Високоефективні УФ-відверджувані покриття вже багато років використовуються у виробництві підлоги, меблів і шаф. Протягом більшої частини цього часу домінуючою технологією на ринку були 100% тверді покриття на основі розчинників, що відверджувалися УФ-променями. В останні роки технологія покриття на водній основі, що відверджується УФ-променями, зросла. УФ-відверджувані смоли на водній основі виявилися корисним інструментом для виробників з різних причин, включаючи проходження фарбування KCMA, випробування на хімічну стійкість і зниження ЛОС. Для того, щоб ця технологія продовжувала розвиватися на цьому ринку, кілька рушійних сил було визначено як ключові області, де необхідно внести вдосконалення. Вони виведуть смоли на водній основі, що твердіють під дією ультрафіолетового випромінювання, за межі простого «обов’язкового», яким володіє більшість смол. Вони почнуть додавати цінні властивості до покриття, приносячи цінність кожній позиції вздовж ланцюга створення вартості від виробника покриття до фабричного аплікатора до монтажника і, нарешті, до власника.
Виробники, особливо сьогодні, бажають мати покриття, яке б не просто відповідало специфікаціям. Існують також інші властивості, які забезпечують переваги у виробництві, пакуванні та встановленні. Одним із бажаних атрибутів є підвищення ефективності установки. Для покриття на водній основі це означає швидше виділення води та більш швидкий опір блокуванню. Іншим бажаним атрибутом є покращення стабільності смоли для захоплення/повторного використання покриття та управління їх запасами. Для кінцевого користувача та інсталятора бажаними атрибутами є краща стійкість до вигоряння та відсутність металевих позначок під час встановлення.
У цій статті обговорюватимуться нові розробки поліуретанів на водній основі, що твердіють під дією УФ-променів, які забезпечують значно покращену стабільність фарби при температурі 50 °C у прозорих і пігментованих покриттях. У ньому також обговорюється, як ці смоли сприяють бажаним характеристикам пристрою для нанесення покриттів у збільшенні швидкості лінії за рахунок швидкого виділення води, покращеної стійкості до блокування та стійкості до розчинників поза межами лінії, що покращує швидкість операцій укладання та пакування. Це також зменшить пошкодження, які іноді виникають поза мережею. У цій статті також обговорюються покращення, продемонстровані у стійкості до плям і хімічних речовин, важливі для монтажників і власників.
Фон
Ландшафт промисловості покриттів постійно розвивається. Простого проходження специфікації за розумною ціною за нанесений міл просто недостатньо. Ландшафт заводських покриттів для шаф, столярних виробів, підлоги та меблів швидко змінюється. Розробників, які постачають покриття на заводи, просять зробити покриття безпечнішими для працівників, видалити речовини, що викликають серйозне занепокоєння, замінити ЛОС водою і навіть використовувати менше викопного вуглецю та більше біовуглецю. Реальність така, що по всьому ланцюжку створення вартості кожен клієнт вимагає від покриття не тільки відповідності специфікаціям.
Побачивши можливість створити більше цінності для фабрики, наша команда почала досліджувати на рівні фабрики проблеми, з якими стикаються аплікатори. Після багатьох інтерв’ю ми почали чути деякі спільні теми:
- Перешкоди дозволу заважають моїм цілям розширення;
- Витрати зростають, а наші капітальні бюджети зменшуються;
- Зростають витрати як на енергію, так і на персонал;
- Втрата досвідчених співробітників;
- Наші корпоративні загальні та адміністративні цілі, а також цілі мого клієнта мають бути досягнуті; і
- Конкурс за кордоном.
Ці теми призвели до заяв про цінність, які почали резонувати серед аплікаторів поліуретанів на водній основі, що твердіють під дією УФ-променів, особливо на ринку столярних виробів і меблів, наприклад: «виробники столярних виробів і меблів прагнуть покращити ефективність заводів» і «виробники хочу можливість розширити виробництво на коротших виробничих лініях із меншим пошкодженням після переробки завдяки покриттям із властивостями повільного водовідведення».
Таблиця 1 ілюструє, як для виробника сировини для покриттів покращення певних атрибутів покриття та фізичних властивостей призводить до ефективності, яку може досягти кінцевий користувач.
ТАБЛИЦЯ 1 | Атрибути та переваги.
Розробляючи УФ-отверждаемые PUD з певними властивостями, перерахованими в таблиці 1, виробники кінцевого використання зможуть задовольнити свої потреби щодо підвищення ефективності виробництва. Це дозволить їм бути більш конкурентоспроможними та потенційно дозволить розширити поточне виробництво.
Експериментальні результати та їх обговорення
Історія поліуретанових дисперсій, що твердіють УФ-променями
У 1990-х роках комерційне використання аніонних поліуретанових дисперсій, що містять акрилатні групи, приєднані до полімеру, почало використовуватися в промисловості.1 Багато з цих застосувань стосувалися упаковки, чорнила та покриття для деревини. На малюнку 1 показано загальну структуру PUD, що твердіє УФ-променями, демонструючи, як розроблено цю сировину для покриття.
МАЛЮНОК 1 | Загальна акрилатна функціональна поліуретанова дисперсія.3
Як показано на малюнку 1, поліуретанові дисперсії, що твердіють під дією ультрафіолетового випромінювання (PUD, які твердіють ультрафіолетом), складаються з типових компонентів, які використовуються для виготовлення поліуретанових дисперсій. Аліфатичні діізоціанати реагують із типовими складними ефірами, діолами, групами гідрофілізації та подовжувачами ланцюгів, які використовуються для виготовлення поліуретанових дисперсій.2 Різниця полягає в додаванні акрилатного функціонального складного ефіру, епоксиду або простих ефірів, включених на стадію форполімерування під час виготовлення дисперсії. . Вибір матеріалів, які використовуються як будівельні блоки, а також полімерна архітектура та обробка визначають продуктивність та характеристики сушіння PUD. Цей вибір у сировині та обробці призведе до УФ-затвердіння PUD, які можуть не утворювати плівку, а також ті, які утворюють плівку.3 Типи плівкоутворення або сушіння є предметом цієї статті.
Формування плівки або, як її часто називають, сушіння, дає змогу отримувати злиті плівки, сухі на дотик перед затвердінням УФ. Оскільки аплікатори бажають обмежити повітряне забруднення покриття частинками, а також потребують швидкості в процесі виробництва, їх часто сушать у печах як частину безперервного процесу перед УФ-затвердінням. На малюнку 2 показано типовий процес сушіння та затвердіння PUD, що отверждається УФ-променями.
МАЛЮНОК 2 | Процес затвердіння PUD, що затверджується УФ-променями.
Використовується метод нанесення, як правило, розпиленням. Тим не менш, використовувався ніж на рулоні та навіть заливне пальто. Після нанесення покриття зазвичай проходить чотириетапний процес, перш ніж його знову використовувати.
1. Спалах: це можна зробити при кімнатній або високій температурі від кількох секунд до кількох хвилин.
2. Сушіння в духовці: це місце, де вода та допоміжні розчинники виводяться з покриття. Цей крок є критичним і зазвичай займає найбільше часу в процесі. Цей крок зазвичай відбувається при >140 °F і триває до 8 хвилин. Також можуть бути використані багатозональні сушарки.
- ІЧ-лампа і рух повітря: установка ІЧ-ламп і вентиляторів руху повітря прискорить спалах води ще швидше.
3. УФ лікування.
4. Охолодження: після затвердіння покриття має затвердіти протягом деякого часу, щоб досягти стійкості до блокування. Цей крок може зайняти до 10 хвилин, перш ніж буде досягнуто опору блокуванню
Експериментальний
У цьому дослідженні порівнювалися два PUD, що твердіють під дією ультрафіолетового випромінювання (WB UV), які зараз використовуються на ринку столярних виробів, із нашою новою розробкою PUD # 65215A. У цьому дослідженні ми порівнюємо стандарт №1 і стандарт №2 з PUD №65215A щодо висихання, блокування та хімічної стійкості. Ми також оцінюємо стабільність рН і стабільність в'язкості, що може бути критичним при розгляді питання про повторне розпилення та термін придатності. Нижче в таблиці 2 наведено фізичні властивості кожної зі смол, використаних у цьому дослідженні. Усі три системи були розроблені з однаковим рівнем фотоініціатора, летких органічних сполук і рівнем твердої речовини. Всі три смоли були складені з 3% співрозчинником.
ТАБЛИЦЯ 2 | Властивості смоли PUD.
Під час наших інтерв’ю нам сказали, що більшість покриттів WB-UV на ринках столярних виробів і меблів висихають на виробничій лінії, що займає від 5 до 8 хвилин до УФ-затвердіння. Навпаки, УФ-лінія на основі розчинника (SB-UV) висихає за 3-5 хвилин. Крім того, для цього ринку покриття зазвичай наносять 4-5 міл у вологому стані. Основним недоліком водорозчинних покриттів, що відверджуються ультрафіолетовим випромінюванням, у порівнянні з альтернативами, що відверджуються під дією ультрафіолетового випромінювання на основі розчинників, є час, необхідний для очищення води на виробничій лінії.4 Дефекти плівки, такі як білі плями, виникнуть, якщо вода не була належним чином видалена з поверхні. покриття перед УФ-затвердінням. Це також може статися, якщо товщина вологої плівки занадто велика. Ці білі плями утворюються, коли вода потрапляє всередину плівки під час УФ-затвердіння.5
Для цього дослідження ми обрали графік затвердіння, подібний до того, який буде використовуватися на лінії на основі розчинника, що затверджується УФ-променями. На малюнку 3 показано наш графік нанесення, сушіння, затвердіння та пакування, використаний для нашого дослідження. Цей графік сушіння забезпечує від 50% до 60% покращення загальної швидкості лінії порівняно з поточним ринковим стандартом для столярних виробів і шаф.
МАЛЮНОК 3 | Графік нанесення, сушіння, затвердіння та пакування.
Нижче наведено умови застосування та затвердіння, які ми використовували для нашого дослідження:
●Нанесення чорного базового шару на кленовий шпон розпиленням.
●30-секундний спалах кімнатної температури.
● Сушильна шафа при 140 °F протягом 2,5 хвилин (конвекційна піч).
●УФ-затвердіння – інтенсивність близько 800 мДж/см2.
- Прозорі покриття затверділи за допомогою ртутної лампи.
- Пігментовані покриття полімеризували за допомогою комбінованої Hg/Ga лампи.
●1 хвилина охолодження перед складанням.
Для нашого дослідження ми також нанесли три різні товщини вологої плівки, щоб побачити, чи будуть також реалізовані інші переваги, такі як менша кількість шарів. 4 mils у вологому стані є типовим для WB UV. Для цього дослідження ми також включили нанесення мокрого покриття 6 і 8 mils.
Результати лікування
Стандарт №1, високоглянцеве прозоре покриття, результати показані на малюнку 4. Прозоре покриття WB УФ було нанесено на деревноволокнисту плиту середньої щільності (МДФ), попередньо покриту чорним базовим шаром, і затверділа згідно зі схемою, наведеною на малюнку 3. На 4 mils вологе покриття проходить. Однак при мокрому нанесенні 6 і 8 мілі покриття потріскалося, і 8 мілі було легко видалено через погане виділення води перед затвердінням УФ.
МАЛЮНОК 4 | Стандарт №1.
Подібний результат також можна побачити в стандарті №2, показаному на рисунку 5.
МАЛЮНОК 5 | Стандарт №2.
Показано на малюнку 6, використовуючи той самий графік затвердіння, що й на малюнку 3, PUD №65215A продемонстрував надзвичайне покращення виділення води/висихання. При товщині вологої плівки 8 мілі спостерігалося невелике розтріскування на нижньому краю зразка.
МАЛЮНОК 6 | ПУД №65215А.
Додаткове випробування PUD# 65215A у низькоглянцевому прозорому покритті та пігментованому покритті на тому самому MDF з чорним базовим покриттям було оцінено для оцінки характеристик водовідділення в інших типових складах покриттів. Як показано на малюнку 7, композиція з низьким блиском при вологому нанесенні 5 і 7 mils вивільняла воду та утворювала гарну плівку. Однак при вологості 10 mils він був надто товстим, щоб випустити воду згідно з графіком сушіння та затвердіння на малюнку 3.
МАЛЮНОК 7 | Низькоглянцевий PUD №65215A.
У формулі з білим пігментом PUD №65215A показав хороші результати за тим же графіком висихання та затвердіння, який описано на малюнку 3, за винятком випадків нанесення 8 міл у вологому стані. Як показано на малюнку 8, плівка тріскається на 8 мілі через погане виділення води. Загалом у прозорих, малоглянцевих і пігментованих композиціях PUD# 65215A добре показав себе при утворенні плівки та висиханні при нанесенні до 7 mils у вологому стані та затвердінні за графіком прискореного висихання та затвердіння, описаним на малюнку 3.
МАЛЮНОК 8 | Пігментований PUD №65215A.
Блокування результатів
Стійкість до злипань — це здатність покриття не прилипати до іншого виробу з покриттям при складанні. У виробництві це часто є вузьким місцем, якщо потрібен час, щоб затверділе покриття досягло стійкості до блокування. Для цього дослідження пігментовані склади стандарту #1 і PUD #65215A наносили на скло при 5 вологих мілях за допомогою брусу. Кожну з них затверділи відповідно до графіка затвердіння на малюнку 3. Дві скляні панелі з покриттям затверділи одночасно – через 4 хвилини після затвердіння панелі були скріплені разом, як показано на малюнку 9. Вони залишалися скріпленими разом при кімнатній температурі протягом 24 годин. . Якщо панелі легко відокремлювалися без відбитка чи пошкодження панелей з покриттям, тоді тест вважався успішним.
На малюнку 10 показано покращений опір блокуванню PUD# 65215A. Незважаючи на те, що як стандарт №1, так і PUD №65215A досягли повного затвердіння в попередньому тесті, лише PUD №65215A продемонстрував достатнє виділення води та затвердіння для досягнення стійкості до блокування.
МАЛЮНОК 9 | Ілюстрація тесту на стійкість до блокування.
МАЛЮНОК 10 | Стійкість до блокування стандарту №1, а потім PUD №65215A.
Результати змішування акрилу
Виробники покриттів часто змішують смоли WB, що твердіють УФ-променями, з акриловими, щоб знизити вартість. У нашому дослідженні ми також розглядали змішування PUD № 65215A з NeoCryl® XK-12, акрилом на водній основі, який часто використовується як партнер для змішування PUD на водній основі, що отверджується під дією УФ-променів, на ринку столярних виробів і меблів. Для цього ринку тестування плям KCMA вважається стандартом. Залежно від кінцевого застосування деякі хімічні речовини стануть важливішими за інші для виробника виробів з покриттям. Рейтинг 5 – найкращий, а 1 – найгірший.
Як показано в таблиці 3, PUD №65215A показує винятково хороші результати при тестуванні плям KCMA як прозоре покриття з високим блиском, прозоре покриття з низьким рівнем блиску та як пігментоване покриття. Навіть якщо змішати 1:1 з акрилом, тест KCMA на плями суттєво не впливає. Навіть при фарбуванні такими речовинами, як гірчиця, покриття відновилося до прийнятного рівня через 24 години.
ТАБЛИЦЯ 3 | Стійкість до хімічних речовин і плям (найкраще – 5).
На додаток до тестування плям KCMA, виробники також тестуватимуть на затвердіння відразу після УФ-затвердіння з лінії. Часто ефекти змішування акрилу будуть помічені відразу після лінії затвердіння в цьому тесті. Очікується, що після 20 подвійних втирань ізопропіловим спиртом (20 др IPA) не буде прориву покриття. Зразки тестують через 1 хвилину після УФ-затвердіння. Під час нашого тестування ми побачили, що суміш 1:1 PUD# 65215A з акрилом не пройшла цей тест. Проте ми побачили, що PUD №65215A можна змішати з 25% акрилу NeoCryl XK-12 і все одно пройти тест на 20 IPA dr (NeoCryl є зареєстрованою торговою маркою групи Covestro).
МАЛЮНОК 11 | 20 подвійних втирань IPA через 1 хвилину після УФ-затвердіння.
Стабільність смоли
Стабільність PUD №65215A також була перевірена. Композиція вважається стабільною при зберіганні, якщо через 4 тижні при 40 °C рН не падає нижче 7, а в’язкість залишається стабільною порівняно з початковою. Для нашого тестування ми вирішили піддати зразки суворішим умовам до 6 тижнів при 50 °C. За цих умов Стандарт №1 і №2 не були стабільними.
Для нашого тестування ми розглянули високоглянцеві прозорі, низькоглянцеві прозорі, а також низькоглянцеві пігментовані склади, які використовувалися в цьому дослідженні. Як показано на малюнку 12, стабільність рН усіх трьох композицій залишалася стабільною та перевищувала порогове значення рН 7,0. Рисунок 13 ілюструє мінімальну зміну в'язкості після 6 тижнів при 50 °C.
МАЛЮНОК 12 | Стабільність pH рецептури PUD №65215A.
МАЛЮНОК 13 | Стабільність в'язкості готового PUD №65215A.
Інший тест, що демонструє стабільність PUD №65215A, полягав у повторному тестуванні стійкості до утворення плям KCMA складу покриття, який витримувався протягом 6 тижнів при 50 °C, і порівнював його з початковою стійкістю до утворення плям KCMA. Покриття, які не виявляють належної стабільності, спостерігатимуть зниження ефективності фарбування. Як показано на малюнку 14, PUD № 65215A зберіг той самий рівень продуктивності, що й під час початкового тестування на стійкість до хімічних речовин/утворення плям пігментованого покриття, показаного в таблиці 3.
МАЛЮНОК 14 | Хімічні випробувальні панелі для пігментованого PUD №65215A.
Висновки
Для аплікаторів покриттів на водній основі, що твердіють ультрафіолетовим випромінюванням, PUD №65215A дозволить їм відповідати поточним стандартам продуктивності на ринках столярних, дерев’яних і меблевих виробів, а також дозволить підвищити швидкість лінії до понад 50 -60% порівняно з поточними стандартними покриттями на водній основі, що відверджуються УФ-променями. Для аплікатора це може означати:
●швидше виробництво;
●Збільшена товщина плівки зменшує потребу в додаткових шарах;
●Коротші лінії сушіння;
●Енергозбереження за рахунок зменшення потреби в сушінні;
●Менше брухту через швидкий опір блокуванню;
● Зменшення відходів покриття завдяки стабільності смоли.
З VOC менше ніж 100 г/л, виробники також можуть досягти своїх цілей VOC. Для виробників, які можуть хвилюватися щодо розширення через проблеми з дозволом, PUD №65215A з швидким вивільненням води дозволить їм легше виконувати свої нормативні зобов’язання без втрати продуктивності.
На початку цієї статті ми цитували наші інтерв’ю про те, що аплікатори матеріалів на основі розчинників, що твердіють під дією ультрафіолетового випромінювання, зазвичай сушать і полімеризують покриття в процесі, який займає від 3 до 5 хвилин. У цьому дослідженні ми продемонстрували, що згідно з процесом, показаним на малюнку 3, PUD №65215A затвердіє вологою плівкою товщиною до 7 мілі за 4 хвилини при температурі печі 140 °C. Це цілком відповідає більшості покриттів на основі розчинників, що твердіють УФ-променями. PUD №65215A може потенційно дозволити поточним аплікаторам матеріалів, що твердіють під дією УФ-променів на основі розчинників, перейти на матеріали, що твердіють під дією УФ-променів на водній основі, з невеликими змінами в лінії покриття.
Для виробників, які розглядають розширення виробництва, покриття на основі PUD №65215A дозволять їм:
●Економія грошей завдяки використанню коротшої лінії покриття на водній основі;
● Мати меншу площу лінії нанесення покриття на об’єкті;
●Зменшити вплив на поточний дозвіл ЛОС;
● Економія електроенергії завдяки зменшенню потреби в сушінні.
Підсумовуючи, PUD №65215A допоможе підвищити ефективність виробництва ліній для нанесення покриттів, що твердіють УФ-променями, завдяки високим фізичним властивостям і характеристикам швидкого виділення води смоли після сушіння при 140 °C.
Час публікації: 14 серпня 2024 р
