre article recobert quan s'apila. En la fabricació, això sovint és un coll d'ampolla si un recobriment curat triga temps a aconseguir la resistència al bloqueig. Per a aquest estudi, es van aplicar formulacions pigmentades de l'estàndard núm. 1 i el PUD núm. 65215A al vidre a 5 mil·límetres de gruix humit utilitzant una barra d'estirada. Cadascuna es va curar segons el programa de curat de la Figura 3. Dos panells de vidre recoberts es van curar alhora: 4 minuts després del curat, els panells es van fixar junts, tal com es mostra a la Figura 9. Van romandre fixats junts a temperatura ambient durant 24 hores. Si els panells es van separar fàcilment sense deixar empremtes ni danys als panells recoberts, la prova es va considerar aprovada.
La figura 10 il·lustra la resistència al bloqueig millorada del PUD núm. 65215A. Tot i que tant l'estàndard núm. 1 com el PUD núm. 65215A van aconseguir un curat complet a la prova anterior, només el PUD núm. 65215A va demostrar prou alliberament d'aigua i curat per aconseguir resistència al bloqueig.
FIGURA 9 | Il·lustració de la prova de resistència de bloqueig.
FIGURA 10 | Resistència de bloqueig de l'estàndard núm. 1, seguit del PUD núm. 65215A.
Resultats de la barreja acrílica
Els fabricants de recobriments sovint barregen resines curables per UV WB amb acrílics per reduir costos. Per al nostre estudi també vam examinar la barreja de PUD#65215A amb NeoCryl® XK-12, un acrílic a base d'aigua, que sovint s'utilitza com a soci de barreja per a PUD a base d'aigua curables per UV al mercat de la fusteria i els armaris. Per a aquest mercat, les proves de taques KCMA es consideren l'estàndard. Depenent de l'aplicació d'ús final, alguns productes químics seran més importants que d'altres per al fabricant de l'article recobert. Una qualificació de 5 és la millor i una qualificació d'1 és la pitjor.
Com es mostra a la Taula 3, el PUD #65215A té un rendiment excepcionalment bo en les proves de tinció KCMA com a transparent d'alta brillantor, transparent de baixa brillantor i com a recobriment pigmentat. Fins i tot quan es barreja 1:1 amb un acrílic, la prova de tinció 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 puntuació de 5 és la millor).
A més de les proves de tinció KCMA, els fabricants també provaran el curat immediatament després del curat UV fora de la línia. Sovint, els efectes de la barreja d'acrílic es notaran immediatament fora de la línia de curat en aquesta prova. L'expectativa és que no hi hagi cap perforació del recobriment després de 20 fregaments dobles amb alcohol isopropílic (20 IPA dr). Les mostres es proven 1 minut després del curat UV. A les nostres proves, vam veure que una barreja 1:1 de PUD # 65215A amb un acrílic no va superar aquesta prova. Tanmateix, sí que vam veure que el PUD #65215A es podia barrejar amb un 25% d'acrílic NeoCryl XK-12 i encara superar la prova de 20 IPA dr (NeoCryl és una marca registrada del grup Covestro).
FIGURA 11 | 20 fregaments dobles amb IPA, 1 minut després del curat 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 l'inicial. Per a les nostres proves, vam decidir sotmetre les mostres a condicions més dures de fins a 6 setmanes a 50 °C. En aquestes condicions, els estàndards #1 i #2 no eren estables.
Per a les nostres proves, vam analitzar les formulacions transparents d'alta brillantor, transparents de baixa brillantor, així com les pigmentades de baixa brillantor utilitzades 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 núm. 65215A.
FIGURA 13 | Estabilitat de la viscositat del PUD núm. 65215A formulat.
Una altra prova que demostrava el rendiment d'estabilitat del PUD #65215A va ser tornar a provar la resistència a les taques de KCMA d'una formulació de recobriment que havia estat envellida durant 6 setmanes a 50 °C, i comparar-la amb la seva resistència inicial a les taques de KCMA. Els recobriments que no presenten una bona estabilitat experimentaran disminucions en el rendiment de tinció. Com es mostra a la Figura 14, el PUD# 65215A va mantenir el mateix nivell de rendiment que en la prova inicial de resistència química/a les taques del recobriment pigmentat que es mostra a la Taula 3.
FIGURA 14 | Panells de proves químiques per al PUD pigmentat núm. 65215A.
Conclusions
Per als aplicadors de recobriments a base d'aigua curables per UV, el PUD #65215A els permetrà complir els estàndards de rendiment actuals en els mercats de fusteria, fusta i ebenisteria, i a més, permetrà que el procés de recobriment vegi millores en la velocitat de línia superiors al 50-60% respecte als recobriments a base d'aigua curables per 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'assecat més curtes;
● Estalvi d'energia a causa de la reducció de les necessitats d'assecat;
●Menys ferralla a causa de la resistència ràpida al bloqueig;
●Reducció dels residus de recobriment a causa de l'estabilitat de la resina.
Amb COV inferiors a 100 g/L, els fabricants també poden complir millor els seus objectius de COV. Per als fabricants que puguin tenir problemes d'expansió a causa de problemes amb els permisos, el PUD #65215A d'alliberament ràpid d'aigua els permetrà complir més fàcilment les seves obligacions reglamentàries sense sacrificar el rendiment.
Al principi d'aquest article, vam citar a partir 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. En aquest estudi hem demostrat que, segons el procés que es mostra a la Figura 3, el PUD #65215A curarà fins a 7 mil·límetres de gruix de pel·lícula humida en 4 minuts amb una temperatura del forn de 140 °C. Això està dins del marge de la majoria de recobriments curables per UV basats en dissolvents. El PUD #65215A podria permetre als aplicadors actuals dels materials curables per UV basats en dissolvents canviar a un material curable per UV basat en aigua amb pocs canvis a la seva línia de recobriments.
Per als fabricants que consideren l'expansió de la producció, els recobriments basats en el PUD #65215A els permetran:
● Estalvieu diners mitjançant l'ús d'una línia de recobriment a base d'aigua més curta;
● Tenir una petjada de línia de recobriment més petita a les instal·lacions;
●Tenir un impacte reduït sobre el permís de COV actual;
●Estalvi d'energia gràcies a la reducció de les necessitats d'assecat.
En conclusió, el PUD #65215A ajudarà a millorar l'eficiència de fabricació de línies de recobriments curables per UV gràcies a un alt rendiment en termes de propietats físiques i a les característiques de ràpida alliberació d'aigua de la resina quan s'asseca a 140 °C.
Data de publicació: 14 d'agost de 2024
