A nagy teljesítményű UV-keményedő bevonatokat évek óta használják padlóburkolatok, bútorok és szekrények gyártásában. Ez idő alatt a 100%-ban szilárd és oldószer alapú UV-keményedő bevonatok voltak a domináns technológia a piacon. Az utóbbi években a vízbázisú UV-keményedő bevonattechnológia terjedt el. A vízbázisú UV-keményedő gyanták számos okból hasznos eszköznek bizonyultak a gyártók számára, többek között a KCMA festésen való megfelelés, a kémiai ellenállási vizsgálatok és az illékony szerves vegyületek (VOC) csökkentése érdekében. Ahhoz, hogy ez a technológia továbbra is növekedjen ezen a piacon, számos olyan tényezőt azonosítottak, amelyek kulcsfontosságú területek, ahol fejlesztésekre van szükség. Ezek a vízbázisú UV-keményedő gyanták túlmutatnak azon, hogy egyszerűen csak a legtöbb gyanta „kötelező” tulajdonságaival rendelkezzenek. Értékes tulajdonságokkal bővülnek a bevonat, értéket teremtve az értéklánc minden egyes pontján, a bevonatgyártótól a gyári felhordón át a kivitelezőig és végül a tulajdonosig.
A gyártók, különösen manapság, olyan bevonatot szeretnének, amely nem csupán megfelel a specifikációknak. Vannak más tulajdonságok is, amelyek előnyöket biztosítanak a gyártás, a csomagolás és a telepítés során. Az egyik kívánt tulajdonság az üzemi hatékonyság javítása. A vízbázisú bevonat esetében ez gyorsabb vízleadást és gyorsabb eltömődési ellenállást jelent. Egy másik kívánt tulajdonság a gyanta stabilitásának javítása a bevonat megfogása/újrafelhasználása, valamint a készletgazdálkodás szempontjából. A végfelhasználó és a kivitelező számára a kívánt tulajdonságok a jobb polírozási ellenállás és a fémnyomok hiánya a telepítés során.
Ez a cikk a vízbázisú, UV-fényre keményedő poliuretánok új fejlesztéseit tárgyalja, amelyek jelentősen javítják az 50 °C-on történő festékstabilitást mind az átlátszó, mind a pigmentált bevonatokban. Azt is tárgyalja, hogy ezek a gyanták hogyan elégítik ki a bevonó felhordójának kívánt tulajdonságait a gyors vízelválás, a jobb eltömődésállóság és az oldószerállóság növelésében a gyártósor után, ami javítja a rakodási és csomagolási műveletek sebességét. Ez csökkenti a gyártósor utáni esetleges sérüléseket is. A cikk a telepítők és a tulajdonosok számára fontos folt- és vegyszerállóságban elért javulásokat is tárgyalja.
Háttér
A bevonatipar helyzete folyamatosan változik. Az a „kötelező” követelmény, hogy a specifikációnak megfeleljenek elfogadható áron, felvitt milliméterenként, egyszerűen nem elegendő. A gyárilag felvitt bevonatok helyzete szekrényekhez, asztalosipari termékekhez, padlókhoz és bútorokhoz gyorsan változik. A gyáraknak bevonatokat szállító gyártóktól azt kérik, hogy tegyék a bevonatokat biztonságosabbá az alkalmazottak számára, távolítsák el a fokozottan aggodalomra okot adó anyagokat, helyettesítsék az illékony szerves vegyületeket vízzel, sőt, kevesebb fosszilis szenet és több bio-szenet használjanak. A valóság az, hogy az értéklánc mentén minden ügyfél többet vár el a bevonattól, mint pusztán a specifikációnak való megfelelést.
Látva a lehetőséget a gyár számára nagyobb érték teremtésére, csapatunk gyári szinten kezdte megvizsgálni azokat a kihívásokat, amelyekkel ezek az alkalmazók szembesültek. Számos interjú után elkezdtünk hallani néhány közös témát:
- Az akadályok megengedése megakadályozza a terjeszkedési céljaimat;
- A költségek nőnek, a beruházási költségvetésünk pedig csökken;
- Mind az energia-, mind a személyzeti költségek emelkednek;
- Tapasztalt alkalmazottak elvesztése;
- A vállalati SG&A céljainkat, valamint az ügyfelem céljait is teljesíteni kell; és
- Tengerentúli verseny.
Ezek a témák olyan értékajánlatokhoz vezettek, amelyek elkezdtek visszhangra találni a vízbázisú, UV-fényre kötő poliuretánok alkalmazói körében, különösen az asztalos- és bútorgyártó piacon, mint például: „az asztalos- és bútorgyártók a gyárak hatékonyságának javítására törekszenek”, és „a gyártók rövidebb gyártósorokon szeretnék bővíteni a termelést, kevesebb utómunkálat okozta kárral a lassan vízelvezető tulajdonságokkal rendelkező bevonatok miatt”.
Az 1. táblázat bemutatja, hogy a bevonatok alapanyagainak gyártója számára bizonyos bevonati tulajdonságok és fizikai tulajdonságok javítása hogyan vezet olyan hatékonyságnövekedéshez, amelyet a végfelhasználó is elérhet.
1. TÁBLÁZAT | Tulajdonságok és előnyök.
Az 1. táblázatban felsorolt tulajdonságokkal rendelkező UV-fényre keményedő PUD-ok tervezésével a végfelhasználó gyártók képesek lesznek kielégíteni az üzemeik hatékonyságának javítására irányuló igényeiket. Ez lehetővé teszi számukra a versenyképesség növelését, és potenciálisan a jelenlegi termelés bővítését.
Kísérleti eredmények és megbeszélés
UV-keményedő poliuretán diszperziók története
Az 1990-es években az akrilátcsoportokat tartalmazó anionos poliuretán diszperziók kereskedelmi célú felhasználása ipari alkalmazásokban kezdődött.1 Ezek közül sok alkalmazás a csomagolásban, a festékekben és a fabevonatokban volt. Az 1. ábra egy UV-fényre keményedő PUD általános szerkezetét mutatja, bemutatva, hogyan tervezték ezeket a bevonó alapanyagokat.
1. ÁBRA | Generikus akrilátfunkciós poliuretán diszperzió.3
Amint az 1. ábrán látható, az UV-fényre keményedő poliuretán diszperziók (UV-fényre keményedő PUD-ok) a poliuretán diszperziók előállításához használt tipikus komponensekből állnak. Az alifás diizocianátokat a poliuretán diszperziók előállításához használt tipikus észterekkel, diolokkal, hidrofilizáló csoportokkal és lánchosszabbítókkal reagáltatják.2 A különbség az akrilátfunkciós észter, epoxi vagy éterek hozzáadása a diszperzió előpolimerizációs lépésében. Az építőelemekként használt anyagok megválasztása, valamint a polimer architektúra és feldolgozása határozza meg a PUD teljesítményét és száradási jellemzőit. Ezek a nyersanyagok és a feldolgozás megválasztása olyan UV-fényre keményedő PUD-okhoz vezetnek, amelyek lehetnek filmképzők és filmképzők is.3 A filmképző, vagy száradási típusok képezik e cikk tárgyát.
A filmképzés, vagy ahogy gyakran nevezik, szárítás, összeolvadt, száraz tapintású filmeket eredményez az UV-szárítás előtt. Mivel a felhordók korlátozni szeretnék a bevonat levegőben történő szennyeződését a részecskék miatt, valamint a gyártási folyamat sebessége is fontos, ezeket gyakran kemencékben szárítják folyamatos folyamat részeként az UV-szárítás előtt. A 2. ábra egy UV-szárítható PUD tipikus szárítási és kikeményedési folyamatát mutatja.
2. ÁBRA | UV-fényre keményedő PUD kikeményítésének folyamata.
A felhordási módszer jellemzően a szórópisztoly. Alkalmaztak már késes hengerlést és akár szórt bevonatot is. Felhordás után a bevonat általában egy négylépéses folyamaton megy keresztül, mielőtt újra kezelnék.
1. Villogtatás: Ez szobahőmérsékleten vagy magasabb hőmérsékleten is elvégezhető néhány másodperctől néhány percig.
2. Sütőben szárítás: Ebben a lépésben a víz és a társoldószerek kioldódnak a bevonatból. Ez a lépés kritikus fontosságú, és általában a legtöbb időt igényli egy folyamatban. Ez a lépés általában >70 °C-on történik, és legfeljebb 8 percig tart. Többzónás szárítószekrények is használhatók.
- IR lámpa és légmozgás: IR lámpák és légmozgató ventilátorok telepítése még gyorsabbá teszi a vízvillanást.
3.UV-keményedés.
4. Hűtés: A kikeményedés után a bevonatnak egy bizonyos ideig kell kötnie, hogy elérje a blokkolásállóságot. Ez a lépés akár 10 percig is eltarthat, mielőtt a blokkolásállóság megvalósul.
Kísérleti
Ez a tanulmány két, jelenleg a bútor- és asztalosiparban használt UV-keményedő PUD-ot (WB UV) hasonlított össze új fejlesztésünkkel, a PUD #65215A-val. Ebben a tanulmányban az 1. és 2. szabványt hasonlítjuk össze a PUD #65215A-val száradás, blokkolás és vegyi ellenállás szempontjából. Értékeljük a pH-stabilitást és a viszkozitás-stabilitást is, amelyek kritikusak lehetnek a túlfújás újrafelhasználásának és az eltarthatóságnak a mérlegelésekor. Az alábbi 2. táblázat a vizsgálatban használt egyes gyanták fizikai tulajdonságait mutatja. Mindhárom rendszert hasonló fotoiniciátor-szinttel, VOC-tartalommal és szilárdanyag-szinttel formuláltuk. Mindhárom gyantát 3% társoldószerrel formuláltuk.
2. TÁBLÁZAT | PUD gyanta tulajdonságai.
Interjúink során elmondták, hogy az asztalos- és bútoripari piacokon a legtöbb WB-UV bevonat gyártósoron szárad, ami 5-8 percet vesz igénybe az UV-szárítás előtt. Ezzel szemben egy oldószeres UV (SB-UV) sor 3-5 percet vesz igénybe. Ezenkívül ezen a piacon a bevonatokat jellemzően 4-5 mil nedvesen viszik fel. A vízbázisú UV-származékok egyik fő hátránya az UV-származékokkal összehasonlítva a vízbázisú oldószeres alternatívákkal szemben a víz leválasztásához szükséges idő a gyártósoron.4 Filmhibák, például fehér foltok akkor fordulnak elő, ha a vizet nem megfelelően eltávolították a bevonatról az UV-szárítás előtt. Ez akkor is előfordulhat, ha a nedves filmvastagság túl magas. Ezek a fehér foltok akkor keletkeznek, amikor az UV-szárítás során víz csapdába esik a filmben.5
Ehhez a tanulmányhoz egy olyan kikeményedési ütemtervet választottunk, amely hasonló ahhoz, amelyet egy UV-fényre kikeményedő oldószeralapú gyártósoron alkalmaznának. A 3. ábra a tanulmányunkban használt felviteli, szárítási, kikeményítési és csomagolási ütemtervet mutatja. Ez a szárítási ütemterv 50% és 60% közötti javulást jelent a teljes gyártósor sebességében a jelenlegi piaci szabványhoz képest az asztalos- és bútoripari alkalmazásokban.
3. ÁBRA | Felvitel, szárítás, érlelés és csomagolás ütemterve.
Az alábbiakban a tanulmányunkban alkalmazott alkalmazási és kikeményedési feltételeket ismertetjük:
● Fekete alapozóval bevont juhar furnérra szórásos felvitel.
●30 másodperces szobahőmérsékleti villogás.
● 140 °F-os szárítószekrényben 2,5 percig (légkeveréses sütő).
●UV-keményedés – intenzitás körülbelül 800 mJ/cm2.
- Az átlátszó bevonatokat higanylámpával térhálósították.
- A pigmentált bevonatokat kombinált Hg/Ga lámpával térhálósították.
●1 perc hűlési idő egymásra helyezés előtt.
Tanulmányunkban három különböző nedves filmvastagságot is alkalmaztunk, hogy megvizsgáljuk, más előnyök, például a kevesebb réteg felvitele is elérhetők-e. A WB UV esetében a tipikus 4 mil nedves rétegvastagság. Ebben a tanulmányban 6 és 8 mil nedves bevonatokat is alkalmaztunk.
Kikeményedési eredmények
Az 1. szabvány, egy magasfényű átlátszó bevonat eredményeit a 4. ábra mutatja. A WB UV átlátszó bevonatot közepes sűrűségű farostlemezre (MDF) vitték fel, amelyet előzőleg fekete alapbevonattal vontak be, és a 3. ábrán látható ütemterv szerint térhálósították. 4 mil nedvesrétegnél a bevonat átment. 6 és 8 mil nedvesrétegnél azonban a bevonat megrepedt, és a 8 mil könnyen eltávolítható volt az UV-keményítés előtti gyenge vízelválás miatt.
4. ÁBRA | 1. szabvány.
Hasonló eredmény látható a 2. szabványban is, amely az 5. ábrán látható.
5. ÁBRA | 2. szabvány.
A 6. ábrán látható módon, a 3. ábrán láthatóval megegyező kikeményedési ütemtervet alkalmazva, a PUD #65215A jelentős javulást mutatott a vízeladás/száradás terén. 8 mil nedves filmvastagságnál enyhe repedés volt megfigyelhető a minta alsó szélén.
6. ÁBRA | PUD #65215A.
A PUD# 65215A további tesztelését alacsony fényű, átlátszó és pigmentált bevonatban, ugyanazon MDF lapon, fekete alapbevonattal, értékelték más tipikus bevonatformulák vízelbocsátó tulajdonságainak felmérésére. Amint a 7. ábra mutatja, az alacsony fényű készítmény 5 és 7 mil nedves rétegvastagságnál felvitt változata vízelbocsátást eredményezett, és jó filmréteget képezett. 10 mil nedves rétegvastagságnál azonban túl vastag volt ahhoz, hogy a 3. ábrán látható száradási és kikeményedési ütemterv szerint vízleadást eredményezzen.
7. ÁBRA | Alacsony fényű PUD #65215A.
Egy fehér pigmentált formulában a PUD #65215A jól teljesített a 3. ábrán leírt száradási és kikeményedési ütemterv szerint, kivéve, ha 8 nedves mil vastagságban vitték fel. Amint a 8. ábra mutatja, a film 8 mil vastagságnál megreped a rossz vízelválás miatt. Összességében az átlátszó, alacsony fényű és pigmentált készítményekben a PUD# 65215A jól teljesített a filmképződés és a száradás terén, ha legfeljebb 7 mil nedves vastagságban vitték fel és a 3. ábrán leírt gyorsított száradási és kikeményedési ütemterv szerint térhálósították.
8. ÁBRA | Pigmentált PUD #65215A.
Eredmények blokkolása
A blokkolással szembeni ellenállás a bevonat azon képessége, hogy egymásra rakáskor ne tapadjon hozzá egy másik bevont tárgyhoz. A gyártás során ez gyakran szűk keresztmetszet, ha egy kikeményedett bevonatnak időbe telik, mire eléri a blokkolással szembeni ellenállást. Ebben a vizsgálatban az 1. számú standard és a 65215A számú PUD pigmentált formuláit vitték fel üvegre 5 nedves mil sebességgel egy lehúzórúd segítségével. Ezeket mindegyiket a 3. ábrán látható kikeményítési ütemterv szerint kikeményítették. Két bevonatos üvegpanelt egyszerre kikeményítettek – a kikeményedés után 4 perccel a paneleket összeszorították, a 9. ábrán látható módon. Szobahőmérsékleten 24 órán át összeszorítva maradtak. Ha a panelek könnyen szétválaszthatók voltak anélkül, hogy a bevont paneleken nyomot hagytak volna, vagy azok megsérülnének, akkor a tesztet sikeresnek tekintették.
A 10. ábra a PUD# 65215A javított blokkolási ellenállását szemlélteti. Bár mind az 1. szabvány, mind a PUD #65215A teljes kikeményedést ért el az előző tesztben, csak a PUD #65215A mutatott elegendő vízleadást és kikeményedést a blokkolási ellenállás eléréséhez.
9. ÁBRA | Blokkolási ellenállás tesztjének illusztrációja.
10. ÁBRA | Az 1. számú szabvány, majd a 65215A számú PUD blokkolási ellenállása.
Akril keverési eredmények
A bevonatgyártók gyakran kevernek WB UV-fényre keményedő gyantákat akrilokkal a költségek csökkentése érdekében. Tanulmányunkban a PUD#65215A és a NeoCryl® XK-12, egy vízbázisú akril keverését is vizsgáltuk, amelyet gyakran használnak keverési partnerként az UV-fényre keményedő vízbázisú PUD-okhoz az asztalos- és bútoripari piacon. Ezen a piacon a KCMA foltvizsgálat tekinthető szabványnak. A végfelhasználási alkalmazástól függően egyes vegyi anyagok fontosabbá válnak a bevont cikk gyártója számára. Az 5-ös értékelés a legjobb, az 1-es pedig a legrosszabb.
Amint a 3. táblázatban látható, a PUD #65215A kivételesen jól teljesít a KCMA festésteszteken magasfényű átlátszóként, alacsonyfényű átlátszóként és pigmentált bevonatként. Még ha 1:1 arányban akrilfestékkel keverik is, a KCMA festésteszt eredményeit nem befolyásolja drasztikusan. Még mustárhoz hasonló szerekkel történő festés esetén is a bevonat 24 óra elteltével elfogadható szintre állt vissza.
3. TÁBLÁZAT | Vegyi és foltállóság (az 5-ös értékelés a legjobb).
A KCMA folttesztelés mellett a gyártók az UV-szárítás után azonnal tesztelik a kikeményedést is. Az akril keverésének hatásai gyakran azonnal a kikeményedési vonal után is észrevehetők ebben a tesztben. Az elvárás az, hogy 20 izopropil-alkoholos dupla dörzsölés (20 IPA dr) után ne legyen bevonatáttörés. A mintákat 1 perccel az UV-szárítás után tesztelik. Tesztelésünk során azt tapasztaltuk, hogy a PUD# 65215A és az akril 1:1 arányú keveréke nem ment át ezen a teszten. Azt azonban láttuk, hogy a PUD #65215A keverhető 25% NeoCryl XK-12 akrillal, és így is megfelel a 20 IPA dr teszten (a NeoCryl a Covestro csoport bejegyzett védjegye).
11. ÁBRA | 20 IPA dupla dörzsölés, 1 perccel az UV-szárítás után.
Gyanta stabilitása
A PUD #65215A stabilitását is tesztelték. Egy készítményt akkor tekintenek polcon stabilnak, ha 4 hét után 40 °C-on a pH-érték nem csökken 7 alá, és a viszkozitás stabil marad a kezdeti értékhez képest. A teszteléshez úgy döntöttünk, hogy a mintákat a zordabb körülményeknek, akár 6 hétnek 50 °C-on tartjuk. Ilyen körülmények között az 1. és 2. standard nem volt stabil.
A tesztelésünkhöz a magasfényű átlátszó, az alacsony fényű átlátszó, valamint az ebben a tanulmányban használt alacsony fényű pigmentált készítményeket vizsgáltuk. Amint a 12. ábra mutatja, mindhárom készítmény pH-stabilitása stabil maradt, és a 7,0 pH-küszöb felett maradt. A 13. ábra a minimális viszkozitásváltozást szemlélteti 6 hét után 50 °C-on.
12. ÁBRA | A #65215A készítmény pH-stabilitásának meghatározása.
13. ÁBRA | A #65215A formulációjú PUD viszkozitásstabilitásának vizsgálata.
A PUD #65215A stabilitási teljesítményét bemutató egy másik teszt egy olyan bevonatkészítmény KCMA foltállóságának ismételt vizsgálata volt, amelyet 6 hétig 50 °C-on érleltek, és ezt összehasonlították a kezdeti KCMA foltállósággal. A nem jó stabilitást mutató bevonatok festési teljesítménye csökken. Amint a 14. ábra mutatja, a PUD# 65215A ugyanolyan teljesítményt nyújtott, mint a 3. táblázatban látható pigmentált bevonat kezdeti kémiai/foltállósági vizsgálata során.
14. ÁBRA | Kémiai tesztpanelek a pigmentált PUD #65215A jelű anyaghoz.
Következtetések
Az UV-fényre kötő, vízbázisú bevonatok felhordói számára a PUD #65215A lehetővé teszi számukra, hogy megfeleljenek az asztalos-, fa- és bútoripari piacok jelenlegi teljesítményszabványainak, továbbá lehetővé teszi a bevonási folyamat során a jelenlegi szabványos UV-fényre kötő, vízbázisú bevonatokhoz képest több mint 50-60%-os gyártósorsebesség-növekedést. A felhordó számára ez a következőket jelentheti:
●Gyorsabb gyártás;
● A megnövelt filmvastagság csökkenti a további rétegek szükségességét;
●Rövidebb szárítóvonalak;
●Energiamegtakarítás a csökkentett szárítási igénynek köszönhetően;
●Kevesebb selejt a gyors blokkolási ellenállás miatt;
● A gyanta stabilitásának köszönhetően csökkentett bevonatveszteség.
A 100 g/l-nél kevesebb VOC-tartalommal a gyártók könnyebben teljesíthetik VOC-céljaikat. Azoknak a gyártóknak, akiknek az engedélyekkel kapcsolatos problémák miatt aggályaik lehetnek a bővítéssel kapcsolatban, a gyors vízkioldódású PUD #65215A lehetővé teszi számukra, hogy könnyebben teljesítsék szabályozási kötelezettségeiket a teljesítmény feláldozása nélkül.
A cikk elején interjúinkból idéztünk, hogy az oldószeres UV-fényre keményedő anyagok felhordói jellemzően 3-5 percig szárítják és keményítik a bevonatokat. Ebben a tanulmányban bemutattuk, hogy a 3. ábrán látható eljárás szerint a PUD #65215A akár 7 mil nedves filmvastagságot is képes kikeményíteni 4 perc alatt 140 °C-os kemencehőmérsékleten. Ez bőven a legtöbb oldószeres UV-fényre keményedő bevonat tartományán belül van. A PUD #65215A potenciálisan lehetővé teheti az oldószeres UV-fényre keményedő anyagok jelenlegi felhordói számára, hogy a bevonási vonaluk minimális változtatásával vízbázisú UV-fényre keményedő anyagra váltsanak.
A termelésbővítést fontolgató gyártók számára a PUD #65215A szabványon alapuló bevonatok lehetővé teszik számukra, hogy:
●Pénzt takaríthat meg a rövidebb vízbázisú bevonatolási sor használatával;
●Kisebb bevonatoló gyártósor-igény a létesítményben;
●Kevésbé befolyásolja a jelenlegi VOC-engedélyt;
● Energiamegtakarítás a csökkent szárítási igényeknek köszönhetően.
Összefoglalva, a PUD #65215A a gyanta 140 °C-on történő szárítása utáni magas fizikai tulajdonsága és gyors vízelvezető képessége révén hozzájárul az UV-fényre keményedő bevonatgyártó sorok gyártási hatékonyságának javításához.
Közzététel ideje: 2024. augusztus 14.
