Højtydende UV-hærdende belægninger er blevet brugt i fremstillingen af gulve, møbler og skabe i mange år. I det meste af denne tid har 100% faste og opløsningsmiddelbaserede UV-hærdende belægninger været den dominerende teknologi på markedet. I de senere år er vandbaseret UV-hærdende belægningsteknologi vokset. Vandbaserede UV-hærdende harpikser har vist sig at være et nyttigt værktøj for producenter af en række årsager, herunder at bestå KCMA-farvning, kemisk resistenstest og reduktion af VOC'er. For at denne teknologi kan fortsætte med at vokse på dette marked, er flere drivkræfter blevet identificeret som nøgleområder, hvor der skal foretages forbedringer. Disse vil tage vandbaserede UV-hærdende harpikser ud over blot at have de "must haves", som de fleste harpikser besidder. De vil begynde at tilføje værdifulde egenskaber til belægningen og bringe værdi til hver position langs værdikæden fra belægningsformulator til fabriksapplikator til installatør og endelig til ejeren.
Især i dag ønsker producenter en belægning, der kan mere end blot at opfylde specifikationerne. Der er også andre egenskaber, der giver fordele i forbindelse med 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 forbedring af harpiksens stabilitet til opsamling/genbrug af en belægning og styring af deres lagerbeholdning. 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-hærdende polyurethaner, der tilbyder stærkt forbedret malingsstabilitet ved 50 °C i klare såvel som pigmenterede belægninger. Den diskuterer også, hvordan disse harpikser imødekommer de ønskede egenskaber hos belægningsapplikatoren ved at øge produktionshastigheden gennem hurtig vandfrigivelse, forbedret blokeringsmodstand og opløsningsmiddelresistens off-line, hvilket forbedrer hastigheden for stablings- og pakningsoperationer. Dette vil også forbedre skader off-line, der nogle gange opstår. Denne artikel diskuterer også forbedringer, der er påvist i plet- og kemisk resistens, som er vigtige for installatører og ejere.
Baggrund
Landskabet inden for belægningsindustrien er i konstant udvikling. Det er simpelthen ikke nok blot at opfylde specifikationen til en rimelig pris pr. påført millimeter, når man skal opfylde specifikationen. Landskabet for fabrikspåførte belægninger til skabe, snedkerarbejde, gulve og møbler ændrer sig hurtigt. Producenter, der leverer belægninger til fabrikkerne, bliver bedt om at gøre belægninger sikrere for medarbejderne at påføre, fjerne problematiske stoffer, erstatte flygtige organiske forbindelser (VOC'er) med vand og endda bruge mindre fossilt kulstof og mere biokulstof. Realiteten er, at hver kunde i hele værdikæden kræver, at belægningen gør mere end blot at opfylde specifikationen.
Da vores team så en mulighed for at skabe mere værdi for fabrikken, begyndte de at undersøge de udfordringer, disse applikatorer stod over for på fabriksniveau. Efter mange interviews begyndte vi at høre nogle fælles temaer:
- At tillade hindringer forhindrer mine ekspansionsmål;
- Omkostningerne stiger, og vores kapitalbudgetter falder;
- Omkostningerne til både energi og personale stiger;
- Tab af erfarne medarbejdere;
- Vores virksomhedsmål for salgs- og administrationsomkostninger, såvel som mine kunders, skal opfyldes; og
- Konkurrence i udlandet.
Disse temaer førte til værditilbud, der begyndte at give genlyd hos operatører af vandbaserede UV-hærdende polyurethaner, især inden for snedker- og skabelonmarkedet, såsom: "producenter af snedker- og skabeloner søger forbedringer i fabrikseffektiviteten" og "producenter ønsker muligheden for at udvide produktionen på kortere produktionslinjer med færre efterbearbejdningsskader på grund af belægninger med langsomme vandfrigivende egenskaber."
Tabel 1 illustrerer, hvordan forbedringer i visse belægningsegenskaber og fysiske egenskaber for producenten af råmaterialer til belægninger fører til effektiviseringer, der kan realiseres af slutbrugeren.
TABEL 1 | Attributter og fordele.
Ved at designe UV-hærdende PUD'er med bestemte egenskaber som anført i tabel 1, vil slutbrugerproducenter være i stand til at imødekomme deres behov for at forbedre anlæggenes effektivitet. Dette vil gøre dem mere konkurrencedygtige og potentielt give dem mulighed for at udvide den nuværende produktion.
Eksperimentelle resultater og diskussion
Historien om UV-hærdende polyurethan-dispersioner
I 1990'erne begyndte man at bruge anioniske polyurethandispersioner indeholdende acrylatgrupper bundet til polymeren i industrielle applikationer.1 Mange af disse anvendelser var inden for emballage, blæk og træbelægninger. Figur 1 viser en generisk struktur af en UV-hærdende PUD, der demonstrerer, hvordan disse belægningsråmaterialer er designet.
FIGUR 1 | Generisk acrylatfunktionel polyurethan-dispersion.3
Som vist i figur 1 er UV-hærdende polyurethandispersioner (UV-hærdende PUD'er) lavet af de typiske komponenter, der anvendes til at fremstille polyurethandispersioner. Alifatiske diisocyanater reageres med de typiske estere, dioler, hydrofiliseringsgrupper og kædeforlængere, der anvendes til at fremstille polyurethandispersioner.2 Forskellen er tilsætningen af en acrylatfunktionel ester, epoxy eller ethere, der inkorporeres i præpolymertrinnet under fremstillingen af dispersionen. Valg af materialer, der anvendes som byggesten, samt polymerarkitektur og -forarbejdning, dikterer en PUD's ydeevne og tørreegenskaber. Disse valg af 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 sammenvoksede film, der er tørre at røre ved før UV-hærdning. Da applikatorer ønsker at begrænse luftbåren kontaminering af belægningen på grund af partikler, samt behovet for hurtig produktionsproces, tørres disse ofte i ovne som en del af en kontinuerlig proces før UV-hærdning. Figur 2 viser den typiske tørrings- og hærdningsproces for en UV-hærdende PUD.
FIGUR 2 | Fremgangsmåde til hærdning af en UV-hærdende PUD.
Den anvendte påføringsmetoden er typisk sprøjtebehandling. Der er dog anvendt kniv-over-rulle og endda oversprøjtning. Når malingen er påført, gennemgår den normalt en firetrinsproces, før den håndteres igen.
1. Flash: Dette kan gøres ved stuetemperatur eller forhøjede temperaturer i flere sekunder til et par minutter.
2. Ovntørring: Det er her, vandet og de medvirkende opløsningsmidler presses ud af belægningen. Dette trin er kritisk og tager normalt mest tid i en proces. Dette trin foregår normalt ved >70 °C og varer op til 8 minutter. Tørreovne med flere zoner kan også anvendes.
- IR-lampe og luftbevægelse: Installation af IR-lamper og luftbevægelsesventilatorer vil accelerere vandblitzen endnu hurtigere.
3. UV-hærdning.
4. Afkøling: Når belægningen er hærdet, skal den hærde i et stykke tid for at opnå blokeringsmodstand. Dette trin kan tage op til 10 minutter, før blokeringsmodstanden er opnået.
Eksperimentel
Denne undersøgelse sammenlignede to UV-hærdende PUD'er (WB UV), der i øjeblikket anvendes på markedet for snedkerarbejde, med vores nye udvikling, PUD # 65215A. I denne undersøgelse sammenligner vi standard #1 og standard #2 med PUD #65215A med hensyn til tørring, blokering og kemisk resistens. Vi evaluerer også pH-stabilitet og viskositetsstabilitet, hvilket kan være kritisk, når man overvejer genbrug af oversprøjtning og holdbarhed. Tabel 2 viser de fysiske egenskaber for hver af de harpikser, der blev anvendt i denne undersøgelse. Alle tre systemer blev formuleret til et lignende fotoinitiatorniveau, VOC'er og faststofniveau. Alle tre harpikser blev formuleret med 3% co-opløsningsmiddel.
TABEL 2 | Egenskaber for PUD-harpiks.
I vores interviews fik vi at vide, at de fleste WB-UV-belægninger på snedker- og skabsmarkedet tørrer på en produktionslinje, hvilket tager mellem 5-8 minutter før UV-hærdning. I modsætning hertil tørrer en opløsningsmiddelbaseret UV-linje (SB-UV) på 3-5 minutter. Derudover påføres belægninger på dette marked typisk 4-5 mil våde. En væsentlig ulempe ved vandbaserede UV-hærdende belægninger sammenlignet med UV-hærdende opløsningsmiddelbaserede alternativer er den tid, det tager at afdampe vand på en produktionslinje.4 Filmdefekter såsom hvide pletter vil opstå, hvis vand ikke er blevet korrekt afdampet fra belægningen før UV-hærdning. Dette kan også forekomme, hvis den våde filmtykkelse er for høj. Disse hvide pletter opstår, når vand bliver fanget inde i filmen under UV-hærdning.5
Til denne undersøgelse valgte vi en hærdningsplan svarende til den, der ville blive anvendt på en UV-hærdende opløsningsmiddelbaseret linje. Figur 3 viser vores anvendelses-, tørrings-, hærdnings- og emballeringsplan, der blev brugt i vores undersøgelse. Denne tørreplan repræsenterer en forbedring på mellem 50 % og 60 % i den samlede linjehastighed i forhold til den nuværende markedsstandard inden for snedker- og skabsapplikationer.
FIGUR 3 | Påførings-, tørrings-, hærdnings- og pakkeskema.
Nedenfor er de anvendelses- og hærdningsbetingelser, vi brugte i vores undersøgelse:
● Sprøjtepåføring på ahornfiner med en sort basecoat.
● 30 sekunders blink ved stuetemperatur.
● Tørreovn ved 60 °C i 2,5 minutter (varmluftsovn).
● UV-hærdning – intensitet omkring 800 mJ/cm2.
- Klare belægninger blev hærdet ved hjælp af en Hg-lampe.
- Pigmenterede belægninger blev hærdet ved hjælp af en kombineret Hg/Ga-lampe.
●1 minuts afkøling før stabling.
I vores undersøgelse sprøjtede vi også tre forskellige vådfilmtykkelser for at se, om andre fordele, såsom færre lag, også kunne realiseres. 4 mil vådfilm er den typiske tykkelse for WB UV. I denne undersøgelse inkluderede vi også 6 og 8 mil våde lagspåføringer.
Hærdningsresultater
Standard #1, en højglansklar lak, resultaterne er vist i figur 4. WB UV-klarlakken blev påført en mediumtæt fiberplade (MDF) som tidligere var belagt med en sort basecoat og hærdet i henhold til skemaet vist i figur 3. Ved 4 mils våd påføring passerer lakeringen. Ved 6 og 8 mils våd påføring revnede lakeringen dog, og 8 mils kunne let fjernes på grund af dårlig vandfrigivelse før UV-hærdning.
FIGUR 4 | Standard nr. 1.
Et lignende resultat ses også i standard nr. 2, vist i figur 5.
FIGUR 5 | Standard nr. 2.
Vist i figur 6, med samme hærdningsplan som i figur 3, udviste PUD #65215A en enorm forbedring i vandfrigivelse/tørring. Ved en vådfilmtykkelse på 8 mil blev der observeret let revnedannelse på prøvens underkant.
FIGUR 6 | PUD #65215A.
Yderligere test af PUD# 65215A i en klar lak med lav glans og pigmenteret lak oven på den samme MDF med en sort basecoat blev evalueret for at vurdere vandfrigivelsesegenskaberne i andre typiske lakformuleringer. Som vist i figur 7 frigav lavglansformuleringen vandet ved 5 og 7 mils våd påføring og dannede en god film. Ved 10 mils våd påføring var den imidlertid for tyk til at frigive vandet under tørre- og hærdningsplanen i figur 3.
FIGUR 7 | Lavglans PUD #65215A.
I en hvidpigmenteret formel klarede PUD #65215A sig godt i den samme tørre- og hærdningsplan som beskrevet i figur 3, undtagen når den blev påført ved 8 våde mils. Som vist i figur 8 revner filmen ved 8 mils på grund af dårlig vandfrigivelse. Samlet set klarede PUD# 65215A sig godt i filmdannelser og tørring i klare, lavglans- og pigmenterede formuleringer, når den blev påført op til 7 mils våd og hærdet ved den accelererede tørre- og hærdningsplan beskrevet i figur 3.
FIGUR 8 | Pigmenteret PUD #65215A.
Blokeringsresultater
Blokeringsmodstand er en belægnings evne til ikke at klæbe til en anden belagt genstand, når den stables. I fremstillingen er dette ofte en flaskehals, hvis det tager tid for en hærdet belægning at opnå blokeringsmodstand. I denne undersøgelse blev pigmenterede formuleringer af Standard #1 og PUD #65215A påført glas ved 5 våde mils ved hjælp af en drawdown-stang. Disse blev hver især hærdet i henhold til hærdningsplanen i figur 3. To belagte glaspaneler blev hærdet på samme tid – 4 minutter efter hærdning blev panelerne fastspændt sammen, som vist i figur 9. De forblev fastspændt sammen ved stuetemperatur i 24 timer. Hvis panelerne let kunne adskilles uden aftryk eller beskadigelse af de belagte paneler, blev testen betragtet som bestået.
Figur 10 illustrerer den forbedrede blokeringsmodstand for PUD# 65215A. Selvom både Standard #1 og PUD #65215A opnåede fuld hærdning i den foregående test, udviste kun PUD #65215A tilstrækkelig vandfrigivelse og hærdning til at opnå blokeringsmodstand.
FIGUR 9 | Illustration af blokeringsmodstandstest.
FIGUR 10 | Blokeringsmodstand for standard #1, efterfulgt af PUD #65215A.
Resultater af akrylblanding
Belægningsproducenter blander ofte WB UV-hærdende harpikser med akryl for at reducere omkostningerne. I vores undersøgelse undersøgte vi også blanding af PUD#65215A med NeoCryl® XK-12, en vandbaseret akryl, der ofte bruges som blandingspartner til UV-hærdende vandbaserede PUD'er på markedet for snedker- og skabsarbejde. For dette marked betragtes KCMA-plettestning som standarden. Afhængigt af slutanvendelsen vil nogle kemikalier blive vigtigere end andre for producenten af den belagte 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 exceptionelt godt i KCMA-farvningstest som en højglansklar, lavglansklar og som en pigmenteret belægning. Selv når den blandes 1:1 med en akrylmaling, påvirkes KCMA-farvningstesten ikke drastisk. Selv ved farvning med midler som sennep, genvandt belægningen sig til et acceptabelt niveau efter 24 timer.
TABEL 3 | Kemisk og pletbestandighed (vurdering 5 er bedst).
Ud over KCMA-farvningstest vil producenterne også teste for hærdning umiddelbart efter UV-hærdning uden for hærdningslinjen. Ofte vil virkningerne af akrylblanding blive bemærket umiddelbart uden for hærdningslinjen i denne test. Forventningen er, at der ikke er gennembrud af belægningen efter 20 dobbeltgnidninger med isopropylalkohol (20 IPA dr). Prøverne 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 dobbeltgnidninger, 1 minut efter UV-hærdning.
Harpiksstabilitet
Stabiliteten af PUD #65215A blev også testet. En formulering betragtes som holdbar, hvis pH-værdien ikke falder til under 7 efter 4 uger ved 40 °C, og viskositeten forbliver stabil sammenlignet med den oprindelige. Til vores test besluttede vi at udsætte prøverne for de barskere forhold på op til 6 uger ved 50 °C. Under disse forhold var standard #1 og #2 ikke stabile.
I vores test undersøgte vi de højglansklare, lavglansklare samt de lavglanspigmenterede formuleringer, der blev brugt i denne undersøgelse. Som vist i figur 12 forblev pH-stabiliteten for 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 demonstrerede stabilitetspræstationen af PUD #65215A, var at teste KCMA-pletbestandigheden af en belægningsformulering, der var blevet ældet i 6 uger ved 50 °C, og sammenligne dette med dens oprindelige KCMA-pletbestandighed. Belægninger, der ikke udviser god stabilitet, vil opleve fald i farvningspræstationen. Som vist i figur 14, opretholdt PUD# 65215A samme præstationsniveau som i den indledende kemiske/pletbestandighedstest af den pigmenterede belægning vist i tabel 3.
FIGUR 14 | Kemiske testpaneler til pigmenteret PUD #65215A.
Konklusioner
For påførere af UV-hærdende vandbaserede belægninger vil PUD #65215A gøre det muligt for dem at opfylde de nuværende ydeevnestandarder inden for snedker-, træ- og skabsmarkederne, og derudover vil det gøre det muligt for belægningsprocessen at se forbedringer af linjehastigheden på mere end 50-60% i forhold til nuværende standard UV-hærdende vandbaserede belægninger. For påføreren 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 spild af belægning på grund af harpiksens stabilitet.
Med VOC'er på under 100 g/L er producenterne også bedre i stand til at opfylde deres VOC-mål. For producenter, der måtte have bekymringer om ekspansion på grund af tilladelsesproblemer, vil den hurtige vandfrigivende PUD #65215A gøre det lettere for dem at opfylde deres lovgivningsmæssige forpligtelser uden at gå på kompromis med ydeevnen.
I begyndelsen af denne artikel citerede vi fra vores interviews, at applikatorer af opløsningsmiddelbaserede UV-hærdende materialer typisk tørrer og hærder belægninger i en proces, der tog mellem 3-5 minutter. Vi har i denne undersøgelse vist, at ifølge processen vist i figur 3, vil PUD #65215A hærde op til 7 mils vådfilmtykkelser på 4 minutter med en ovntemperatur på 140 °C. Dette er inden for rammerne af de fleste opløsningsmiddelbaserede UV-hærdende belægninger. PUD #65215A kan potentielt gøre det muligt for nuværende applikatorer af opløsningsmiddelbaserede UV-hærdende materialer at skifte til et vandbaseret UV-hærdende materiale med få ændringer i deres belægningslinje.
For producenter, der overvejer produktionsudvidelse, vil belægninger baseret på PUD #65215A gøre det muligt for dem at:
● Spar penge ved at bruge en kortere vandbaseret coatinglinje;
● Have et mindre fodaftryk på belægningslinjen i anlægget;
● Have en reduceret indvirkning på den nuværende VOC-tilladelse;
●Opnå energibesparelser takket være reduceret tørrebehov.
Afslutningsvis vil PUD #65215A bidrage til at forbedre fremstillingseffektiviteten af UV-hærdende belægningslinjer gennem harpiksens høje fysiske egenskaber og hurtige vandfrigivende egenskaber, når den tørres ved 140 °C.
Opslagstidspunkt: 14. august 2024
