Высокоэффективные УФ-отверждаемые покрытия уже много лет используются в производстве напольных покрытий, мебели и шкафов. На протяжении большей части этого времени доминирующей технологией на рынке были УФ-отверждаемые покрытия на 100% твердой и сольвентной основе. В последние годы технология УФ-отверждаемых покрытий на водной основе получила развитие. УФ-отверждаемые смолы на водной основе оказались полезным инструментом для производителей по ряду причин, включая прохождение испытаний на устойчивость к красителю KCMA, испытания на химическую стойкость и снижение содержания летучих органических соединений (ЛОС). Для дальнейшего развития этой технологии на рынке были определены несколько ключевых областей, требующих улучшения. Это позволит УФ-отверждаемым смолам на водной основе выйти за рамки простого наличия «обязательных» свойств, которыми обладают большинство смол. Они начнут добавлять ценные свойства покрытия, повышая ценность на каждом этапе цепочки создания стоимости: от разработчика рецептуры покрытия до производителя, установщика и, наконец, владельца.
Сегодня производители, особенно, стремятся к тому, чтобы покрытие не просто соответствовало техническим требованиям. Существуют и другие свойства, обеспечивающие преимущества в производстве, упаковке и монтаже. Одним из желаемых качеств является повышение эффективности производства. Для покрытий на водной основе это означает более быстрое удаление воды и более высокую устойчивость к слипанию. Другим желаемым качеством является повышение стабильности смолы для сохранения/повторного использования покрытия и управления запасами. Для конечного пользователя и монтажника желаемыми качествами являются лучшая устойчивость к полировке и отсутствие металлических следов во время монтажа.
В этой статье будут рассмотрены новые разработки в области водорастворимых полиуретанов, отверждаемых УФ-излучением, которые обеспечивают значительно улучшенную стабильность лакокрасочного покрытия при температуре 50 °C как в прозрачных, так и в пигментированных покрытиях. Также будет обсуждаться, как эти смолы удовлетворяют требованиям к нанесению покрытия, повышая скорость производственной линии за счет быстрого удаления воды, улучшенной устойчивости к слипанию и устойчивости к растворителям вне линии, что ускоряет операции по укладке и упаковке. Это также позволит снизить риск повреждений, которые иногда возникают вне линии. В статье также рассматриваются улучшения в устойчивости к пятнам и химическим веществам, важные для монтажников и владельцев.
Фон
Ландшафт лакокрасочной промышленности постоянно меняется. Простое соответствие техническим требованиям и разумная цена за миллиметр покрытия уже недостаточны. Ситуация с заводскими покрытиями для мебели, столярных изделий, напольных покрытий и корпусной мебели быстро меняется. От производителей, поставляющих покрытия на заводы, требуют сделать их более безопасными для сотрудников, исключить вещества, вызывающие опасения, заменить летучие органические соединения водой и даже использовать меньше ископаемого углерода и больше биоуглерода. В действительности, на протяжении всей цепочки создания стоимости каждый клиент требует от покрытия большего, чем просто соответствие техническим требованиям.
Увидев возможность повысить ценность производства, наша команда начала изучать на уровне завода проблемы, с которыми сталкиваются специалисты по нанесению покрытий. После многочисленных интервью мы начали выявлять некоторые общие темы:
- Получение разрешений препятствует достижению моих целей по расширению;
- Расходы растут, а наши капитальные бюджеты сокращаются;
- Расходы как на энергию, так и на персонал растут;
- Увольнение опытных сотрудников;
- Цели нашей корпорации в области административных и сбытовых расходов, а также цели моего клиента, должны быть достигнуты;
- Зарубежная конкуренция.
Эти темы привели к формулировкам ценностных предложений, которые начали находить отклик у производителей водорастворимых полиуретанов, отверждаемых УФ-излучением, особенно на рынке столярных и мебельных изделий, таких как: «производители столярных и мебельных изделий стремятся к повышению эффективности производства» и «производители хотят иметь возможность расширять производство на более коротких производственных линиях с меньшим количеством повреждений, связанных с переделкой, благодаря покрытиям с медленным водоотделением».
В таблице 1 показано, как для производителя сырья для лакокрасочных материалов улучшение определенных характеристик и физических свойств покрытия приводит к повышению эффективности, которую может получить конечный пользователь.
ТАБЛИЦА 1 | Характеристики и преимущества.
Разрабатывая УФ-отверждаемые полиуретановые дисперсии с определенными характеристиками, перечисленными в Таблице 1, производители конечного продукта смогут удовлетворить свои потребности в повышении эффективности производства. Это позволит им стать более конкурентоспособными и потенциально расширить текущее производство.
Результаты эксперимента и их обсуждение
История дисперсий полиуретана, отверждаемого УФ-излучением.
В 1990-х годах анионные полиуретановые дисперсии, содержащие акрилатные группы, присоединенные к полимеру, начали применяться в промышленности.1 Многие из этих применений связаны с упаковкой, чернилами и покрытиями для древесины. На рисунке 1 показана общая структура УФ-отверждаемого полиуретанового дисперсионного материала, демонстрирующая, как разрабатываются эти сырьевые материалы для покрытий.
РИСУНОК 1 | Типичная 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 сложными эфирами, диолами, гидрофильными группами и удлинителями цепи, используемыми для получения полиуретановых дисперсий.² Разница заключается в добавлении акрилатного функционального сложного эфира, эпоксидной смолы или эфиров, включенных на стадии предполимеризации при получении дисперсии. Выбор материалов, используемых в качестве строительных блоков, а также архитектура полимера и технология обработки определяют характеристики ПУД и их высыхания. Этот выбор сырья и технологии обработки приведет к получению УФ-отверждаемых ПУД, которые могут быть как непленочными, так и пленочными.³ Пленкообразующие, или высыхающие, типы являются предметом данной статьи.
Формирование пленки, или, как ее часто называют, сушка, приводит к образованию коалесцированных пленок, сухих на ощупь перед УФ-отверждением. Поскольку производители стремятся ограничить загрязнение покрытия частицами из воздуха, а также нуждаются в скорости производственного процесса, эти пленки часто сушат в печах в рамках непрерывного процесса перед УФ-отверждением. На рисунке 2 показан типичный процесс сушки и отверждения УФ-отверждаемого полиуретанового покрытия.
РИСУНОК 2 | Процесс отверждения полиуретановой дисперсии, отверждаемой УФ-излучением.
Обычно используется метод распыления. Однако применялись также методы нанесения шпателем поверх валика и даже сплошной слой. После нанесения покрытие, как правило, проходит четырехэтапный процесс, прежде чем его можно будет использовать повторно.
1. Быстрая очистка: 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 является критически важным и обычно занимает больше всего времени в процессе. Температура на этом этапе обычно превышает 140 °F (60 °C), а время сушки может составлять до 8 минут. Также могут использоваться многозонные сушильные печи.
- ИК-лампы и вентиляторы: Установка ИК-ламп и вентиляторов ускорит испарение воды еще больше.
3. Ультрафиолетовая полимеризация.
4. Охлаждение: После затвердевания покрытию потребуется некоторое время для достижения устойчивости к слипанию. Этот этап может занять до 10 минут, прежде чем будет достигнута устойчивость к слипанию.
Экспериментальный
В данном исследовании сравнивались две УФ-отверждаемые полиуретановые дисперсии (WB UV), используемые в настоящее время на рынке мебели и столярных изделий, с нашей новой разработкой, полиуретановой дисперсией № 65215A. В этом исследовании мы сравниваем Стандарт № 1 и Стандарт № 2 с полиуретановой дисперсией № 65215A по показателям высыхания, слипания и химической стойкости. Мы также оцениваем стабильность pH и вязкости, что может иметь решающее значение при рассмотрении возможности повторного использования излишков краски и срока годности. В таблице 2 ниже приведены физические свойства каждой из смол, использованных в этом исследовании. Все три системы были разработаны с аналогичным уровнем фотоинициатора, содержанием летучих органических соединений и твердых веществ. Все три смолы были разработаны с 3% сорастворителя.
ТАБЛИЦА 2 | Свойства полиуретановой смолы.
В ходе наших интервью нам сообщили, что большинство водорастворимых УФ-покрытий, используемых на рынке столярных и мебельных изделий, высыхают на производственной линии, что занимает от 5 до 8 минут до УФ-отверждения. В отличие от них, УФ-покрытия на основе растворителей высыхают за 3-5 минут. Кроме того, на этом рынке покрытия обычно наносятся влажным слоем толщиной 4-5 мил. Основным недостатком водорастворимых УФ-отверждаемых покрытий по сравнению с УФ-отверждаемыми альтернативами на основе растворителей является время, необходимое для удаления 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 задерживается внутри пленки во время УФ-отверждения.⁵
Для данного исследования мы выбрали схему отверждения, аналогичную той, которая используется на линиях УФ-отверждаемых покрытий на основе растворителей. На рисунке 3 показана схема нанесения, сушки, отверждения и упаковки, использованная в нашем исследовании. Эта схема сушки обеспечивает повышение общей скорости линии на 50–60% по сравнению с текущим рыночным стандартом в столярном и мебельном производстве.
РИСУНОК 3 | Схема нанесения, сушки, отверждения и упаковки.
Ниже приведены условия нанесения и отверждения, которые мы использовали в нашем исследовании:
●Нанесение методом распыления на кленовый шпон с использованием черной базовой краски.
●30-секундная вспышка при комнатной температуре.
●Сушильная печь с температурой 140 °F (60 °C) в течение 2,5 минут (конвекционная печь).
●УФ-отверждение – интенсивность около 800 мДж/см2.
- Прозрачные покрытия отверждались с помощью ртутной лампы.
- Пигментированные покрытия отверждались с помощью комбинированной ртутно-галлиевой лампы.
●Перед штабелированием дайте остыть в течение 1 минуты.
В рамках нашего исследования мы также наносили три различных слоя покрытия разной толщины, чтобы выяснить, будут ли достигнуты другие преимущества, такие как сокращение количества слоев. 4 мила — это типичная толщина для УФ-покрытия на водной основе. В этом исследовании мы также включили нанесение покрытий толщиной 6 и 8 мил.
Результаты лечения
Результаты испытаний стандарта №1, представляющего собой глянцевое прозрачное покрытие, показаны на рисунке 4. Прозрачное УФ-покрытие наносилось на древесноволокнистую плиту средней плотности (МДФ), предварительно покрытую черной базовой краской, и отверждалось в соответствии с графиком, показанным на рисунке 3. При толщине слоя 4 мил покрытие соответствует требованиям. Однако при толщине слоя 6 и 8 мил покрытие растрескивалось, а слой толщиной 8 мил легко удалялся из-за плохого водоотталкивающего действия перед УФ-отверждением.
РИСУНОК 4 | Стандарт №1.
Аналогичный 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, полиуретановая пленка PUD #65215A продемонстрировала значительное улучшение влагоотделения/сушки. 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 были проведены дополнительные испытания PUD# 65215A в виде матового прозрачного покрытия и пигментированного покрытия на той же МДФ с черной базовой основой. Как показано на рисунке 7, матовое покрытие при нанесении влажным слоем толщиной 5 и 7 мил отдавало воду и образовывало хорошую пленку. Однако при толщине 10 мил оно оказалось слишком толстым для отвода воды в соответствии с режимом сушки и отверждения, показанным на рисунке 3.
РИСУНОК 7 | Низкоглянцевая полиакриловая паста № 65215A.
В белой пигментированной формуле PUD #65215A показал хорошие результаты при той же схеме сушки и отверждения, описанной на рисунке 3, за исключением случая нанесения слоем толщиной 8 мил во влажном состоянии. Как показано на рисунке 8, пленка трескается при толщине 8 мил из-за плохого водоотделения. В целом, в прозрачных, низкоглянцевых и пигментированных составах PUD #65215A показал хорошие результаты в формировании пленки и сушке при нанесении слоем толщиной до 7 мил во влажном состоянии и отверждении по ускоренной схеме сушки и отверждения, описанной на рисунке 3.
РИСУНОК 8 | Пигментированная полиуретановая пудра № 65215A.
Результаты блокировки
Стойкость к слипанию — это способность покрытия не прилипать к другим покрытым изделиям при штабелировании. В производстве это часто становится узким местом, если для достижения стойкости к слипанию после отверждения требуется время. Для данного исследования пигментированные составы Standard #1 и PUD #65215A наносились на стекло слоем толщиной 5 мил с помощью разметочного стержня. Каждый из них отверждался в соответствии с графиком отверждения, представленным на рисунке 3. Две покрытые стеклянные панели отверждались одновременно — через 4 минуты после отверждения панели зажимались 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 показана улучшенная устойчивость к слипанию полиуретанового покрытия PUD# 65215A. Хотя и стандартное покрытие Standard #1, и полиуретановое покрытие PUD #65215A полностью отвердились в предыдущем испытании, только PUD #65215A продемонстрировало достаточное выделение воды и отверждение для достижения устойчивости к слипанию.
РИСУНОК 9 | Иллюстрация теста на сопротивление блокировке.
РИСУНОК 10 | Сопротивление блокировки стандарта № 1, за которым следует PUD № 65215A.
Результаты смешивания акриловых красок
Производители покрытий часто смешивают водорастворимые УФ-отверждаемые смолы с акриловыми смолами для снижения стоимости. В нашем исследовании мы также рассмотрели смешивание PUD#65215A с NeoCryl® XK-12, водорастворимой акриловой смолой, часто используемой в качестве добавки к водорастворимым УФ-отверждаемым полиуретановым смолам в столярной и мебельной промышленности. Для этого рынка стандартным считается тестирование на пятна KCMA. В зависимости от конечного применения, некоторые химические вещества становятся более важными для производителя покрываемого изделия, чем другие. Оценка 5 — наилучший результат, оценка 1 — наихудший.
Как показано в таблице 3, PUD #65215A демонстрирует исключительно хорошие результаты в тестах на окрашивание KCMA в качестве высокоглянцевого прозрачного покрытия, низкоглянцевого прозрачного покрытия и пигментированного покрытия. Даже при смешивании с акрилом в соотношении 1:1 результаты тестов на окрашивание KCMA существенно не изменяются. Даже при окрашивании такими веществами, как горчица, покрытие восстанавливает приемлемый уровень через 24 часа.
ТАБЛИЦА 3 | Химическая стойкость и устойчивость к пятнам (оценка 5 — наилучшая).
Помимо тестирования на пятна KCMA, производители также проверяют отверждение сразу после УФ-отверждения, сразу после схода с линии. Часто эффект от добавления акрила становится заметен сразу после схода с линии отверждения в этом тесте. Ожидается, что после 20 двойных протираний изопропиловым спиртом (20 IPA dr) не произойдет прорыва покрытия. Образцы тестируются через 1 минуту после УФ-отверждения. В ходе наших испытаний мы обнаружили, 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 при этом тест с 20 IPA dr пройдет успешно (NeoCryl является зарегистрированной торговой маркой группы Covestro).
РИСУНОК 11 | 20 двойных протираний изопропиловым спиртом, через 1 минуту после УФ-отверждения.
Стабильность смолы
Также была проверена стабильность PUD #65215A. Состав считается стабильным при хранении, если после 4 недель при 40 °C pH не опускается ниже 7, а вязкость остается стабильной по сравнению с исходной. Для наших испытаний мы решили подвергнуть образцы более жестким условиям — до 6 недель при 50 °C. В этих условиях образцы Standard #1 и #2 оказались нестабильными.
Для проведения испытаний мы исследовали глянцевый прозрачный лак, матовый прозрачный лак, а также матовый пигментированный лак, использованные в этом исследовании. Как показано на рисунке 12, стабильность pH всех трех лаков оставалась стабильной и превышала пороговое значение pH 7,0. На рисунке 13 показано минимальное изменение вязкости после 6 недель при температуре 50 °C.
РИСУНОК 12 | Стабильность pH разработанного PUD #65215A.
РИСУНОК 13 | Вязкостная стабильность разработанного полиуретанового раствора № 65215A.
Еще одним тестом, демонстрирующим стабильность PUD #65215A, было повторное тестирование стойкости к пятнам KCMA состава покрытия, выдержанного в течение 6 недель при 50 °C, и сравнение полученных результатов с исходной стойкостью к пятнам KCMA. Покрытия, не демонстрирующие хорошей стабильности, будут демонстрировать снижение устойчивости к пятнам. Как показано на рисунке 14, PUD #65215A сохранил тот же уровень характеристик, что и при первоначальном тестировании химической стойкости/стойкости к пятнам пигментированного покрытия, представленного в таблице 3.
РИСУНОК 14 | Панели для химического анализа пигментированного полиуретанового раствора № 65215A.
Выводы
Для производителей УФ-отверждаемых покрытий на водной основе, PUD #65215A позволит соответствовать современным стандартам качества на рынках столярных, деревообрабатывающих и мебельных изделий, а также обеспечит повышение скорости производственной линии более чем на 50-60% по сравнению с существующими стандартными УФ-отверждаемыми покрытиями на водной основе. Для производителя это может означать следующее:
●Ускоренное производство;
●Увеличение толщины пленки снижает необходимость нанесения дополнительных слоев;
●Более короткие линии сушки;
●Экономия энергии за счет снижения потребности в сушке;
●Меньше брака благодаря быстрому снижению сопротивления заклиниванию;
●Снижение количества отходов при нанесении покрытия благодаря стабильности смолы.
Благодаря содержанию летучих органических соединений (ЛОС) менее 100 г/л, производители также получают больше возможностей для достижения целевых показателей по содержанию ЛОС. Для производителей, которые могут испытывать опасения по поводу расширения производства из-за проблем с разрешениями, быстродействующий водоотводящий продукт PUD #65215A позволит им легче выполнять свои нормативные обязательства без ущерба для производительности.
В начале этой статьи мы привели результаты наших интервью, согласно которым нанесение УФ-отверждаемых материалов на основе растворителей обычно занимает от 3 до 5 минут. В данном исследовании мы продемонстрировали, что, согласно процессу, показанному на рисунке 3, PUD #65215A отверждает влажную пленку толщиной до 7 мил за 4 минуты при температуре печи 140 °C. Это вполне соответствует диапазону большинства УФ-отверждаемых покрытий на основе растворителей. PUD #65215A потенциально может позволить нынешним производителям УФ-отверждаемых материалов на основе растворителей перейти на УФ-отверждаемые материалы на водной основе с минимальными изменениями в их производственной линии.
Для производителей, рассматривающих расширение производства, покрытия на основе PUD #65215A позволят:
●Экономия средств за счет сокращения длины линии нанесения покрытий на водной основе;
●Занимает меньшую площадь линии нанесения покрытия на предприятии;
●Оказывают меньшее воздействие на действующее разрешение на выбросы летучих органических соединений;
●Экономия энергии за счет снижения потребности в сушке.
В заключение, полиуретановая дисперсия PUD #65215A поможет повысить эффективность производства УФ-отверждаемых покрытий благодаря высоким физическим свойствам и быстрому влагоотделению смолы при сушке при температуре 140 °C.
Дата публикации: 14 августа 2024 г.
