Высокопроизводительные УФ-отверждаемые покрытия уже много лет используются в производстве напольных покрытий, мебели и шкафов. Большую часть этого времени на рынке доминировали 100%-ные твердые УФ-отверждаемые покрытия на основе растворителей. В последние годы технология УФ-отверждаемых покрытий на водной основе получила широкое распространение. УФ-отверждаемые смолы на водной основе зарекомендовали себя как полезный инструмент для производителей по ряду причин, включая прохождение испытаний на морилку KCMA, химическую стойкость и снижение содержания летучих органических соединений (ЛОС). Для дальнейшего развития этой технологии на этом рынке были определены несколько ключевых областей, требующих усовершенствований. Это выведет УФ-отверждаемые смолы на водной основе за рамки простого наличия «обязательных» характеристик, которыми обладают большинство смол. Они начнут добавлять ценные свойства покрытию, повышая ценность каждого звена цепочки создания стоимости от разработчика рецептуры покрытия до наносчика на заводе, установщика и, наконец, владельца.
Производители, особенно сегодня, стремятся к покрытию, которое не просто соответствует спецификациям. Существуют и другие свойства, обеспечивающие преимущества при производстве, упаковке и монтаже. Одним из желаемых свойств является повышение эффективности производства. Для покрытия на водной основе это означает более быстрое высвобождение воды и более высокую устойчивость к слипанию. Ещё одним желаемым свойством является повышение стабильности смолы для сбора/повторного использования покрытия и управления запасами. Для конечного пользователя и установщика желательными свойствами являются повышенная устойчивость к полировке и отсутствие следов металла при монтаже.
В этой статье рассматриваются новые разработки в области УФ-отверждаемых полиуретанов на водной основе, обеспечивающих значительно улучшенную устойчивость к воздействию краски при температуре 50 °C как в прозрачных, так и в пигментированных покрытиях. Также обсуждается, как эти смолы обеспечивают требуемые характеристики для нанесения покрытий, увеличивая скорость линии за счет быстрого удаления воды, повышенной устойчивости к слипанию и стойкости к растворителям вне линии, что повышает скорость операций по укладке и упаковке. Это также способствует уменьшению повреждений, которые иногда возникают вне линии. В статье также обсуждаются улучшения, продемонстрированные в области стойкости к пятнам и химическим веществам, важные для монтажников и владельцев.
Фон
Ландшафт лакокрасочной отрасли постоянно меняется. Простого соответствия спецификации и разумной цены за нанесённый мил недостаточно. Ситуация с заводскими покрытиями для корпусной мебели, столярных изделий, напольных покрытий и мебели стремительно меняется. Разработчикам рецептур, поставляющим покрытия на заводы, приходится делать покрытия более безопасными для сотрудников, удалять из них опасные вещества, заменять ЛОС водой и даже использовать меньше ископаемого углерода и больше биоуглерода. Реальность такова, что на протяжении всей цепочки создания стоимости каждый клиент требует от покрытия большего, чем просто соответствие спецификации.
Увидев возможность повысить ценность завода, наша команда начала исследовать проблемы, с которыми сталкиваются эти аппликаторы, на уровне завода. После многочисленных интервью мы начали выявлять некоторые общие моменты:
- Препятствия, мешающие достижению моих целей по расширению;
- Затраты растут, а наши капитальные бюджеты сокращаются;
- Растут затраты как на энергию, так и на персонал;
- Потеря опытных сотрудников;
- Наши корпоративные цели SG&A, а также цели моего клиента, должны быть достигнуты; и
- Зарубежная конкуренция.
Эти темы привели к формулировкам ценностных предложений, которые начали находить отклик у производителей УФ-отверждаемых полиуретанов на водной основе, особенно в сфере столярных изделий и корпусной мебели, например: «производители столярных изделий и корпусной мебели стремятся повысить эффективность своих заводов» и «производители хотят иметь возможность расширять производство на более коротких производственных линиях с меньшими повреждениями при повторной обработке из-за покрытий с медленным высвобождением воды».
Таблица 1 иллюстрирует, как для производителя сырья для покрытий улучшение определенных характеристик покрытия и физических свойств приводит к повышению эффективности, которая может быть реализована конечным потребителем.
ТАБЛИЦА 1 | Атрибуты и преимущества.
Разрабатывая УФ-отверждаемые ПУД с определёнными характеристиками, перечисленными в Таблице 1, производители конечных продуктов смогут удовлетворить свои потребности в повышении эффективности производства. Это позволит им повысить конкурентоспособность и, возможно, расширить текущее производство.
Экспериментальные результаты и обсуждение
История УФ-отверждаемых полиуретановых дисперсий
В 1990-х годах анионные полиуретановые дисперсии, содержащие акрилатные группы, прикреплённые к полимеру, начали применяться в промышленности.1 Многие из этих применений были связаны с упаковкой, чернилами и покрытиями для древесины. На рисунке 1 показана общая структура УФ-отверждаемой полиуретановой дисперсии, демонстрирующая, как разрабатываются эти материалы для покрытий.
РИСУНОК 1 | Универсальная акрилатная функциональная полиуретановая дисперсия.3
Как показано на рисунке 1, УФ-отверждаемые полиуретановые дисперсии (УФ-отверждаемые ПУД) состоят из типичных компонентов, используемых для получения полиуретановых дисперсий. Алифатические диизоцианаты реагируют с типичными эфирами, диолами, гидрофилизирующими группами и удлинителями цепей, используемыми для получения полиуретановых дисперсий.2 Отличие заключается в добавлении акрилатного функционального эфира, эпоксидной смолы или простых эфиров на этапе форполимеризации при получении дисперсии. Выбор материалов, используемых в качестве строительных блоков, а также структура и технология переработки полимера, определяют эксплуатационные характеристики и характеристики высыхания ПУД. Этот выбор сырья и технологии переработки позволяет получать УФ-отверждаемые ПУД, которые могут быть как непленкообразующими, так и пленкообразующими.3 В данной статье рассматриваются типы пленкообразующих или сухих материалов.
В результате пленкообразования, или сушки, как её часто называют, образуются слипшиеся плёнки, которые остаются сухими на ощупь до УФ-отверждения. Поскольку производители покрытий стремятся ограничить загрязнение покрытия твердыми частицами из воздуха, а также для ускорения производственного процесса, такие плёнки часто сушат в печах в рамках непрерывного процесса перед УФ-отверждением. На рисунке 2 показан типичный процесс сушки и отверждения УФ-отверждаемой полиуретановой дисперсии (PUD).
РИСУНОК 2 | Процесс отверждения УФ-отверждаемой полиуретановой смолы.
Обычно применяется метод распыления. Однако применяются также метод нанесения валиком и даже методом литья. После нанесения покрытие обычно проходит четырёхэтапную обработку, прежде чем его снова можно будет использовать.
1. Вспышка: это можно сделать при комнатной или повышенной температуре в течение нескольких секунд или пары минут.
2. Сушка в печи: на этом этапе из покрытия удаляются вода и сорастворители. Этот этап критически важен и обычно занимает большую часть времени в процессе. Обычно он проходит при температуре выше 60 °C и длится до 8 минут. Также могут использоваться многозонные сушильные печи.
- ИК-лампы и движение воздуха: Установка ИК-ламп и вентиляторов движения воздуха еще больше ускорит вспышку воды.
3.УФ-отверждение.
4. Охлаждение: После отверждения покрытию потребуется некоторое время для достижения устойчивости к слипанию. Этот этап может занять до 10 минут.
Экспериментальный
В данном исследовании сравнивались две УФ-отверждаемые полиуретановые смолы (ПУД), в настоящее время используемые на рынке корпусной мебели и столярных изделий, с нашей новой разработкой, ПУД № 65215A. В данном исследовании мы сравниваем Стандарт № 1 и Стандарт № 2 с ПУД № 65215A по высыханию, слипанию и химической стойкости. Мы также оцениваем стабильность pH и вязкости, что может иметь решающее значение при рассмотрении вопроса о повторном использовании излишков краски и сроке хранения. Ниже, в Таблице 2, представлены физические свойства каждой из смол, использованных в данном исследовании. Все три системы были разработаны с аналогичным содержанием фотоинициатора, летучих органических соединений и твердых веществ. Все три смолы были разработаны с 3% сорастворителем.
ТАБЛИЦА 2 | Свойства смолы PUD.
В ходе интервью нам сообщили, что большинство покрытий WB-UV, используемых на рынке столярных изделий и корпусной мебели, высыхают на производственной линии, что занимает от 5 до 8 минут до УФ-отверждения. Для сравнения, УФ-отверждение на основе растворителя (SB-UV) высыхает за 3-5 минут. Кроме того, для этого рынка покрытия обычно наносятся слоем толщиной 4-5 мил (10-15 мм). Основным недостатком УФ-отверждаемых покрытий на водной основе по сравнению с УФ-отверждаемыми альтернативами на основе растворителя является время, необходимое для испарения воды на производственной линии.4 Дефекты пленки, такие как белые пятна, возникают, если вода не была должным образом удалена из покрытия перед УФ-отверждением. Это также может произойти, если толщина влажной пленки слишком велика. Эти белые пятна образуются, когда вода попадает внутрь пленки во время УФ-отверждения.5
Для данного исследования мы выбрали режим отверждения, аналогичный тому, который используется на линии УФ-отверждаемых растворителей. На рисунке 3 показан наш режим нанесения, сушки, отверждения и упаковки, использованный в нашем исследовании. Этот режим сушки обеспечивает повышение общей скорости линии на 50–60% по сравнению с текущим рыночным стандартом для столярных изделий и корпусной мебели.
РИСУНОК 3 | График нанесения, сушки, отверждения и упаковки.
Ниже приведены условия нанесения и отверждения, которые мы использовали в нашем исследовании:
●Нанесение методом распыления на кленовый шпон с черным базовым покрытием.
●30-секундная вспышка при комнатной температуре.
● Сушильная печь при температуре 140 °F в течение 2,5 минут (духовка с конвекцией).
●УФ-отверждение – интенсивность около 800 мДж/см2.
- Прозрачные покрытия отверждались с помощью ртутной лампы.
- Пигментированные покрытия отверждались с помощью комбинированной ртутно-галлиевой лампы.
●Остывание в течение 1 минуты перед укладкой.
В нашем исследовании мы также распылили три слоя с различной толщиной влажной плёнки, чтобы проверить, реализуются ли другие преимущества, например, меньшее количество слоёв. Толщина влажной плёнки 4 мила (4 мил) является типичной для WB UV. В этом исследовании мы также включили нанесение покрытий толщиной влажной плёнки 6 и 8 мил.
Результаты отверждения
Результаты нанесения стандартного покрытия № 1 (высокоглянцевое прозрачное покрытие) представлены на рисунке 4. Прозрачное УФ-покрытие WB было нанесено на древесноволокнистую плиту средней плотности (МДФ), предварительно покрытую черным базовым слоем и отвержденную по схеме, представленной на рисунке 3. При толщине слоя 4 мила (влажное покрытие) покрытие проходит. Однако при толщине слоя 6 и 8 милов (влажное покрытие) покрытие трескалось, а слой 8 милов легко удалялся из-за плохого отвода воды перед УФ-отверждением.
РИСУНОК 4 | Стандарт №1.
Похожий результат наблюдается и в Стандарте № 2, показанном на Рисунке 5.
РИСУНОК 5 | Стандарт №2.
Как показано на рисунке 6, при использовании того же режима отверждения, что и на рисунке 3, PUD № 65215A продемонстрировал значительное улучшение водоотделения/высыхания. При толщине влажной пленки 8 мил на нижнем крае образца наблюдалось небольшое растрескивание.
РИСУНОК 6 | PUD #65215A.
Для оценки водоотталкивающих свойств других типичных составов покрытий было проведено дополнительное испытание PUD# 65215A в составе прозрачного покрытия с низким глянцем и пигментированного покрытия, нанесенного на ту же плиту МДФ с черным базовым слоем. Как показано на рисунке 7, состав с низким глянцем при толщине влажного слоя 5 и 7 мил отдавал воду и образовывал хорошую пленку. Однако при толщине влажного слоя 10 мил он был слишком толстым, чтобы отдавать воду в соответствии с режимом сушки и отверждения, представленным на рисунке 3.
РИСУНОК 7 | Низкоглянцевый PUD #65215A.
В белой пигментированной формуле PUD № 65215A показал хорошие результаты при использовании того же режима сушки и отверждения, описанного на рисунке 3, за исключением случая нанесения толщиной 8 мил во влажном состоянии. Как показано на рисунке 8, пленка трескается при толщине 8 мил из-за плохого отвода воды. В целом, в прозрачных, малоглянцевых и пигментированных формулах PUD № 65215A показал хорошие результаты в формировании пленки и высыхании при нанесении толщиной до 7 мил во влажном состоянии и отверждении по ускоренному режиму сушки и отверждения, описанному на рисунке 3.
РИСУНОК 8 | Пигментированный PUD #65215A.
Блокировка результатов
Стойкость к слипанию — это способность покрытия не прилипать к другому покрытому изделию при штабелировании. В производстве это часто является узким местом, если отвержденному покрытию требуется время для достижения стойкости к слипанию. Для этого исследования пигментированные составы Standard #1 и PUD #65215A наносились на стекло слоем толщиной 5 мил по мокрому с помощью вытяжного стержня. Каждый из них отверждался в соответствии с графиком отверждения, представленным на рисунке 3. Две стеклянные панели с покрытием отверждались одновременно — через 4 минуты после отверждения панели были сжаты вместе, как показано на рисунке 9. Они оставались сжатыми вместе при комнатной температуре в течение 24 часов. Если панели легко разделялись без отпечатков или повреждений покрытых панелей, то испытание считалось пройденным.
На рисунке 10 показано повышение стойкости к слипанию PUD № 65215A. Хотя и Standard № 1, и PUD № 65215A достигли полного отверждения в предыдущем испытании, только PUD № 65215A продемонстрировал достаточное водоотделение и отверждение для достижения стойкости к слипанию.
РИСУНОК 9 | Иллюстрация теста на блокирующее сопротивление.
РИСУНОК 10 | Сопротивление блокированию Стандарта № 1, за которым следует ПУД № 65215А.
Результаты смешивания акрила
Производители покрытий часто смешивают УФ-отверждаемые смолы WB с акриловыми смолами для снижения стоимости. В нашем исследовании мы также рассмотрели смешивание PUD#65215A с NeoCryl® XK-12, акриловым составом на водной основе, часто используемым в качестве добавки для УФ-отверждаемых PUD на водной основе в столярных изделиях и корпусной мебели. Для этого рынка стандартом считается тестирование на пятностойкость KCMA. В зависимости от конечного назначения, некоторые химические вещества могут быть важнее других для производителя покрытого изделия. Оценка 5 – наилучшая, а оценка 1 – наихудшая.
Как показано в Таблице 3, PUD #65215A демонстрирует исключительные результаты в тесте на стойкость к пятнам KCMA как в высокоглянцевом, так и в низкоглянцевом прозрачном и пигментированном вариантах. Даже при смешивании с акрилом в соотношении 1:1 результаты теста на стойкость к пятнам KCMA не оказывают существенного влияния. Даже при окрашивании такими веществами, как горчица, покрытие восстанавливается до приемлемого уровня через 24 часа.
ТАБЛИЦА 3 | Устойчивость к химическим веществам и пятнам (лучшая оценка — 5).
Помимо испытания на пятнообразование KCMA, производители также проводят испытания на отверждение сразу после УФ-отверждения вне линии. В этом испытании часто эффект смешивания акрила становится заметен сразу после отверждения. Ожидается, что прорыва покрытия не будет после 20 двойных протирок изопропиловым спиртом (20 IPA dr). Образцы тестируются через 1 минуту после УФ-отверждения. В нашем тесте мы увидели, что смесь PUD# 65215A с акрилом в соотношении 1:1 не прошла этот тест. Однако мы увидели, что PUD# 65215A можно смешать с 25% акрила NeoCryl XK-12 и всё равно пройти тест 20 IPA dr (NeoCryl является зарегистрированным товарным знаком группы Covestro).
РИСУНОК 11 | 20 двойных натираний IPA, 1 минута после УФ-отверждения.
Стабильность смолы
Также была протестирована стабильность ПУД № 65215А. Состав считается стабильным при хранении, если после 4 недель хранения при 40 °C pH не опускается ниже 7, а вязкость остаётся стабильной по сравнению с исходной. Для наших испытаний мы решили подвергнуть образцы более жёстким условиям – до 6 недель при 50 °C. В этих условиях стандарты № 1 и № 2 оказались нестабильными.
Для нашего исследования мы исследовали высокоглянцевые прозрачные, низкоглянцевые прозрачные, а также низкоглянцевые пигментированные составы. Как показано на рисунке 12, pH-стабильность всех трёх составов оставалась стабильной и превышала пороговое значение pH 7,0. На рисунке 13 показано минимальное изменение вязкости через 6 недель при температуре 50 °C.
РИСУНОК 12 | Стабильность pH рецептуры PUD #65215A.
РИСУНОК 13 | Стабильность вязкости рецептуры PUD #65215A.
Другим испытанием, демонстрирующим стабильность PUD № 65215A, было повторное тестирование устойчивости к пятнам KCMA покрытия, выдержанного в течение 6 недель при температуре 50 °C, и сравнение полученных результатов с исходной устойчивостью к пятнам KCMA. Покрытия, не обладающие высокой стабильностью, демонстрируют снижение устойчивости к пятнам. Как показано на рисунке 14, PUD № 65215A сохранил тот же уровень характеристик, что и при первоначальном испытании на химическую и стойкую к пятнам пигментированного покрытия, представленном в таблице 3.
РИСУНОК 14 | Панели химических испытаний для пигментированной PUD #65215A.
Выводы
Для компаний, занимающихся нанесением УФ-отверждаемых покрытий на водной основе, PUD #65215A позволит им соответствовать действующим стандартам производительности на рынке столярных изделий, древесины и корпусной мебели, а также позволит увеличить скорость линии нанесения покрытия более чем на 50–60% по сравнению с существующими стандартными УФ-отверждаемыми покрытиями на водной основе. Для компаний, занимающихся нанесением, это может означать:
●Более быстрое производство;
●Увеличенная толщина пленки снижает необходимость в дополнительных слоях;
●Более короткие линии сушки;
●Экономия энергии за счет снижения потребности в сушке;
●Меньше отходов из-за быстрого сопротивления слипанию;
●Сокращение отходов покрытия за счет стабильности смолы.
Благодаря содержанию ЛОС менее 100 г/л производители также могут эффективнее достигать своих целевых показателей по ЛОС. Производителям, которые могут испытывать опасения по поводу расширения производства из-за проблем с разрешениями, быстрорастворимый PUD #65215A позволит им легче выполнять нормативные требования без ущерба для производительности.
В начале этой статьи мы цитировали наши интервью, согласно которым аппликаторы УФ-отверждаемых материалов на основе растворителей обычно сушат и отверждают покрытия в течение 3–5 минут. В данном исследовании мы продемонстрировали, что согласно процессу, показанному на рисунке 3, PUD № 65215A отверждает мокрую пленку толщиной до 7 мил за 4 минуты при температуре печи 140 °C. Это вполне соответствует диапазону для большинства УФ-отверждаемых покрытий на основе растворителей. PUD № 65215A потенциально может позволить нынешним аппликаторам УФ-отверждаемых материалов на основе растворителей перейти на УФ-отверждаемые материалы на водной основе, практически не изменяя свою линию покрытий.
Производителям, рассматривающим расширение производства, покрытия на основе ПУД #65215А позволят:
●Экономьте деньги за счет использования более короткой линии нанесения покрытий на водной основе;
● Иметь меньшую площадь для линии нанесения покрытий на предприятии;
● Оказать меньшее влияние на текущее разрешение на выбросы ЛОС;
● Экономия энергии за счет снижения потребности в сушке.
В заключение следует отметить, что PUD #65215A поможет повысить эффективность производства линий УФ-отверждаемых покрытий за счет высоких физических свойств и быстрого высвобождения воды из смолы при высыхании при 140 °C.
Время публикации: 14 августа 2024 г.
