Visokozmogljivi UV-strdljivi premazi se že vrsto let uporabljajo pri izdelavi talnih oblog, pohištva in omar. Večino tega časa so bili na trgu prevladujoča tehnologija 100-odstotno trdni in na topilih na osnovi UV-strdljivih premazov. V zadnjih letih se je razvila tehnologija premazov na vodni osnovi, ki se strdijo z UV-žarki. UV-strdljive smole na vodni osnovi so se izkazale za uporabno orodje za proizvajalce iz različnih razlogov, vključno z uspešno prestalami preizkusa barvanja KCMA, kemične odpornosti in zmanjšanjem hlapnih organskih spojin (HOS). Da bi ta tehnologija na tem trgu še naprej rasla, je bilo opredeljenih več gonilnih sil kot ključna področja, kjer so potrebne izboljšave. Te bodo UV-strdljive smole na vodni osnovi popeljale dlje od zgolj "nujnih lastnosti", ki jih ima večina smol. Začele bodo dodajati dragocene lastnosti premazu in prinašati vrednost vsem položajem v vrednostni verigi, od formulatorja premaza do tovarniškega aplikatorja, monterja in končno lastniku.
Proizvajalci, še posebej danes, si želijo premaza, ki bo več kot le izpolnjeval specifikacije. Obstajajo tudi druge lastnosti, ki zagotavljajo prednosti pri proizvodnji, pakiranju in vgradnji. Ena od zaželenih lastnosti je izboljšanje učinkovitosti obrata. Za premaz na vodni osnovi to pomeni hitrejše sproščanje vode in hitrejšo odpornost proti blokiranju. Druga zaželena lastnost je izboljšanje stabilnosti smole za zajemanje/ponovno uporabo premaza in upravljanje zalog. Za končnega uporabnika in monterja so zaželene lastnosti boljša odpornost proti poliranju in odsotnost kovinskih sledi med vgradnjo.
Ta članek bo obravnaval novosti na področju poliuretanov na vodni osnovi, ki se strjujejo z UV-žarki in ponujajo precej izboljšano stabilnost barve pri 50 °C v prozornih in pigmentiranih premazih. Obravnava tudi, kako te smole obravnavajo želene lastnosti nanašalca premazov pri povečanju hitrosti linije s hitrim sproščanjem vode, izboljšano odpornostjo na blokade in odpornostjo na topila izven linije, kar izboljša hitrost zlaganja in pakiranja. To bo izboljšalo tudi zaščito pred poškodbami izven linije, ki se včasih pojavijo. Ta članek obravnava tudi izboljšave, dokazane pri odpornosti na madeže in kemikalije, ki so pomembne za monterje in lastnike.
Ozadje
Pokrajina industrije premazov se nenehno spreminja. »Obvezni« pogoji, kot je zgolj izpolnjevanje specifikacij po razumni ceni na nanešeni mil, preprosto niso dovolj. Pokrajina za tovarniško nanašane premaze za omare, stavbno pohištvo, talne obloge in pohištvo se hitro spreminja. Od proizvajalcev formul, ki dobavljajo premaze tovarnam, se zahteva, da premaze naredijo varnejše za nanašanje zaposlenimi, odstranijo snovi, ki vzbujajo zaskrbljenost, nadomestijo HOS z vodo in celo porabijo manj fosilnega ogljika in več bioogljika. Resničnost je, da vsaka stranka vzdolž celotne vrednostne verige od premaza zahteva več kot le izpolnjevanje specifikacij.
Ker je naša ekipa videla priložnost za ustvarjanje večje vrednosti za tovarno, je začela na ravni tovarne raziskovati izzive, s katerimi se soočajo ti izvajalci. Po številnih intervjujih smo začeli slišati nekaj skupnih tem:
- Dopuščanje ovir preprečuje moje cilje širitve;
- Stroški se povečujejo, naši kapitalski proračuni pa se zmanjšujejo;
- Stroški energije in osebja se povečujejo;
- Izguba izkušenih zaposlenih;
- Izpolniti je treba naše cilje glede prodajnih, splošnih in administrativnih stroškov ter cilje mojih strank; in
- Tekmovanje v tujini.
Te teme so privedle do izjav o vrednostni ponudbi, ki so začele odmevati pri uporabnikih poliuretanov na vodni osnovi, ki se strjujejo z UV-žarki, zlasti na trgu stavbnega pohištva in omar, kot so: »proizvajalci stavbnega pohištva in omar iščejo izboljšave v učinkovitosti tovarn« in »proizvajalci želijo možnost širitve proizvodnje na krajših proizvodnih linijah z manjšo škodo zaradi premazov s počasnimi lastnostmi sproščanja vode«.
Tabela 1 prikazuje, kako za proizvajalca surovin za premaze izboljšave nekaterih lastnosti premazov in fizikalnih lastnosti vodijo do učinkovitosti, ki jo lahko doseže končni uporabnik.
TABELA 1 | Lastnosti in prednosti.
Z načrtovanjem UV-strdljivih PUD-ov z določenimi lastnostmi, kot so navedene v tabeli 1, bodo končni proizvajalci lahko obravnavali svoje potrebe po izboljšanju učinkovitosti obratov. To jim bo omogočilo večjo konkurenčnost in jim potencialno omogočilo širitev trenutne proizvodnje.
Eksperimentalni rezultati in razprava
Zgodovina UV-strdljivih poliuretanskih disperzij
V devetdesetih letih prejšnjega stoletja so se anionske poliuretanske disperzije, ki vsebujejo akrilatne skupine, vezane na polimer, začele komercialno uporabljati v industrijskih aplikacijah.1 Številne od teh aplikacij so bile v embalaži, črnilih in lesnih premazih. Slika 1 prikazuje generično strukturo UV-strdljivega PUD-a, ki prikazuje, kako so ti premazni surovini zasnovani.
SLIKA 1 | Generična akrilatno funkcionalna poliuretanska disperzija.3
Kot je prikazano na sliki 1, so UV-strdljive poliuretanske disperzije (UV-strdljive PUD-e) sestavljene iz tipičnih komponent, ki se uporabljajo za izdelavo poliuretanskih disperzij. Alifatski diizocianati reagirajo s tipičnimi estri, dioli, hidrofilizacijskimi skupinami in podaljševalci verig, ki se uporabljajo za izdelavo poliuretanskih disperzij.2 Razlika je v dodatku akrilatnega funkcionalnega estra, epoksija ali etrov, vključenih v korak predpolimerizacije med izdelavo disperzije. Izbira materialov, uporabljenih kot gradniki, ter arhitektura in obdelava polimera narekujejo delovanje in sušilne lastnosti PUD-a. Te izbire surovin in obdelave bodo vodile do UV-strdljivih PUD-ov, ki so lahko ne-film strdljivi, pa tudi tistih, ki tvorijo film.3 Vrste tvorjenja filma ali sušenja so predmet tega članka.
Oblikovanje filma ali sušenje, kot se pogosto imenuje, ustvari koalescirane filme, ki so pred UV-strjevanjem suhi na dotik. Ker želijo izvajalci omejiti kontaminacijo premaza z delci v zraku, pa tudi ker je potreben hiter proizvodni proces, se ti pogosto sušijo v pečicah kot del neprekinjenega procesa pred UV-strjevanjem. Slika 2 prikazuje tipičen postopek sušenja in strjevanja UV-strjevalnega PUD-a.
SLIKA 2 | Postopek strjevanja PUD-a, ki se strdi z UV-žarki.
Običajno se uporablja brizgalna metoda. Uporabljajo pa se tudi nanos z lopatico čez valjček in celo poplavni nanos. Ko je premaz nanesen, običajno gre skozi štiristopenjski postopek, preden se z njim ponovno ravna.
1. Bliskavica: To lahko storite pri sobni ali povišani temperaturi od nekaj sekund do nekaj minut.
2. Sušenje v pečici: Tukaj se voda in sotopila iztisnejo iz premaza. Ta korak je ključnega pomena in običajno traja največ časa v procesu. Ta korak se običajno izvaja pri temperaturi >60 °C in traja do 8 minut. Uporabijo se lahko tudi večconske sušilne pečice.
- IR svetilka in gibanje zraka: Namestitev IR svetilk in ventilatorjev za gibanje zraka bo še pospešila utripanje vode.
3. UV utrjevanje.
4. Hlajenje: Ko se premaz strdi, se mora strjevati nekaj časa, da doseže odpornost proti blokiranju. Ta korak lahko traja do 10 minut, preden se doseže odpornost proti blokiranju.
Eksperimentalno
V tej študiji so primerjali dva UV-strdljiva PUD-a (WB UV), ki se trenutno uporabljata na trgu omar in stavbnega pohištva, z našim novim razvojem, PUD # 65215A. V tej študiji primerjamo standard št. 1 in standard št. 2 s PUD # 65215A glede sušenja, zlepljenja in kemične odpornosti. Ocenjujemo tudi stabilnost pH in stabilnost viskoznosti, kar je lahko ključnega pomena pri ponovni uporabi prekomernega pršenja in roku uporabnosti. Spodaj v tabeli 2 so prikazane fizikalne lastnosti vsake od smol, uporabljenih v tej študiji. Vsi trije sistemi so bili formulirani s podobno ravnijo fotoiniciatorja, HOS in ravnijo trdnih snovi. Vse tri smole so bile formulirane s 3 % kosolventa.
TABELA 2 | Lastnosti PUD smole.
V intervjujih so nam povedali, da se večina WB-UV premazov na trgu stavbnega pohištva in pohištva suši na proizvodni liniji, kar traja od 5 do 8 minut, preden se strdijo z UV-žarki. Nasprotno pa se UV-linija na osnovi topil (SB-UV) suši v 3 do 5 minutah. Poleg tega se na tem trgu premazi običajno nanašajo mokri debeline 4-5 mil. Glavna pomanjkljivost UV-strdljivih premazov na vodni osnovi v primerjavi z alternativami na osnovi topil, ki se strdijo z UV-žarki, je čas, potreben za odvajanje vode na proizvodni liniji.4 Napake na filmu, kot so bele pike, se pojavijo, če voda pred UV-strjevanjem ni bila pravilno odstranjena s premaza. Do tega lahko pride tudi, če je debelina mokrega filma prevelika. Te bele pike nastanejo, ko se med UV-strjevanjem voda ujame v film.5
Za to študijo smo izbrali urnik sušenja, podoben tistemu, ki bi se uporabljal na liniji na osnovi topil, ki se strjuje z UV-žarki. Slika 3 prikazuje naš urnik nanašanja, sušenja, sušenja in pakiranja, ki smo ga uporabili za našo študijo. Ta urnik sušenja predstavlja od 50 % do 60 % izboljšanje skupne hitrosti linije v primerjavi s trenutnim tržnim standardom pri mizarstvu in izdelavi omar.
SLIKA 3 | Načrt nanašanja, sušenja, strjevanja in pakiranja.
Spodaj so navedeni pogoji nanašanja in strjevanja, ki smo jih uporabili v naši študiji:
● Nanos s pršenjem na javorjev furnir s črnim osnovnim premazom.
●30-sekundni blisk pri sobni temperaturi.
● Sušenje v pečici pri temperaturi 140 °F (konvekcijska pečica) 2,5 minute.
●UV utrjevanje – intenzivnost približno 800 mJ/cm2.
- Prozorni premazi so bili utrjeni z uporabo Hg svetilke.
- Pigmentirane premaze smo utrdili s kombinirano Hg/Ga svetilko.
● Pred zlaganjem pustite 1 minuto hlajenja.
Za našo študijo smo nanesli tudi tri različne debeline mokrega filma, da bi ugotovili, ali bi se dosegle tudi druge prednosti, kot je manj nanosov. 4 mil mokrega filma je tipična debelina za WB UV. V to študijo smo vključili tudi nanose mokrega premaza 6 in 8 mil.
Rezultati strjevanja
Rezultati standarda št. 1, visokosijajnega prozornega premaza, so prikazani na sliki 4. Prozorni UV premaz WB je bil nanesen na srednje gosto vlakneno ploščo (MDF), predhodno premazano s črnim osnovnim premazom in utrjen po urniku, prikazanem na sliki 3. Pri debelini mokrega premaza 4 mil je premaz prestal preboj. Pri debelini mokrega premaza 6 in 8 mil pa je premaz razpokal in debelino 8 mil je bilo zaradi slabega sproščanja vode pred UV utrjevanjem enostavno odstraniti.
SLIKA 4 | Standard št. 1.
Podoben rezultat je viden tudi v standardu št. 2, prikazanem na sliki 5.
SLIKA 5 | Standard št. 2.
Kot je prikazano na sliki 6, je PUD #65215A z uporabo istega urnika strjevanja kot na sliki 3 pokazal izjemno izboljšanje sproščanja/sušenja vode. Pri debelini mokrega filma 8 mil je bilo na spodnjem robu vzorca opaženo rahlo razpokanje.
SLIKA 6 | PUD št. 65215A.
Dodatno testiranje PUD# 65215A v nizkosijajnem prozornem premazu in pigmentiranem premazu na isti MDF plošči s črnim osnovnim premazom je bilo ocenjeno za oceno lastnosti sproščanja vode pri drugih tipičnih formulacijah premazov. Kot je prikazano na sliki 7, je nizkosijajna formulacija pri mokrem nanosu 5 in 7 mil sprostila vodo in tvorila dober film. Vendar pa je bila pri mokrem nanosu 10 mil preveč gosta, da bi sprostila vodo med urnikom sušenja in strjevanja na sliki 3.
SLIKA 7 | Nizkosijajni PUD #65215A.
V beli pigmentirani formuli se je PUD #65215A dobro obnesel pri istem urniku sušenja in strjevanja, kot je opisano na sliki 3, razen pri nanosu pri debelini mokrega sloja 8 mil. Kot je prikazano na sliki 8, film razpoka pri debelini 8 mil zaradi slabega sproščanja vode. Na splošno se je v prozornih, nizkosijajnih in pigmentiranih formulacijah PUD# 65215A dobro obnesel pri nastajanju filma in sušenju, ko je bil nanesen do debeline 7 mil mokrega sloja in strjen pri pospešenem urniku sušenja in strjevanja, opisanem na sliki 3.
SLIKA 8 | Pigmentirani PUD #65215A.
Blokiranje rezultatov
Odpornost proti blokiranju je sposobnost premaza, da se pri zlaganju ne oprime drugega premazanega predmeta. V proizvodnji je to pogosto ozko grlo, če traja nekaj časa, da strjeni premaz doseže odpornost proti blokiranju. V tej študiji so bile pigmentirane formulacije standarda št. 1 in PUD št. 65215A nanesene na steklo pri mokri gostoti 5 mil z uporabo vlečne palice. Vsaka je bila utrjena v skladu z urnikom utrjevanja na sliki 3. Dve premazani stekleni plošči sta bili utrjeni hkrati – 4 minute po utrjevanju sta bili plošči stisnjeni skupaj, kot je prikazano na sliki 9. Ostali sta stisnjeni skupaj pri sobni temperaturi 24 ur. Če sta bili plošči zlahka ločeni brez odtisa ali poškodbe premazanih plošč, je bil test ocenjen kot uspešen.
Slika 10 prikazuje izboljšano odpornost proti blokiranju PUD# 65215A. Čeprav sta tako Standard #1 kot PUD #65215A v prejšnjem testu dosegla popolno strjevanje, je le PUD #65215A pokazal dovolj sproščanja vode in strjevanja za doseganje odpornosti proti blokiranju.
SLIKA 9 | Ilustracija preizkusa blokirne upornosti.
SLIKA 10 | Blokirni upor standarda št. 1, ki mu sledi PUD št. 65215A.
Rezultati mešanja akrila
Proizvajalci premazov pogosto mešajo UV-strdljive smole WB z akrilnimi premazi, da bi znižali stroške. V naši študiji smo preučili tudi mešanje PUD#65215A z NeoCryl® XK-12, akrilom na vodni osnovi, ki se pogosto uporablja kot mešalni partner za UV-strdljive PUD-e na vodni osnovi na trgu stavbnega pohištva in pohištva. Za ta trg velja testiranje barvanja KCMA za standard. Glede na končno uporabo bodo nekatere kemikalije za proizvajalca premazanega izdelka pomembnejše od drugih. Ocena 5 je najboljša, ocena 1 pa najslabša.
Kot je prikazano v tabeli 3, se PUD #65215A izjemno dobro obnese v testiranju barvanja s KCMA kot visokosijajni prozorni lak, nizkosijajni prozorni lak in kot pigmentiran premaz. Tudi če je zmešan v razmerju 1:1 z akrilom, rezultati testiranja barvanja s KCMA niso bistveno prizadeti. Tudi pri barvanju s sredstvi, kot je gorčica, se je premaz po 24 urah vrnil na sprejemljivo raven.
TABELA 3 | Odpornost na kemikalije in madeže (najboljša ocena je 5).
Poleg testiranja barvanja s KCMA proizvajalci testirajo tudi strjevanje takoj po UV strjevanju izven proizvodne linije. Učinki mešanja akrila se pri tem testu pogosto opazijo takoj po strjevanju. Pričakuje se, da po 20 dvojnih drgnjenjih z izopropilnim alkoholom (20 IPA dr) ne bo prišlo do preboja premaza. Vzorci se testirajo 1 minuto po UV strjevanju. V našem testiranju smo ugotovili, da mešanica PUD# 65215A z akrilom v razmerju 1:1 ni prestala tega testa. Vendar smo ugotovili, da je mogoče PUD #65215A zmešati s 25 % akrila NeoCryl XK-12 in še vedno prestati test 20 IPA dr (NeoCryl je registrirana blagovna znamka skupine Covestro).
SLIKA 11 | 20 dvojnih vtiranja IPA, 1 minuto po UV-strjevanju.
Stabilnost smole
Preizkušena je bila tudi stabilnost PUD #65215A. Formulacija velja za stabilno pri skladiščenju, če po 4 tednih pri 40 °C pH ne pade pod 7 in viskoznost ostane stabilna v primerjavi z začetno. Za naše testiranje smo se odločili, da vzorce izpostavimo ostrejšim pogojem do 6 tednov pri 50 °C. Pri teh pogojih standarda št. 1 in št. 2 nista bila stabilna.
Za naše testiranje smo preučili visokosijajne in nizkosijajne prozorne lake ter nizkosijajne pigmentirane formulacije, uporabljene v tej študiji. Kot je prikazano na sliki 12, je pH stabilnost vseh treh formulacij ostala stabilna in nad pragom pH 7,0. Slika 13 prikazuje minimalno spremembo viskoznosti po 6 tednih pri 50 °C.
SLIKA 12 | pH stabilnost formuliranega PUD #65215A.
SLIKA 13 | Viskoznostna stabilnost formuliranega PUD #65215A.
Drug test, ki je dokazal stabilnost PUD #65215A, je bil ponovni test odpornosti na madeže KCMA pri formulaciji premaza, ki je bila 6 tednov starana pri 50 °C, in primerjava te odpornosti z začetno odpornostjo na madeže KCMA. Premazi, ki ne kažejo dobre stabilnosti, bodo imeli slabšo učinkovitost pri madežeh. Kot je prikazano na sliki 14, je PUD# 65215A ohranil enako raven učinkovitosti kot pri začetnem testiranju odpornosti na kemikalije/madeže pigmentiranega premaza, prikazanem v tabeli 3.
SLIKA 14 | Kemijske testne plošče za pigmentirani PUD #65215A.
Zaključki
Za nanašalce UV-strdljivih premazov na vodni osnovi bo PUD #65215A omogočil izpolnjevanje trenutnih standardov delovanja na trgih stavbnega pohištva, lesa in omar, poleg tega pa bo omogočil izboljšanje hitrosti linije v procesu nanašanja premazov za več kot 50–60 % v primerjavi s trenutnimi standardnimi UV-strdljivimi premazi na vodni osnovi. Za nanašalca to lahko pomeni:
●Hitrejša proizvodnja;
●Povečana debelina filma zmanjša potrebo po dodatnih nanosih;
●Krajše sušilne linije;
●Prihranek energije zaradi zmanjšane potrebe po sušenju;
● Manj odpadkov zaradi hitre odpornosti proti blokiranju;
●Zmanjšana količina odpadkov premaza zaradi stabilnosti smole.
Z vsebnostjo HOS manj kot 100 g/L lahko proizvajalci lažje dosežejo svoje cilje glede HOS. Za proizvajalce, ki jih morda skrbi širitev zaradi težav z dovoljenji, bo PUD s hitrim sproščanjem vode #65215A omogočil lažje izpolnjevanje regulativnih obveznosti brez žrtvovanja učinkovitosti.
Na začetku tega članka smo iz naših intervjujev navedli, da aplikatorji materialov na osnovi topil, ki se strjujejo z UV-žarki, običajno posušijo in strdijo premaze v postopku, ki traja od 3 do 5 minut. V tej študiji smo pokazali, da bo PUD #65215A v skladu s postopkom, prikazanim na sliki 3, strdil do 7 mil debeline mokrega filma v 4 minutah pri temperaturi pečice 140 °C. To je precej znotraj okvirja večine premazov na osnovi topil, ki se strjujejo z UV-žarki. PUD #65215A bi lahko trenutnim aplikatorjem materialov na osnovi topil, ki se strjujejo z UV-žarki, omogočil prehod na material na vodni osnovi, ki se strjuje z UV-žarki, z majhnimi spremembami v njihovi liniji premazov.
Za proizvajalce, ki razmišljajo o širitvi proizvodnje, bodo premazi na osnovi PUD #65215A omogočili:
● Prihranite denar z uporabo krajše linije za premazovanje na vodni osnovi;
● V obratu je treba namestiti manjšo površino linije za premazovanje;
●Zmanjšati vpliv na trenutno dovoljenje za HOS;
● Prihranite energijo zaradi zmanjšanih potreb po sušenju.
Skratka, PUD #65215A bo pripomogel k izboljšanju učinkovitosti proizvodnje linij za premaze, ki se strjujejo z UV-žarki, zaradi visokih fizikalnih lastnosti in hitrega sproščanja vode iz smole po sušenju pri 140 °C.
Čas objave: 14. avg. 2024
