Високоефективні УФ-покриття використовуються у виробництві підлогових покриттів, меблів та шаф протягом багатьох років. Протягом більшої частини цього часу домінуючою технологією на ринку були 100% тверді та на основі розчинників УФ-покриття. В останні роки технологія УФ-покриття на водній основі отримала розвиток. УФ-покриття на водній основі виявилися корисним інструментом для виробників з різних причин, включаючи проходження випробувань на барвник KCMA, хімічну стійкість та зменшення вмісту летких органічних сполук. Для того, щоб ця технологія продовжувала зростати на цьому ринку, було визначено кілька рушійних сил як ключові області, де необхідно внести вдосконалення. Це виведе УФ-покриття на водній основі за рамки простого володіння «обов'язковими характеристиками», якими володіє більшість смол. Вони почнуть додавати цінні властивості покриттю, приносячи цінність кожній позиції вздовж ланцюжка створення вартості від розробника формул покриття до заводського нанесення, монтажника та, нарешті, власника.
Виробники, особливо сьогодні, бажають мати покриття, яке не просто відповідає вимогам специфікацій. Існують також інші властивості, що забезпечують переваги у виробництві, упаковці та монтажі. Однією з бажаних характеристик є підвищення ефективності виробництва. Для покриття на водній основі це означає швидше вивільнення води та кращу стійкість до злипання. Ще однією бажаною характеристикою є покращення стабільності смоли для захоплення/повторного використання покриття та управління своїми запасами. Для кінцевого користувача та монтажника бажаними характеристиками є краща стійкість до полірування та відсутність слідів від металу під час монтажу.
У цій статті обговорюються нові розробки у водних поліуретанах, що тверднуть під дією ультрафіолету, які забезпечують значно покращену стабільність фарби за температури 50 °C у прозорих, а також пігментованих покриттях. Також обговорюється, як ці смоли відповідають бажаним характеристикам нанесення покриттів, збільшуючи швидкість лінії завдяки швидкому вивільненню води, покращеній стійкості до злипання та стійкості до розчинників поза лінією, що підвищує швидкість операцій штабелювання та пакування. Це також покращить захист від пошкоджень поза лінією, які іноді трапляються. У цій статті також обговорюються покращення, продемонстровані у стійкості до плям та хімічних речовин, що важливо для монтажників та власників.
Передісторія
Ландшафт індустрії покриттів постійно змінюється. «Обов’язкових» вимог – просто відповідати специфікаціям за розумною ціною за одиницю нанесеного матеріалу – просто недостатньо. Ландшафт заводських покриттів для шаф, столярних виробів, підлогових покриттів та меблів швидко змінюється. Розробників рецептур, які постачають покриття на заводи, просять зробити покриття безпечнішими для нанесення працівниками, видалити речовини, що викликають занепокоєння, замінити леткі органічні сполуки водою та навіть використовувати менше викопного вуглецю та більше біовуглецю. Реальність така, що по всьому ланцюжку створення вартості кожен клієнт вимагає від покриття більше, ніж просто відповідати специфікаціям.
Побачивши можливість створити більше цінності для заводу, наша команда почала досліджувати на рівні заводу проблеми, з якими стикаються ці виробники. Після багатьох інтерв'ю ми почали чути деякі спільні теми:
- Допускання перешкод заважає моїм цілям розширення;
- Витрати зростають, а наші капітальні бюджети зменшуються;
- Витрати як на енергоносії, так і на персонал зростають;
- Втрата досвідчених працівників;
- Наші корпоративні цілі щодо комерційних та загальних витрат, а також цілі мого клієнта, мають бути досягнуті; та
- Закордонні змагання.
Ці теми призвели до заяв про ціннісні пропозиції, які почали резонувати з користувачами поліуретанів на водній основі, що тверднуть під дією ультрафіолетового випромінювання, особливо на ринку столярних виробів та меблевих виробів, таких як: «виробники столярних виробів та меблевих виробів прагнуть покращити ефективність виробництва» та «виробники хочуть мати можливість розширювати виробництво на коротших виробничих лініях з меншими пошкодженнями від повторної обробки завдяки покриттям з властивостями повільного вивільнення води».
У таблиці 1 показано, як для виробника сировини для покриттів покращення певних характеристик покриття та фізичних властивостей призводить до ефективності, яку може реалізувати кінцевий користувач.
ТАБЛИЦЯ 1 | Характеристики та переваги.
Розробляючи УФ-твердіючі PUD з певними характеристиками, переліченими в Таблиці 1, кінцеві виробники зможуть задовольнити свої потреби у підвищенні ефективності виробництва. Це дозволить їм бути більш конкурентоспроможними та потенційно розширити поточне виробництво.
Експериментальні результати та обговорення
Історія поліуретанових дисперсій, що тверднуть під дією ультрафіолетового випромінювання
У 1990-х роках аніонні поліуретанові дисперсії, що містять акрилатні групи, приєднані до полімеру, почали використовуватися в промисловості.1 Багато з цих застосувань були в упаковці, чорнилах та деревних покриттях. На рисунку 1 показано загальну структуру УФ-твердіючої поліуретанової дисперсії, що демонструє, як розроблені ці сировинні матеріали для покриття.
РИСУНОК 1 | Загальна дисперсія поліуретану з акрилатною функціональністю.3
Як показано на рисунку 1, поліуретанові дисперсії, що тверднуть під дією ультрафіолетового випромінювання (ПУД), складаються з типових компонентів, що використовуються для виготовлення поліуретанових дисперсій. Аліфатичні діізоціанати реагують з типовими естерами, діолами, гідрофілізуючими групами та подовжувачами ланцюга, що використовуються для виготовлення поліуретанових дисперсій.2 Різниця полягає в додаванні акрилатного функціонального естеру, епоксидної смоли або ефірів, що включаються на етапі попереднього полімеризації під час виготовлення дисперсії. Вибір матеріалів, що використовуються як будівельні блоки, а також архітектура та обробка полімеру, визначають продуктивність та характеристики сушіння ПУД. Цей вибір сировини та обробки призведе до створення ПУД, що тверднуть під дією ультрафіолетового випромінювання, які можуть бути як неплівкоутворюючими, так і плівкоутворюючими.3 Плівкоутворювальні або типи сушіння є предметом цієї статті.
Формування плівки, або, як його часто називають, сушіння, дає коалесцентні плівки, сухі на дотик перед УФ-затвердінням. Оскільки виробники покриття бажають обмежити забруднення покриття повітрям через частинки, а також потребують швидкості виробничого процесу, їх часто сушать у печах як частину безперервного процесу перед УФ-затвердінням. На рисунку 2 показано типовий процес сушіння та затвердіння УФ-затверджувальної полімерної плівки (PUD).
РИСУНОК 2 | Процес затвердіння PUD, що затвердіває УФ-випромінюванням.
Зазвичай використовується метод нанесення розпиленням. Однак використовувалися також нанесення валиком за допомогою шпателя та навіть затоплення. Після нанесення покриття зазвичай проходить чотириетапний процес, перш ніж його знову використовувати.
1. Спалах: Це можна робити за кімнатної або підвищеної температури протягом кількох секунд до кількох хвилин.
2. Сушіння в печі: саме на цьому етапі вода та співрозчинники витісняються з покриття. Цей етап є критично важливим і зазвичай займає найбільше часу в процесі. Зазвичай цей етап відбувається при температурі >140 °F і триває до 8 хвилин. Також можна використовувати багатозонні сушильні печі.
- ІЧ-лампа та рух повітря: встановлення ІЧ-ламп та вентиляторів руху повітря ще більше пришвидшить спалах води.
3. УФ-затвердіння.
4. Охолодження: Після затвердіння покриття потребує певного часу для досягнення стійкості до збивання. Цей крок може тривати до 10 хвилин, перш ніж буде досягнуто стійкості до збивання.
Експериментальний
У цьому дослідженні порівнювали два поліуретанові смоли (PUD), що тверднуть під дією ультрафіолету (WB UV), що наразі використовуються на ринку меблів та столярних виробів, з нашою новою розробкою PUD № 65215A. У цьому дослідженні ми порівнюємо Стандарт №1 та Стандарт №2 з PUD № 65215A щодо висихання, злипання та хімічної стійкості. Ми також оцінюємо стабільність pH та стабільність в'язкості, що може бути критично важливим при розгляді повторного використання надлишкового розпилення та терміну придатності. Нижче в Таблиці 2 наведено фізичні властивості кожної зі смол, що використовувалися в цьому дослідженні. Всі три системи були розроблені з подібним рівнем фотоініціатора, ЛОС та вмістом твердих речовин. Всі три смоли були розроблені з 3% співрозчинника.
ТАБЛИЦЯ 2 | Властивості смоли PUD.
В інтерв'ю нам розповіли, що більшість покриттів WB-UV на ринках столярних виробів та меблевих виробів висихають на виробничій лінії, що займає від 5 до 8 хвилин перед УФ-затвердінням. Для порівняння, лінія УФ-затвердіння на основі розчинника (SB-UV) висихає за 3-5 хвилин. Крім того, для цього ринку покриття зазвичай наносяться у вологому стані завтовшки 4-5 міл. Основним недоліком водорозчинних покриттів, що затвердівають УФ-затвердівають, порівняно з альтернативами на основі розчинника, що затвердівають УФ-затвердівають, є час, необхідний для видалення води з покриття на виробничій лінії.4 Дефекти плівки, такі як білі плями, виникатимуть, якщо вода не була належним чином видалена з покриття перед УФ-затвердінням. Це також може статися, якщо товщина вологої плівки занадто велика. Ці білі плями утворюються, коли вода потрапляє всередині плівки під час УФ-затвердіння.5
Для цього дослідження ми обрали графік затвердіння, подібний до того, який би використовувався на лінії на основі розчинника, що затверджується УФ-випромінюванням. На рисунку 3 показано графік нанесення, сушіння, затвердіння та пакування, який використовувався для нашого дослідження. Цей графік сушіння являє собою покращення загальної швидкості лінії на 50–60 % порівняно з поточним ринковим стандартом у столярних та меблевих виробах.
РИСУНОК 3 | Графік нанесення, сушіння, затвердіння та пакування.
Нижче наведено умови нанесення та затвердіння, які ми використовували для нашого дослідження:
●Нанесення розпилювачем на кленовий шпон з чорною базовою фарбою.
●30-секундний спалах за кімнатної температури.
●Сушильна піч при температурі 140 °F (140 °F) протягом 2,5 хвилин (конвекційна піч).
●УФ-затвердіння – інтенсивність близько 800 мДж/см2.
- Прозорі покриття затверджували за допомогою ртутної лампи.
- Пігментовані покриття затверджували за допомогою комбінованої ртутно-галієвої лампи.
●1 хвилина охолодження перед складанням.
Для нашого дослідження ми також наносили три різні шари вологого покриття, щоб побачити, чи будуть реалізовані інші переваги, такі як менша кількість шарів. Типовою товщиною для WB UV є 4 міли у мокрому стані. Для цього дослідження ми також включили нанесення мокрого покриття товщиною 6 та 8 міл.
Результати затвердіння
Результати нанесення стандарту №1, високоглянцевого прозорого покриття, показані на рисунку 4. Прозоре УФ-покриття WB було нанесено на деревоволокнисту плиту середньої щільності (MDF), попередньо покриту чорним базовим покриттям, та затверділо згідно зі схемою, показаною на рисунку 3. При вологому нанесенні товщиною 4 міл покриття пройшло випробування. Однак, при вологому нанесенні товщиною 6 та 8 міл покриття потріскалося, і 8 міл було легко видалено через погане виділення води перед УФ-затвердінням.
РИСУНОК 4 | Стандарт №1.
Подібний результат також спостерігається у Стандарті №2, показаному на Рисунку 5.
РИСУНОК 5 | Стандарт №2.
Як показано на рисунку 6, з використанням того ж графіка затвердіння, що й на рисунку 3, PUD #65215A продемонстрував значне покращення водовивільнення/висихання. При товщині вологої плівки 8 міл спостерігалося незначне розтріскування на нижньому краю зразка.
РИСУНОК 6 | PUD №65215A.
Додаткові випробування PUD# 65215A у вигляді низькоглянцевого прозорого покриття та пігментованого покриття на тому ж МДФ з чорним базовим покриттям були проведені для оцінки водовідділюючих характеристик в інших типових рецептурах покриттів. Як показано на рисунку 7, низькоглянцева рецептура при мокрому нанесенні 5 та 7 міл вивільняла воду та утворювала хорошу плівку. Однак, при мокрому нанесенні 10 міл, вона була занадто густою, щоб вивільняти воду згідно з графіком висихання та затвердіння, як показано на рисунку 3.
РИСУНОК 7 | Низькоглянцевий PUD №65215A.
У білій пігментованій формулі PUD #65215A добре показав себе за того ж графіку висихання та затвердіння, що описаний на рисунку 3, за винятком випадку нанесення при товщині 8 міл у вологому стані. Як показано на рисунку 8, плівка розтріскується при товщині 8 міл через погане виділення води. Загалом у прозорих, слабоглянцевих та пігментованих формулях PUD# 65215A добре показав себе щодо утворення плівки та висихання при нанесенні до 7 міл у вологому стані та затвердінні за прискореним графіком висихання та затвердіння, описаним на рисунку 3.
РИСУНОК 8 | Пігментований PUD №65215A.
Блокування результатів
Стійкість до зливання – це здатність покриття не прилипати до іншого покритого виробу при складанні один на одного. У виробництві це часто є вузьким місцем, якщо для досягнення затверділим покриттям стійкості до зливання потрібен час. Для цього дослідження пігментовані формуляції Стандарту №1 та PUD №65215A були нанесені на скло при товщині 5 міл за допомогою витяжного стрижня. Кожна з них була затверділа відповідно до графіка затвердіння, наведеного на рисунку 3. Дві покриті скляні панелі затверділи одночасно – через 4 хвилини після затвердіння панелі були затиснуті разом, як показано на рисунку 9. Вони залишалися затиснутими разом при кімнатній температурі протягом 24 годин. Якщо панелі легко розділялися без відбитків або пошкоджень покритих панелей, випробування вважалося пройденим.
На рисунку 10 показано покращену стійкість до зливання PUD № 65215A. Хоча як Стандарт №1, так і PUD №65215A досягли повного затвердіння в попередньому випробуванні, лише PUD №65215A продемонстрував достатнє виділення води та затвердіння для досягнення стійкості до зливання.
РИСУНОК 9 | Ілюстрація випробування опору блокування.
РИСУНОК 10 | Блокувальний опір Стандарту №1, а потім PUD №65215A.
Результати змішування акрилу
Виробники покриттів часто змішують смоли WB, що тверднуть під дією ультрафіолету, з акриловими фарбами для зниження вартості. У нашому дослідженні ми також розглянули змішування PUD#65215A з NeoCryl® XK-12, акрилом на водній основі, який часто використовується як партнер для змішування PUD на водній основі, що тверднуть під дією ультрафіолету, на ринку столярних виробів та меблевих виробів. Для цього ринку стандартом вважається тестування на барвники KCMA. Залежно від кінцевого використання, деякі хімічні речовини будуть важливішими за інші для виробника виробу з покриттям. Рейтинг 5 – найкращий, а рейтинг 1 – найгірший.
Як показано в таблиці 3, PUD #65215A продемонстрував виняткові результати у випробуваннях на фарбування KCMA як високоглянцевий прозорий лак, низькоглянцевий прозорий лак та як пігментоване покриття. Навіть при змішуванні 1:1 з акрилом результати випробувань на фарбування KCMA не зазнають суттєвого впливу. Навіть при фарбуванні такими речовинами, як гірчиця, покриття відновлювалося до прийнятного рівня через 24 години.
ТАБЛИЦЯ 3 | Стійкість до хімічних речовин та плям (найкращий бал – 5).
Окрім випробувань на барвник KCMA, виробники також перевіряють затвердіння одразу після УФ-затвердіння з лінії. Часто ефекти змішування акрилу будуть помітні одразу після лінії затвердіння в цьому тесті. Очікується, що після 20 подвійних натирань ізопропіловим спиртом (20 IPA dr) не буде прориву покриття. Зразки тестуються через 1 хвилину після УФ-затвердіння. Під час наших тестів ми побачили, що суміш PUD# 65215A з акрилом у співвідношенні 1:1 не пройшла цей тест. Однак ми побачили, що PUD #65215A можна змішувати з 25% акрилом NeoCryl XK-12 і все одно пройти тест 20 IPA dr (NeoCryl є зареєстрованою торговою маркою групи Covestro).
РИСУНОК 11 | 20 подвійних натирань IPA через 1 хвилину після УФ-затвердіння.
Стабільність смоли
Також було протестовано стабільність PUD №65215A. Рецептура вважається стабільною при зберіганні, якщо після 4 тижнів при температурі 40 °C pH 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 стандарти №1 та №2 були нестабільними.
Для нашого тестування ми розглянули високоглянцеві прозорі, низькоглянцеві прозорі, а також низькоглянцеві пігментовані рецептури, що використовувалися в цьому дослідженні. Як показано на рисунку 12, стабільність pH усіх трьох рецептур залишалася стабільною та перевищувала поріг pH 7,0. Рисунок 13 ілюструє мінімальну зміну в'язкості після 6 тижнів при 50 °C.
РИСУНОК 12 | Стабільність pH сформульованого PUD №65215A.
РИСУНОК 13 | Стабільність в'язкості сформульованого PUD №65215A.
Ще одним випробуванням, що демонструвало стабільність PUD №65215A, було повторне випробування стійкості до плям від KCMA складу покриття, який витримувався протягом 6 тижнів при температурі 50 °C, та порівняння цього результату з його початковою стійкістю до плям від KCMA. Покриття, які не демонструють хорошої стабільності, демонструватимуть зниження стійкості до плям. Як показано на рисунку 14, PUD №65215A зберіг той самий рівень ефективності, що й під час початкового випробування на хімічну/плямостійкість пігментованого покриття, показаного в таблиці 3.
РИСУНОК 14 | Хімічні тестові панелі для пігментованого PUD №65215A.
Висновки
Для тих, хто наносить покриття на водній основі, що тверднуть під дією ультрафіолету, PUD №65215A дозволить їм відповідати чинним стандартам продуктивності на ринках столярних виробів, дерев'яних виробів та меблів, а також дозволить збільшити швидкість процесу нанесення покриття більш ніж на 50-60% порівняно з сучасними стандартними покриттями на водній основі, що тверднуть під дією ультрафіолету. Для того, хто наносить покриття, це може означати:
●Швидше виробництво;
●Збільшена товщина плівки зменшує потребу в додаткових шарах;
●Коротші лінії сушіння;
●Економія енергії завдяки зменшенню потреби в сушінні;
●Менше браку завдяки швидкій стійкості до блокування;
●Зменшення відходів покриття завдяки стабільності смоли.
Завдяки вмісту летких органічних сполук (ЛОС) менше 100 г/л, виробники також мають більше можливостей досягти своїх цільових показників щодо ЛОС. Для виробників, які можуть мати побоювання щодо розширення виробництва через проблеми з дозволами, швидкознімний PUD №65215A дозволить їм легше виконувати свої нормативні зобов'язання без шкоди для продуктивності.
На початку цієї статті ми посилалися на наші інтерв'ю, що ті, хто наносить матеріали на основі розчинників, що тверднуть під дією ультрафіолету, зазвичай сушать і затверджують покриття протягом 3-5 хвилин. У цьому дослідженні ми продемонстрували, що згідно з процесом, показаним на рисунку 3, PUD #65215A затверджує плівку товщиною до 7 міл за 4 хвилини при температурі печі 140 °C. Це цілком відповідає діапазону для більшості покриттів на основі розчинників, що тверднуть під дією ультрафіолету. PUD #65215A потенційно може дозволити поточним користувачам матеріалів на основі розчинників, що тверднуть під дією ультрафіолету, перейти на матеріал на водній основі, що твердне під дією ультрафіолету, з незначними змінами в їхній лінії покриттів.
Для виробників, які розглядають можливість розширення виробництва, покриття на основі PUD #65215A дозволять їм:
●Економія коштів завдяки використанню коротшої лінії нанесення покриття на водній основі;
●Мають меншу площу лінії покриття на об'єкті;
● Мають менший вплив на чинний дозвіл на викиди летких органічних сполук;
●Зменшення потреб у сушці за рахунок економії енергії.
На завершення, PUD №65215A допоможе підвищити ефективність виробництва ліній покриттів, що тверднуть під дією ультрафіолетового випромінювання, завдяки високим фізичним властивостям та швидкому вивільненню води зі смоли після висихання при температурі 140 °C.
Час публікації: 14 серпня 2024 р.
