Højtydende UV-hærdende belægninger er blevet brugt til fremstilling af gulve, møbler og skabe i mange år. I det meste af denne tid har 100 % faste og opløsningsmiddelbaserede UV-hærdelige belægninger været den dominerende teknologi på markedet. I de senere år er vandbaseret UV-hærdelig belægningsteknologi vokset. Vandbaserede UV-hærdelige harpikser har vist sig at være et nyttigt værktøj for producenter af en række forskellige årsager, herunder bestået KCMA-farvning, kemisk resistenstestning og reduktion af VOC'er. For at denne teknologi skal fortsætte med at vokse på dette marked, er flere drivkræfter blevet identificeret som nøgleområder, hvor der skal foretages forbedringer. Disse vil tage vandbaserede UV-hærdelige harpikser ud over blot at have de "must haves", som de fleste harpikser besidder. De vil begynde at tilføje værdifulde egenskaber til belægningen, hvilket bringer værdi til hver position langs værdikæden fra belægningsproducent til fabriksapplikator til installatør og endelig til ejeren.
Producenter, især i dag, ønsker en belægning, der vil gøre mere end blot at bestå specifikationerne. Der er også andre egenskaber, der giver fordele ved fremstilling, pakning og installation. En ønsket egenskab er forbedringer i anlæggets effektivitet. For den vandbaserede belægning betyder dette hurtigere vandfrigivelse og hurtigere blokeringsmodstand. En anden ønsket egenskab er at forbedre harpiksstabiliteten til indfangning/genbrug af en belægning og styring af deres beholdning. For slutbrugeren og installatøren er de ønskede egenskaber bedre modstandsdygtighed over for polering og ingen metalmærkning under installationen.
Denne artikel vil diskutere nye udviklinger inden for vandbaserede UV-hærdelige polyurethaner, der tilbyder meget forbedret 50 °C malingsstabilitet i klare såvel som pigmenterede belægninger. Den diskuterer også, hvordan disse harpikser adresserer de ønskede egenskaber ved belægningsapplikatoren ved at øge linjehastigheden gennem hurtig vandfrigivelse, forbedret blokeringsmodstand og opløsningsmiddelresistens fra linjen, hvilket forbedrer hastigheden til stabling og pakningsoperationer. Dette vil også forbedre off-the-line skader, der nogle gange opstår. Denne artikel diskuterer også forbedringer, der er demonstreret i pletter- og kemikalieresistens, som er vigtige for installatører og ejere.
Baggrund
Belægningsindustriens landskab er i konstant udvikling. De "must haves" ved bare at bestå specifikationen til en rimelig pris pr. anvendt mil er simpelthen ikke nok. Landskabet for fabrikspåførte belægninger til skabe, snedkeri, gulve og møbler ændrer sig hurtigt. Formulatorer, der leverer belægninger til fabrikkerne, bliver bedt om at gøre belægninger sikrere for medarbejdere at påføre, fjerne stoffer, der giver anledning til bekymring, erstatte VOC'er med vand og endda bruge mindre fossilt kulstof og mere biokulstof. Virkeligheden er, at hver kunde langs hele værdikæden beder belægningen om at gøre mere end blot at opfylde specifikationen.
Da vi så en mulighed for at skabe mere værdi for fabrikken, begyndte vores team at undersøge på fabriksniveau, hvilke udfordringer disse applikatorer stod over for. Efter mange interviews begyndte vi at høre nogle fælles temaer:
- At tillade forhindringer forhindrer mine ekspansionsmål;
- Omkostningerne stiger, og vores kapitalbudgetter falder;
- Omkostningerne til både energi og personale er stigende;
- Tab af erfarne medarbejdere;
- Vores SG&A-mål, såvel som min kundes, skal opfyldes; og
- Konkurrence i udlandet.
Disse temaer førte til udsagn om værdiforslag, der begyndte at give genlyd hos applikatorer af vandbaserede UV-hærdelige polyurethaner, især i snedker- og møbelsnedkermarkedet, såsom: "producenter af snedker- og møbelsnedkerier søger forbedringer i fabrikkens effektivitet" og "producenter ønsker muligheden for at udvide produktionen på kortere produktionslinjer med færre efterbearbejdningsskader på grund af belægningerne med langsomme vandafgivende egenskaber."
Tabel 1 illustrerer, hvordan forbedringer i visse belægningsegenskaber og fysiske egenskaber for producenten af belægningsråmaterialer fører til effektivitetsgevinster, som kan realiseres af slutbrugeren.
TABEL 1 | Egenskaber og fordele.
Ved at designe UV-hærdelige PUD'er med visse egenskaber som anført i tabel 1, vil slutbrugsproducenter være i stand til at imødekomme behov, de har med hensyn til at forbedre anlæggets effektivitet. Dette vil give dem mulighed for at være mere konkurrencedygtige og potentielt give dem mulighed for at udvide den nuværende produktion.
Eksperimentelle resultater og diskussion
UV-hærdende polyurethan dispersions historie
I 1990'erne begyndte de kommercielle anvendelser af anioniske polyurethan-dispersioner indeholdende acrylatgrupper knyttet til polymeren at blive brugt i industrielle applikationer.1 Mange af disse applikationer var i emballage, blæk og træbelægninger. Figur 1 viser en generisk struktur af en UV-hærdelig PUD, der viser, hvordan disse belægningsråmaterialer er designet.
FIGUR 1 | Generisk akrylat funktionel polyurethan dispersion.3
Som vist i figur 1 er UV-hærdelige polyurethan dispersioner (UV-hærdelige PUD'er) opbygget af de typiske komponenter, der bruges til at fremstille polyurethan dispersioner. Alifatiske diisocyanater omsættes med de typiske estere, dioler, hydrofiliseringsgrupper og kædeforlængere, der anvendes til fremstilling af polyurethan-dispergeringer.2 Forskellen er tilsætningen af en acrylatfunktionel ester, epoxy eller ethere, der er inkorporeret i præpolymertrinnet, mens dispersionen fremstilles. . Valg af materialer, der bruges som byggesten, såvel som polymerarkitektur og forarbejdning, dikterer en PUDs ydeevne og tørreegenskaber. Disse valg i råmaterialer og forarbejdning vil føre til UV-hærdende PUD'er, der kan være ikke-filmdannende, såvel som dem, der er filmdannende.3 De filmdannende eller tørretyper er emnet for denne artikel.
Filmdannelse, eller tørring som det ofte kaldes, vil give sammensmeltede film, der er tørre at røre ved før UV-hærdning. Fordi applikatorer ønsker at begrænse luftbåren forurening af belægningen på grund af partikler, samt behovet for hastighed i deres produktionsproces, tørres disse ofte i ovne som en del af en kontinuerlig proces før UV-hærdning. Figur 2 viser den typiske tørre- og hærdningsproces for en UV-hærdelig PUD.
FIGUR 2 | Proces til at hærde en UV-hærdelig PUD.
Den anvendte påføringsmetode er typisk spray. Dog er der brugt kniv over rulle og endda flood coat. Når belægningen er påført, vil den normalt gennemgå en fire-trins proces, før den håndteres igen.
1.Flash: Dette kan gøres ved stuetemperatur eller forhøjet temperatur i flere sekunder til et par minutter.
2.Ovntør: Det er her vandet og hjælpeopløsningsmidlerne drives ud af belægningen. Dette trin er kritisk og bruger normalt mest tid i en proces. Dette trin er normalt ved >140 °F og varer i op til 8 minutter. Tørreovne med flere zoner kan også anvendes.
- IR-lampe og luftbevægelse: Installation af IR-lamper og luftbevægelsesventilatorer vil accelerere vandblinket endnu hurtigere.
3.UV-kur.
4.Cool: Når belægningen er hærdet, skal den hærde i nogen tid for at opnå blokeringsmodstand. Dette trin kan tage så længe som 10 minutter, før der opnås blokerende modstand
Eksperimentel
Denne undersøgelse sammenlignede to UV-hærdelige PUD'er (WB UV), der i øjeblikket bruges på møbel- og snedkermarkedet, med vores nye udvikling, PUD # 65215A. I denne undersøgelse sammenligner vi Standard #1 og Standard #2 med PUD #65215A i tørring, blokering og kemisk resistens. Vi evaluerer også pH-stabilitet og viskositetsstabilitet, hvilket kan være kritisk, når man overvejer genbrug af overspray og holdbarhed. Nedenfor i tabel 2 er de fysiske egenskaber af hver af de harpikser, der anvendes i denne undersøgelse, vist. Alle tre systemer blev formuleret til lignende fotoinitiatorniveau, VOC'er og faststofniveau. Alle tre harpikser blev formuleret med 3% co-opløsningsmiddel.
TABEL 2 | PUD harpiks egenskaber.
Vi fik at vide i vores interviews, at de fleste WB-UV-belægninger på snedker- og snedkermarkederne tørrer på en produktionslinje, hvilket tager mellem 5-8 minutter før UV-hærdning. Derimod tørrer en opløsningsmiddelbaseret UV (SB-UV) linje på 3-5 minutter. Derudover påføres belægninger til dette marked typisk 4-5 mils våde. En stor ulempe for vandbårne UV-hærdelige belægninger, når man sammenligner med UV-hærdelige opløsningsmiddelbaserede alternativer, er den tid, det tager at flashe vand på en produktionslinje.4 Filmdefekter, såsom hvide pletter, vil opstå, hvis vandet ikke er blevet korrekt flashet fra belægning før UV-hærdning. Dette kan også forekomme, hvis den våde filmtykkelse er for høj. Disse hvide pletter dannes, når vand bliver fanget inde i filmen under UV-hærdning.5
Til denne undersøgelse valgte vi en hærdningsplan svarende til en, der ville blive brugt på en UV-hærdelig opløsningsmiddelbaseret linje. Figur 3 viser vores påførings-, tørrings-, hærdnings- og emballeringsskema brugt til vores undersøgelse. Denne tørretidsplan repræsenterer mellem 50 % og 60 % forbedring i den samlede linjehastighed i forhold til den nuværende markedsstandard inden for snedker- og møbelsnedkeranvendelser.
FIGUR 3 | Tidsplan for påføring, tørring, hærdning og emballering.
Nedenfor er de anvendelses- og hærdningsbetingelser, vi brugte til vores undersøgelse:
●Spray påføring over ahornfiner med en sort basecoat.
●30 sekunders rumtemperaturblink.
●140 °F tørreovn i 2,5 minutter (konvektionsovn).
●UV-hærdning – intensitet omkring 800 mJ/cm2.
- Klare belægninger blev hærdet under anvendelse af en Hg-lampe.
- Pigmenterede belægninger blev hærdet under anvendelse af en kombination Hg/Ga-lampe.
●1 minuts afkøling før stabling.
Til vores undersøgelse sprøjtede vi også tre forskellige våde filmtykkelser for at se, om andre fordele, såsom færre lag, også ville blive realiseret. 4 mils våd er typisk for WB UV. Til denne undersøgelse inkluderede vi også 6 og 8 mils vådbelægningsapplikationer.
Hærdningsresultater
Standard #1, en højglans klar coating, resultater er vist i figur 4. WB UV-klar coating blev påført på medium-dense fiberboard (MDF) tidligere coatet med en sort basecoat og hærdet i henhold til skemaet vist i figur 3. Ved 4 mil våd passerer belægningen. Ved 6 og 8 mils våd påføring revnede belægningen imidlertid, og 8 mils blev let fjernet på grund af dårlig vandfrigivelse før UV-hærdning.
FIGUR 4 | Standard #1.
Et lignende resultat ses også i standard #2, vist i figur 5.
FIGUR 5 | Standard #2.
Vist i figur 6 under anvendelse af samme hærdningsplan som i figur 3 viste PUD #65215A en enorm forbedring i vandfrigivelse/tørring. Ved 8 mils våd filmtykkelse blev der observeret en lille revnedannelse på den nedre kant af prøven.
FIGUR 6 | PUD #65215A.
Yderligere test af PUD# 65215A i en lavglans klar coating og pigmenteret coating over den samme MDF med en sort basecoat blev evalueret for at evaluere vandfrigivelseskarakteristika i andre typiske coatingformuleringer. Som vist i figur 7 frigav lavglansformuleringen ved 5 og 7 mils våd påføring vandet og dannede en god film. Men ved 10 mil våd var den for tyk til at frigive vandet under tørre- og hærdningsskemaet i figur 3.
FIGUR 7 | Lavglans PUD #65215A.
I en hvidpigmenteret formel klarede PUD #65215A sig godt i det samme tørre- og hærdningsskema beskrevet i figur 3, undtagen når det blev påført ved 8 våde mils. Som vist i figur 8 revner filmen ved 8 mils på grund af dårlig vandfrigivelse. Samlet set i klare, lavglans og pigmenterede formuleringer klarede PUD# 65215A sig godt i filmdannelser og tørring, når den blev påført op til 7 mils våd og hærdet ved det accelererede tørre- og hærdningsskema beskrevet i figur 3.
FIGUR 8 | Pigmenteret PUD #65215A.
Blokering af resultater
Blokeringsmodstand er en belægnings evne til ikke at klæbe til en anden belagt artikel, når den stables. I fremstillingen er dette ofte en flaskehals, hvis det tager tid for en hærdet belægning at opnå blokresistens. Til denne undersøgelse blev pigmenterede formuleringer af Standard #1 og PUD #65215A påført på glas ved 5 våde mils under anvendelse af en nedtræksstang. Disse blev hver hærdet i henhold til hærdningsskemaet i figur 3. To coatede glaspaneler blev hærdet på samme tid – 4 minutter efter hærdning blev panelerne klemt sammen, som vist i figur 9. De forblev klemt sammen ved stuetemperatur i 24 timer . Hvis panelerne let kunne adskilles uden påtryk eller beskadigelse af de coatede paneler, blev testen betragtet som bestået.
Figur 10 illustrerer den forbedrede blokeringsmodstand af PUD# 65215A. Selvom både Standard #1 og PUD #65215A opnåede fuld hærdning i den foregående test, viste kun PUD #65215A tilstrækkelig vandfrigivelse og hærdning til at opnå blokeringsmodstand.
FIGUR 9 | Illustration af blokeringsmodstandstest.
FIGUR 10 | Blokeringsmodstand af standard #1, efterfulgt af PUD #65215A.
Akrylblandingsresultater
Belægningsproducenter blander ofte WB UV-hærdende harpikser med akryl til lavere omkostninger. Til vores undersøgelse så vi også på blanding af PUD#65215A med NeoCryl® XK-12, en vandbaseret akryl, der ofte bruges som en blandingspartner for UV-hærdelige vandbaserede PUD'er på snedker- og møbelsnedkermarkedet. For dette marked betragtes KCMA plettest som standarden. Afhængigt af slutanvendelsen vil nogle kemikalier blive vigtigere end andre for producenten af den coatede artikel. En vurdering på 5 er den bedste og en vurdering på 1 er den dårligste.
Som vist i tabel 3 klarer PUD #65215A sig usædvanligt godt i KCMA-plettest som en højglans klar, lavglans klar og som en pigmenteret belægning. Selv når den blandes 1:1 med en akryl, påvirkes KCMA-plettesten ikke drastisk. Selv ved farvning med midler som sennep genvandt belægningen sig til et acceptabelt niveau efter 24 timer.
TABEL 3 | Kemikalie- og pletbestandighed (vurdering på 5 er bedst).
Ud over KCMA-plettestning vil producenter også teste for hærdning umiddelbart efter UV-hærdning fra linjen. Ofte vil virkningerne af akrylblanding blive bemærket umiddelbart uden for hærdningslinjen i denne test. Forventningen er ikke at have belægningsgennembrud efter 20 isopropylalkohol double rubs (20 IPA dr). Prøver testes 1 minut efter UV-hærdning. I vores test så vi, at en 1:1 blanding af PUD# 65215A med en akryl ikke bestod denne test. Vi så dog, at PUD #65215A kunne blandes med 25 % NeoCryl XK-12 akryl og stadig bestå 20 IPA dr-testen (NeoCryl er et registreret varemærke tilhørende Covestro-gruppen).
FIGUR 11 | 20 IPA double-rubs, 1 minut efter UV-hærdning.
Harpiks stabilitet
Stabiliteten af PUD #65215A blev også testet. En formulering anses for at være holdbar, hvis pH-værdien efter 4 uger ved 40 °C ikke falder til under 7, og viskositeten forbliver stabil sammenlignet med den oprindelige. Til vores test besluttede vi at udsætte prøverne for de hårdere forhold på op til 6 uger ved 50 °C. Ved disse betingelser var standard #1 og #2 ikke stabile.
Til vores test så vi på den højglans klare, lavglans klare såvel som de lavglans pigmenterede formuleringer, der blev brugt i denne undersøgelse. Som vist i figur 12 forblev pH-stabiliteten af alle tre formuleringer stabil og over pH-tærsklen på 7,0. Figur 13 illustrerer den minimale viskositetsændring efter 6 uger ved 50 °C.
FIGUR 12 | pH-stabilitet af formuleret PUD #65215A.
FIGUR 13 | Viskositetsstabilitet af formuleret PUD #65215A.
En anden test, der demonstrerer stabilitetsydelsen af PUD #65215A, var igen at teste KCMA-pletbestandigheden af en coatingformulering, der er blevet ældet i 6 uger ved 50 °C, og sammenligne den med dens oprindelige KCMA-pletbestandighed. Belægninger, der ikke udviser god stabilitet, vil se fald i farvningsevnen. Som vist i figur 14 opretholdt PUD# 65215A det samme ydeevneniveau, som det gjorde i den indledende kemikalie-/pletmodstandstest af den pigmenterede belægning vist i tabel 3.
FIGUR 14 | Kemiske testpaneler for pigmenteret PUD #65215A.
Konklusioner
For applikatorer af UV-hærdelige vandbaserede belægninger, vil PUD #65215A gøre dem i stand til at opfylde de nuværende ydelsesstandarder på snedker-, træ- og kabinetmarkederne, og vil desuden gøre det muligt for belægningsprocessen at se linjehastighedsforbedringer til mere end 50 -60 % i forhold til nuværende standard UV-hærdende vandbaserede belægninger. For applikatoren kan dette betyde:
●Hurtigere produktion;
●Øget filmtykkelse reducerer behovet for yderligere lag;
● Kortere tørrelinjer;
●Energibesparelse på grund af reduceret tørrebehov;
●Mindre skrot på grund af hurtig blokeringsmodstand;
●Reduceret belægningsspild på grund af harpiksstabilitet.
Med VOC'er på under 100 g/L er producenterne også bedre i stand til at opfylde deres VOC-mål. For producenter, der kan have udvidelsesbekymringer på grund af tilladelsesproblemer, vil PUD #65215A med hurtig vandfrigivelse gøre dem i stand til lettere at opfylde deres regulatoriske forpligtelser uden at ofre ydeevnen.
I begyndelsen af denne artikel citerede vi fra vores interviews, at applikatorer af opløsningsmiddelbaserede UV-hærdelige materialer typisk ville tørre og hærde belægninger i en proces, der tog mellem 3-5 minutter. Vi har demonstreret i denne undersøgelse, at i henhold til processen vist i figur 3, vil PUD #65215A hærde op til 7 mils våd filmtykkelse på 4 minutter med en ovntemperatur på 140 °C. Dette er et godt stykke inden for vinduet for de fleste opløsningsmiddelbaserede UV-hærdelige belægninger. PUD #65215A kunne potentielt gøre det muligt for nuværende applikatorer af de opløsningsmiddelbaserede UV-hærdelige materialer at skifte til et vandbaseret UV-hærdeligt materiale med ringe ændring af deres belægningslinje.
For producenter, der overvejer produktionsudvidelse, vil belægninger baseret på PUD #65215A gøre dem i stand til at:
●Spar penge ved at bruge en kortere vandbaseret belægningslinje;
● Har et mindre belægningslinje-fodaftryk i anlægget;
●Har en reduceret indvirkning på den nuværende VOC-tilladelse;
●Opnå energibesparelser på grund af reduceret tørrebehov.
Som konklusion vil PUD #65215A hjælpe med at forbedre fremstillingseffektiviteten af UV-hærdelige belægningslinjer gennem høj-fysiske egenskaber og hurtige vandafgivende egenskaber af harpiksen, når den tørres ved 140 °C.
Indlægstid: 14. august 2024
