Высокоэффективные покрытия, отверждаемые УФ-излучением, уже много лет используются при производстве напольных покрытий, мебели и шкафов. Большую часть этого времени доминирующей технологией на рынке были 100% твердые покрытия на основе растворителей, отверждаемые УФ-излучением. В последние годы получила развитие технология нанесения покрытий на водной основе, отверждаемых УФ-излучением. Смолы на водной основе, отверждаемые УФ-излучением, оказались полезным инструментом для производителей по ряду причин, включая выдерживание пятен KCMA, испытания на химическую стойкость и снижение содержания летучих органических соединений. Для того чтобы эта технология продолжала расти на этом рынке, было определено несколько движущих сил в качестве ключевых областей, в которых необходимо внести улучшения. Благодаря этому смолы на водной основе, отверждаемые УФ-излучением, станут не просто «необходимыми», которыми обладает большинство смол. Они начнут придавать покрытию ценные свойства, повышая ценность каждой позиции в цепочке создания стоимости от разработчика покрытия до изготовителя покрытия, установщика и, наконец, владельца.
Производители, особенно сегодня, желают получить покрытие, которое будет не просто соответствовать техническим требованиям. Существуют и другие свойства, которые обеспечивают преимущества при производстве, упаковке и установке. Одним из желаемых атрибутов является повышение эффективности предприятия. Для покрытия на водной основе это означает более быстрое выделение воды и более высокую стойкость к слипанию. Еще одним желательным атрибутом является улучшение стабильности смолы для улавливания/повторного использования покрытия и управления их запасами. Для конечного пользователя и установщика желательными характеристиками являются повышенная стойкость к полированию и отсутствие металлических следов во время установки.
В этой статье будут обсуждаться новые разработки в области полиуретанов на водной основе, отверждаемых УФ-излучением, которые обеспечивают значительно улучшенную стабильность краски при 50 ° C как в прозрачных, так и в пигментированных покрытиях. В нем также обсуждается, как эти смолы обеспечивают желаемые свойства устройства для нанесения покрытия, заключающиеся в увеличении скорости линии за счет быстрого высвобождения воды, улучшенной устойчивости к слипанию и стойкости к растворителям вне линии, что повышает скорость операций укладки и упаковки. Это также уменьшит урон, который иногда возникает в автономном режиме. В этой статье также обсуждаются улучшения, продемонстрированные в области устойчивости к пятнам и химическим веществам, важные для монтажников и владельцев.
Фон
Ситуация в индустрии покрытий постоянно развивается. Простого соответствия требованиям по разумной цене за примененный мил просто недостаточно. Ситуация с заводскими покрытиями для столярных изделий, напольных покрытий и мебели быстро меняется. Разработчиков рецептур, поставляющих покрытия на заводы, просят сделать покрытия более безопасными для сотрудников, удалить вызывающие беспокойство вещества, заменить летучие органические соединения 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 техническим требованиям.
Увидев возможность повысить ценность завода, наша команда начала на уровне завода исследовать проблемы, с которыми столкнулись эти аппликаторы. После многих интервью мы начали слышать некоторые общие темы:
- Препятствия мешают моим целям расширения;
- Затраты растут, а наши капитальные бюджеты уменьшаются;
- Затраты как на энергию, так и на персонал растут;
- Потеря опытных сотрудников;
- Наши корпоративные цели SG&A, а также цели моего клиента должны быть достигнуты; и
- Зарубежные соревнования.
Эти темы привели к формулировкам ценностных предложений, которые начали находить отклик у тех, кто применяет полиуретаны на водной основе, отверждаемые УФ-излучением, особенно на рынке столярных и столярных изделий, такие как: «производители столярных и краснодеревщиков стремятся повысить эффективность производства» и «производители хотят иметь возможность расширять производство на более коротких производственных линиях с меньшими повреждениями при доработке благодаря покрытиям с медленным водовыделением».
В Таблице 1 показано, как для производителя сырья для покрытий улучшение определенных характеристик и физических свойств покрытия приводит к повышению эффективности, которую может реализовать конечный пользователь.
ТАБЛИЦА 1 | Атрибуты и преимущества.
Разработав ПУД, отверждаемые УФ-излучением, с определенными характеристиками, перечисленными в Таблице 1, производители конечного использования смогут удовлетворить свои потребности в повышении эффективности предприятий. Это позволит им быть более конкурентоспособными и потенциально позволит им расширить текущее производство.
Экспериментальные результаты и обсуждение.
История полиуретановых дисперсий, отверждаемых УФ-излучением
В 1990-х годах анионные полиуретановые дисперсии, содержащие акрилатные группы, присоединенные к полимеру, начали использоваться в промышленности.1 Многие из этих применений касались упаковки, чернил и покрытий для дерева. На рисунке 1 показана типовая структура ПУД, отверждаемого УФ-излучением, и показано, как устроены эти исходные материалы для покрытия.
РИСУНОК 1 | Общая полиуретановая дисперсия с акрилатной функциональностью.3
Как показано на рисунке 1, полиуретановые дисперсии, отверждаемые УФ-излучением (ПУД), отверждаемые УФ-излучением, состоят из типичных компонентов, используемых для изготовления полиуретановых дисперсий. Алифатические диизоцианаты вступают в реакцию с типичными сложными эфирами, диолами, группами гидрофилизации и удлинителями цепей, используемыми для изготовления полиуретановых дисперсий.2 Разница заключается в добавлении сложного эфира с акрилатной функциональной группой, эпоксидной смолы или простых эфиров, включенных в стадию форполимера при приготовлении дисперсии. . Выбор материалов, используемых в качестве строительных блоков, а также архитектура и обработка полимеров определяют эксплуатационные характеристики PUD и характеристики высыхания. Такой выбор сырья и обработки приведет к появлению УФ-отверждаемых ПУД, которые могут быть как не образующими пленки, так и пленкообразующими.3 Типы пленкообразующих или сушащихся материалов являются предметом данной статьи.
Формирование пленки или сушка, как ее часто называют, приводит к образованию коалесцированных пленок, сухих на ощупь перед УФ-отверждением. Поскольку специалисты по нанесению хотят ограничить загрязнение покрытия частицами из воздуха, а также необходимость ускорить производственный процесс, их часто сушат в печах как часть непрерывного процесса перед УФ-отверждением. На рисунке 2 показан типичный процесс сушки и отверждения ПУД, отверждаемого УФ-излучением.
РИСУНОК 2 | Процесс отверждения ПУД, отверждаемого УФ-излучением.
Обычно используется метод нанесения распылением. Тем не менее, использовались накатывание ножом и даже заливка. После нанесения покрытие обычно проходит четырехэтапный процесс, прежде чем снова обращаться с ним.
1. Вспышка: это можно делать при комнатной или повышенной температуре в течение от нескольких секунд до пары минут.
2. Сушка в печи: при этом вода и сорастворители вытесняются из покрытия. Этот шаг имеет решающее значение и обычно занимает больше всего времени в процессе. Этот этап обычно происходит при температуре > 140 ° F и длится до 8 минут. Также можно использовать многозонные сушильные шкафы.
- ИК-лампа и движение воздуха: Установка ИК-ламп и вентиляторов движения воздуха ускорит всплеск воды еще быстрее.
3. УФ-лечение.
4. Охлаждение: после отверждения покрытие должно отверждаться в течение некоторого времени, чтобы достичь устойчивости к слипанию. Этот шаг может занять до 10 минут, прежде чем будет достигнуто сопротивление блокировки.
Экспериментальный
В этом исследовании сравнивались два PUD, отверждаемые УФ-излучением (WB UV), которые в настоящее время используются на рынке столярных и столярных изделий, с нашей новой разработкой PUD № 65215A. В этом исследовании мы сравниваем Стандарт № 1 и Стандарт № 2 с PUD № 65215A по высыханию, слипанию и химической стойкости. Мы также оцениваем стабильность pH и стабильность вязкости, что может иметь решающее значение при рассмотрении вопроса о повторном использовании избыточного распыления и сроке годности. Ниже в Таблице 2 показаны физические свойства каждой из смол, использованных в этом исследовании. Все три системы были составлены с одинаковым уровнем фотоинициатора, летучих органических соединений и твердых веществ. Все три смолы были приготовлены с 3% сорастворителем.
ТАБЛИЦА 2 | Свойства смолы ПУД.
В наших интервью нам сказали, что большинство покрытий WB-UV на рынках столярных и краснодеревных изделий сохнут на производственной линии, что занимает от 5 до 8 минут до отверждения УФ-излучением. Напротив, УФ-линия на основе растворителя (SB-UV) высыхает за 3-5 минут. Кроме того, на этом рынке покрытия обычно наносятся толщиной 4–5 милов по мокрому материалу. Основным недостатком водорастворимых УФ-отверждаемых покрытий по сравнению с УФ-отверждаемыми альтернативами на основе растворителей является время, необходимое для выпаривания воды на производственной линии.4 Дефекты пленки, такие как белые пятна, могут возникнуть, если вода не была должным образом удалена из покрытия. покрытие 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 этого исследования мы выбрали схему отверждения, аналогичную той, которая используется на линии УФ-отверждения на основе растворителей. На рисунке 3 показан график нанесения, сушки, отверждения и упаковки, использованный в нашем исследовании. Этот график сушки обеспечивает улучшение общей скорости линии на 50–60 % по сравнению с текущим рыночным стандартом в столярных и столярных изделиях.
РИСУНОК 3 | График нанесения, сушки, отверждения и упаковки.
Ниже приведены условия нанесения и отверждения, которые мы использовали для нашего исследования:
●Нанесение распылением на кленовый шпон черного базового покрытия.
●30-секундная вспышка комнатной температуры.
● Сушильный шкаф при 140 °F в течение 2,5 минут (конвекционная печь).
●УФ-отверждение – интенсивность около 800 мДж/см2.
- Прозрачные покрытия отверждали с помощью ртутной лампы.
- Пигментированные покрытия отверждались с помощью комбинированной ртутно-галлиевой лампы.
●Остывание в течение 1 минуты перед укладкой.
В ходе нашего исследования мы также напылили влажную пленку трех разных толщин, чтобы проверить, будут ли реализованы и другие преимущества, такие как меньшее количество слоев. 4 мила во влажном состоянии являются типичными для WB UV. В это исследование мы также включили нанесение мокрого покрытия толщиной 6 и 8 мил.
Результаты отверждения
Стандарт № 1, глянцевое прозрачное покрытие, результаты показаны на рисунке 4. Прозрачное УФ-покрытие WB было нанесено на древесноволокнистую плиту средней плотности (МДФ), предварительно покрытую черным базовым покрытием и отвержденную в соответствии с графиком, показанным на рисунке 3. При влажности 4 мил покрытие проходит. Однако при влажном нанесении толщиной 6 и 8 мил покрытие растрескалось, и толщина 8 мил была легко удалена из-за плохого выделения воды перед отверждением УФ-излучением.
РИСУНОК 4 | Стандарт №1.
Аналогичный результат также виден в Стандарте № 2, показанном на рисунке 5.
РИСУНОК 5 | Стандарт №2.
Как показано на рисунке 6, при использовании той же схемы отверждения, что и на рисунке 3, PUD #65215A продемонстрировал значительное улучшение выделения воды/высыхания. При толщине влажной пленки 8 мил на нижней кромке образца наблюдалось небольшое растрескивание.
РИСУНОК 6 | ПУД №65215А.
Дополнительные испытания PUD#65215A в прозрачном покрытии с низким глянцем и пигментированном покрытии на том же МДФ с черным базовым покрытием были оценены для оценки характеристик выделения воды в других типичных составах покрытий. Как показано на рисунке 7, состав с низким блеском при влажном нанесении толщиной 5 и 7 мил высвобождает воду и образует хорошую пленку. Однако при влажности 10 мил он был слишком толстым, чтобы выделять воду в соответствии с графиком сушки и отверждения, показанным на рисунке 3.
РИСУНОК 7 | Низкоглянцевый PUD № 65215A.
В формуле с белым пигментом PUD #65215A показал хорошие результаты при той же схеме высыхания и отверждения, описанной на рисунке 3, за исключением случая нанесения при влажности 8 мил. Как показано на рисунке 8, пленка трескается при толщине 8 мил из-за плохого выделения воды. В целом, в прозрачных, слабоглянцевых и пигментированных составах PUD#65215A показал хорошие результаты при формировании пленки и высыхании при нанесении до 7 мил влажным и отвержденным при ускоренном графике сушки и отверждения, описанном на рисунке 3.
РИСУНОК 8 | Пигментированный ПУД №65215А.
Блокировка результатов
Устойчивость к слипанию представляет собой способность покрытия не прилипать к другому покрытому изделию при укладке друг на друга. В производстве это часто является узким местом, поскольку отвержденному покрытию требуется время, чтобы достичь устойчивости к слипанию. Для этого исследования пигментированные составы стандарта № 1 и PUD № 65215A наносились на стекло при плотности 5 влажных милов с использованием стержня для понижения давления. Каждая из них отверждалась в соответствии со схемой отверждения, показанной на Рисунке 3. Две стеклянные панели с покрытием отверждались одновременно – через 4 минуты после отверждения панели были скреплены вместе, как показано на Рисунке 9. Они оставались скрепленными вместе при комнатной температуре в течение 24 часов. . Если панели легко отделялись без отпечатков или повреждений панелей с покрытием, испытание считалось пройденным.
На рисунке 10 показано улучшенное сопротивление блокированию PUD#65215A. Хотя и Стандарт №1, и ПУД №65215А достигли полного отверждения в предыдущем тесте, только ПУД №65215А продемонстрировал достаточное выделение воды и отверждение для достижения устойчивости к слипанию.
РИСУНОК 9 | Иллюстрация теста сопротивления блокировке.
РИСУНОК 10 | Блокирующее сопротивление стандарта № 1, за которым следует PUD № 65215A.
Результаты смешивания акрила
Производители покрытий часто смешивают смолы WB, отверждаемые УФ-излучением, с акриловыми красками, чтобы снизить стоимость. В рамках нашего исследования мы также рассмотрели возможность смешивания PUD#65215A с NeoCryl® XK-12, акрилом на водной основе, который часто используется в качестве компонента для смешивания с УФ-отверждаемыми PUD на водной основе на рынке столярных и столярных изделий. Для этого рынка тестирование на пятна KCMA считается стандартом. В зависимости от конечного применения некоторые химикаты станут более важными для производителя изделия с покрытием, чем другие. Оценка 5 – лучшая, оценка 1 – худшая.
Как показано в Таблице 3, PUD #65215A показывает исключительно хорошие результаты при тестировании на пятна KCMA в качестве высокоглянцевого прозрачного покрытия, слабоглянцевого прозрачного покрытия и пигментированного покрытия. Даже при смешивании 1:1 с акрилом результаты испытаний на пятна KCMA существенно не ухудшаются. Даже при окрашивании такими средствами, как горчица, покрытие восстанавливалось до приемлемого уровня через 24 часа.
ТАБЛИЦА 3 | Химическая стойкость и стойкость к пятнам (лучшая оценка — 5).
В дополнение к тестированию на пятна KCMA производители также проверяют на отверждение сразу после отверждения УФ-излучением с линии. Часто в этом тесте эффект смешивания акрила можно заметить сразу после линии отверждения. Ожидается, что после 20 двойных протираний изопропиловым спиртом (20 капель IPA) прорыва покрытия не произойдет. Образцы тестируются через 1 минуту после УФ-отверждения. В ходе наших испытаний мы увидели, что смесь PUD#65215A с акрилом в соотношении 1:1 не прошла это испытание. Однако мы увидели, что PUD #65215A можно смешать с 25% акрила NeoCryl XK-12 и при этом пройти тест 20 IPA dr (NeoCryl — зарегистрированная торговая марка группы Covestro).
РИСУНОК 11 | 20 двойных протираний IPA через 1 минуту после УФ-отверждения.
Стабильность смолы
Также была протестирована стабильность PUD #65215A. Состав считается стабильным при хранении, если через 4 недели при температуре 40 °C pH не падает ниже 7, а вязкость остается стабильной по сравнению с исходной. Для наших испытаний мы решили подвергнуть образцы воздействию более суровых условий — до 6 недель при температуре 50 °C. В этих условиях Стандарты №1 и №2 оказались нестабильными.
Для нашего тестирования мы рассмотрели прозрачные материалы с высоким глянцем, прозрачные пленки с низким глянцем, а также пигментированные составы с низким глянцем, использованные в этом исследовании. Как показано на Фигуре 12, стабильность pH всех трех составов оставалась стабильной и превышала порог pH 7,0. Рисунок 13 иллюстрирует минимальное изменение вязкости через 6 недель при 50 °C.
РИСУНОК 12 | Стабильность pH состава PUD № 65215A.
РИСУНОК 13 | Стабильность вязкости формулы PUD #65215A.
Еще одно испытание, демонстрирующее стабильность PUD #65215A, заключалось в повторном тестировании устойчивости к пятнам KCMA состава покрытия, выдержанного в течение 6 недель при 50 °C, и сравнении этого показателя с его первоначальной устойчивостью к пятнам KCMA. Покрытия, которые не обладают хорошей стабильностью, будут терять эффективность окрашивания. Как показано на рисунке 14, PUD#65215A сохранил тот же уровень характеристик, что и при первоначальном тестировании на устойчивость к химическим веществам/пятнам пигментированного покрытия, показанного в таблице 3.
РИСУНОК 14 | Панели для химических испытаний пигментированных PUD № 65215A.
Выводы
Для тех, кто занимается нанесением УФ-отверждаемых покрытий на водной основе, PUD #65215A позволит им соответствовать текущим стандартам производительности на рынках столярных, деревянных и корпусных изделий, а также позволит повысить скорость процесса нанесения покрытия более чем на 50%. -60% по сравнению с существующими стандартными покрытиями на водной основе, отверждаемыми УФ-излучением. Для аппликатора это может означать:
●Более быстрое производство;
●Увеличенная толщина пленки снижает потребность в дополнительных слоях;
●Короткие линии сушки;
●Экономия энергии за счет снижения потребности в сушке;
●Меньше отходов из-за быстрого сопротивления слипанию;
●Уменьшение отходов покрытия благодаря стабильности смолы.
При содержании ЛОС менее 100 г/л производители также имеют больше возможностей достичь своих целей по ЛОС. Производителям, которые могут беспокоиться о расширении производства из-за проблем с разрешениями, PUD #65215A с быстрым высвобождением воды позволит им легче выполнять свои нормативные обязательства без ущерба для производительности.
В начале этой статьи мы цитировали из наших интервью, что специалисты по нанесению УФ-отверждаемых материалов на основе растворителей обычно сушат и отверждают покрытия в течение процесса, который занимает от 3 до 5 минут. В этом исследовании мы продемонстрировали, что в соответствии с процессом, показанным на рисунке 3, PUD #65215A отверждает влажную пленку толщиной до 7 мил за 4 минуты при температуре печи 140 °C. Это вполне соответствует большинству покрытий на основе растворителей, отверждаемых УФ-излучением. PUD № 65215A потенциально может позволить нынешним специалистам по нанесению УФ-отверждаемых материалов на основе растворителей перейти на УФ-отверждаемые материалы на водной основе с небольшими изменениями в их линии покрытия.
Производителям, рассматривающим возможность расширения производства, покрытия на основе PUD #65215A позволят:
●Экономьте деньги за счет использования более короткой линии нанесения покрытия на водной основе;
●Иметь меньшую площадь линии нанесения покрытия на предприятии;
●Оказать меньше влияния на действующее разрешение на ЛОС;
●Осуществите экономию энергии за счет снижения потребности в сушке.
В заключение, PUD #65215A поможет повысить эффективность производства линий для нанесения покрытий, отверждаемых УФ-излучением, благодаря высоким физическим свойствам и характеристикам быстрого выделения воды из смолы при сушке при 140 °C.
Время публикации: 14 августа 2024 г.
