Vysokoúčinné UV vytvrditeľné nátery sa už mnoho rokov používajú pri výrobe podláh, nábytku a skriniek. Väčšinu tohto obdobia boli na trhu dominantnou technológiou 100 % pevné a na báze rozpúšťadiel vytvrditeľné UV nátery. V posledných rokoch sa rozrástla technológia UV náterov na vodnej báze. UV vytvrditeľné živice na vodnej báze sa ukázali ako užitočný nástroj pre výrobcov z rôznych dôvodov, vrátane úspešného absolvovania testov farbenia KCMA, chemickej odolnosti a znižovania prchavých organických zlúčenín (VOC). Aby táto technológia na tomto trhu naďalej rástla, bolo identifikovaných niekoľko kľúčových faktorov, ktoré je potrebné vylepšiť. Tieto faktory posunú UV vytvrditeľné živice na vodnej báze nad rámec jednoduchej „nevyhnutnosti“, ktorú má väčšina živíc. Začnú pridávať k náteru cenné vlastnosti, čím prinesú hodnotu každej pozícii v hodnotovom reťazci od výrobcu náterov cez aplikátora v továrni až po inštalatéra a nakoniec pre majiteľa.
Výrobcovia, najmä dnes, požadujú náter, ktorý bude robiť viac než len spĺňať špecifikácie. Existujú aj ďalšie vlastnosti, ktoré prinášajú výhody pri výrobe, balení a inštalácii. Jednou z požadovaných vlastností je zlepšenie efektivity závodu. Pre náter na vodnej báze to znamená rýchlejšie uvoľňovanie vody a rýchlejšiu odolnosť voči upchávaniu. Ďalším požadovaným atribútom je zlepšenie stability živice pre zachytenie/opätovné použitie náteru a riadenie ich zásob. Pre koncového používateľa a inštalatéra sú požadovanými vlastnosťami lepšia odolnosť voči lešteniu a žiadne kovové stopy počas inštalácie.
Tento článok sa bude zaoberať novým vývojom polyuretánov na vodnej báze vytvrdzovateľných UV žiarením, ktoré ponúkajú výrazne lepšiu stabilitu farby pri teplote 50 °C v čírych, ako aj pigmentovaných náteroch. Taktiež sa zaoberá tým, ako tieto živice riešia požadované vlastnosti aplikátora náterov pri zvyšovaní rýchlosti linky prostredníctvom rýchleho uvoľňovania vody, zlepšenej odolnosti voči blokovaniu a odolnosti voči rozpúšťadlám mimo linky, čo zvyšuje rýchlosť stohovania a balenia. To tiež zlepší poškodenie mimo linky, ku ktorému niekedy dochádza. Tento článok sa tiež zaoberá zlepšeniami preukázanými v odolnosti voči škvrnám a chemikáliám, ktoré sú dôležité pre inštalatérov a majiteľov.
Pozadie
Situácia v odvetví náterových hmôt sa neustále vyvíja. „Nevyhnutné“ požiadavky, ako je len splnenie špecifikácie za rozumnú cenu za aplikovaný mil, jednoducho nestačia. Situácia pre nátery aplikované v továrňach na skrinky, stolárstvo, podlahy a nábytok, sa rýchlo mení. Výrobcovia, ktorí dodávajú nátery do tovární, sú požiadaní, aby nátery pre zamestnancov nanášali bezpečnejšie, odstraňovali látky vzbudzujúce vysoké obavy, nahrádzali prchavé organické zlúčenia vodou a dokonca používali menej fosílneho uhlíka a viac biouhlíka. Realita je taká, že v celom hodnotovom reťazci každý zákazník požaduje od náteru viac, než len splnenie špecifikácie.
Keďže náš tím videl príležitosť vytvoriť pre továreň väčšiu hodnotu, začal na úrovni továrne skúmať výzvy, ktorým títo aplikátori čelili. Po mnohých rozhovoroch sme začali počuť niektoré spoločné témy:
- Prekážky, ktoré mi umožňujú dosahovať, bránia mojim cieľom v expanzii;
- Náklady rastú a naše kapitálové rozpočty sa znižujú;
- Náklady na energiu aj personál rastú;
- Strata skúsených zamestnancov;
- Naše firemné ciele v oblasti predajných, všeobecných a administratívnych nákladov, ako aj ciele mojich zákazníkov, musia byť splnené; a
- Zahraničná súťaž.
Tieto témy viedli k vyhláseniam o hodnotovej ponuke, ktoré začali rezonovať s aplikátormi polyuretánov na vodnej báze vytvrdzovateľných UV žiarením, najmä na trhu s stolárskymi a kuchynskými potrebami, ako napríklad: „výrobcovia stolárskych a kuchynských výrobkov hľadajú zlepšenie efektívnosti tovární“ a „výrobcovia chcú mať možnosť rozšíriť výrobu na kratších výrobných linkách s menším poškodením pri prepracovaní vďaka náterom s vlastnosťami pomalého uvoľňovania vody.“
Tabuľka 1 ilustruje, ako pre výrobcu surovín pre nátery vedú zlepšenia určitých vlastností náterov a fyzikálnych vlastností k zefektívneniu, ktoré môže dosiahnuť koncový používateľ.
TABUĽKA 1 | Vlastnosti a výhody.
Navrhnutím UV vytvrditeľných PUD s určitými vlastnosťami uvedenými v tabuľke 1 budú môcť koncoví výrobcovia riešiť svoje potreby v oblasti zlepšovania efektívnosti závodov. To im umožní byť konkurencieschopnejšími a potenciálne im to umožní rozšíriť súčasnú výrobu.
Experimentálne výsledky a diskusia
História UV-vytvrditeľných polyuretánových disperzií
V 90. rokoch 20. storočia sa začali v priemyselných aplikáciách používať aniónové polyuretánové disperzie obsahujúce akrylátové skupiny pripojené k polyméru.1 Mnohé z týchto aplikácií sa používali v obaloch, tlačiarenských farbách a náteroch dreva. Obrázok 1 znázorňuje všeobecnú štruktúru UV vytvrditeľného PUD, ktorá demonštruje, ako sú tieto náterové suroviny navrhnuté.
OBRÁZOK 1 | Generická disperzia polyuretánu s akrylátovou funkčnou skupinou.3
Ako je znázornené na obrázku 1, UV vytvrditeľné polyuretánové disperzie (UV vytvrditeľné PUD) sa skladajú z typických zložiek používaných na výrobu polyuretánových disperzií. Alifatické diizokyanáty reagujú s typickými estermi, diolmi, hydrofilizačnými skupinami a predlžovačmi reťazca používanými na výrobu polyuretánových disperzií.2 Rozdiel spočíva v pridaní akrylátového funkčného esteru, epoxidu alebo éterov zabudovaných do kroku predpolyméru počas výroby disperzie. Výber materiálov použitých ako stavebné bloky, ako aj architektúra a spracovanie polyméru určujú výkon a charakteristiky schnutia PUD. Tieto voľby surovín a spracovania povedú k UV vytvrditeľným PUD, ktoré môžu netvoriť film, ako aj k tým, ktoré film tvoria.3 Predmetom tohto článku sú typy tvoriacich film alebo schnúcich materiálov.
Tvorba filmu, alebo sušenie, ako sa často nazýva, vytvorí koalescenčné filmy, ktoré sú pred UV vytvrdzovaním suché na dotyk. Keďže aplikátori chcú obmedziť kontamináciu náteru vzduchom v dôsledku častíc, ako aj potrebujú rýchlosť vo svojom výrobnom procese, tieto sa často sušia v peciach ako súčasť kontinuálneho procesu pred UV vytvrdzovaním. Obrázok 2 znázorňuje typický proces sušenia a vytvrdzovania UV vytvrditeľného PUD.
OBRÁZOK 2 | Proces vytvrdzovania PUD vytvrditeľného UV žiarením.
Používanou metódou nanášania je zvyčajne striekanie. Používa sa však aj nanášanie valčekom alebo dokonca zaplavenie. Po nanesení náter zvyčajne prechádza štvorstupňovým procesom, kým sa s ním opäť manipuluje.
1. Blesk: Toto sa dá vykonať pri izbovej alebo zvýšenej teplote počas niekoľkých sekúnd až niekoľkých minút.
2. Sušenie v peci: V tomto kroku sa voda a kosolventy vytlačia z náteru. Tento krok je kritický a zvyčajne zaberie najviac času v procese. Tento krok sa zvyčajne vykonáva pri teplote > 60 °C a trvá až 8 minút. Môžu sa použiť aj viaczónové sušiarne.
- IR lampa a pohyb vzduchu: Inštalácia IR lámp a ventilátorov s pohybom vzduchu ešte viac urýchli blikanie vody.
3. UV vytvrdzovanie.
4. Ochladenie: Po vytvrdnutí bude potrebné nechať náter vytvrdnúť určitý čas, aby sa dosiahla odolnosť voči blokovaniu. Tento krok môže trvať až 10 minút, kým sa dosiahne odolnosť voči blokovaniu.
Experimentálne
Táto štúdia porovnávala dva UV vytvrditeľné PUD (WB UV), ktoré sa v súčasnosti používajú na trhu s nábytkom a stolárskymi výrobkami, s naším novým vývojom, PUD # 65215A. V tejto štúdii porovnávame štandard č. 1 a štandard č. 2 s PUD # 65215A z hľadiska schnutia, blokovania a chemickej odolnosti. Hodnotíme tiež stabilitu pH a viskozitu, čo môže byť kritické pri zvažovaní opätovného použitia postreku a skladovateľnosti. V tabuľke 2 sú uvedené fyzikálne vlastnosti každej zo živíc použitých v tejto štúdii. Všetky tri systémy boli formulované s podobnou úrovňou fotoiniciátora, prchavých organických zlúčenín (VOC) a úrovňou pevných látok. Všetky tri živice boli formulované s 3 % kosolventom.
TABUĽKA 2 | Vlastnosti PUD živice.
V našich rozhovoroch nám bolo povedané, že väčšina WB-UV náterov na trhu s stolárskym a kuchynským nábytkom schne na výrobnej linke, čo trvá 5 až 8 minút pred UV vytvrdnutím. Naproti tomu UV linka na báze rozpúšťadla (SB-UV) schne 3 až 5 minút. Okrem toho sa nátery na tomto trhu zvyčajne nanášajú za mokra s hrúbkou 4 až 5 mil. Hlavnou nevýhodou vodou riediteľných UV vytvrdzovateľných náterov v porovnaní s UV vytvrdzovateľnými alternatívami na báze rozpúšťadla je čas potrebný na odstránenie vody z výrobnej linky.4 Defekty filmu, ako sú biele škvrny, sa vyskytnú, ak voda nebola pred UV vytvrdnutím z náteru správne odstránená. Toto sa môže stať aj vtedy, ak je hrúbka mokrého filmu príliš veľká. Tieto biele škvrny vznikajú, keď sa počas UV vytvrdzovania vo vnútri filmu zachytí voda.5
Pre túto štúdiu sme zvolili vytvrdzovací režim podobný tomu, ktorý by sa použil na linke na báze rozpúšťadla vytvrdzovateľného UV žiarením. Obrázok 3 znázorňuje náš harmonogram aplikácie, sušenia, vytvrdzovania a balenia použitý v našej štúdii. Tento sušiaci režim predstavuje 50 % až 60 % zlepšenie celkovej rýchlosti linky oproti súčasnému trhovému štandardu v stolárskych a kuchynských aplikáciách.
OBRÁZOK 3 | Harmonogram aplikácie, schnutia, vytvrdzovania a balenia.
Nižšie sú uvedené podmienky aplikácie a vytvrdzovania, ktoré sme použili v našej štúdii:
●Nastriekanie na javorovú dyhu s čiernym základným náterom.
●30-sekundový blesk pri izbovej teplote.
●Sušenie v rúre pri teplote 140 °F po dobu 2,5 minúty (konvekčná rúra).
● UV vytvrdzovanie – intenzita približne 800 mJ/cm2.
- Číre povlaky boli vytvrdené pomocou ortuťovej lampy.
- Pigmentované nátery boli vytvrdzované pomocou kombinovanej Hg/Ga lampy.
● Pred stohovaním nechajte 1 minútu vychladnúť.
V našej štúdii sme tiež nastriekali tri rôzne hrúbky mokrého filmu, aby sme zistili, či sa dosiahnu aj ďalšie výhody, ako napríklad menej vrstiev. 4 mil za mokra je typická hrúbka pre WB UV. V tejto štúdii sme zahrnuli aj aplikácie mokrého náteru s hrúbkou 6 a 8 mil.
Výsledky vytvrdzovania
Výsledky štandardu č. 1, vysoko lesklého číreho náteru, sú znázornené na obrázku 4. Číry UV náter WB bol nanesený na stredne hustú drevovláknitú dosku (MDF) predtým natretú čiernym základným náterom a vytvrdený podľa schémy znázornenej na obrázku 3. Pri hrúbke 4 mil za mokra náter prešiel. Avšak pri hrúbke 6 a 8 mil za mokra náter praskol a 8 mil sa ľahko odstránilo kvôli slabému uvoľňovaniu vody pred UV vytvrdzovaním.
OBRÁZOK 4 | Štandard č. 1.
Podobný výsledok je vidieť aj v štandarde č. 2, ktorý je znázornený na obrázku 5.
OBRÁZOK 5 | Štandard č. 2.
Ako je znázornené na obrázku 6, pri použití rovnakého vytvrdzovacieho harmonogramu ako na obrázku 3, PUD #65215A preukázal obrovské zlepšenie uvoľňovania/schnutia vody. Pri hrúbke mokrého filmu 8 mil sa na spodnom okraji vzorky pozorovalo mierne praskanie.
OBRÁZOK 6 | PUD č. 65215A.
Ďalšie testovanie PUD# 65215A v nízkolesklom čírom nátere a pigmentovanom nátere na rovnakej MDF doske s čiernym základným náterom bolo vyhodnotené s cieľom vyhodnotiť vlastnosti uvoľňovania vody v iných typických zloženích náterov. Ako je znázornené na obrázku 7, nízkolesklé zloženie pri mokrej aplikácii s hrúbkou 5 a 7 mil uvoľnilo vodu a vytvorilo dobrý film. Avšak pri mokrej aplikácii s hrúbkou 10 mil bola príliš hrubá na to, aby uvoľňovala vodu podľa režimu schnutia a vytvrdzovania na obrázku 3.
OBRÁZOK 7 | Nízkolesklý PUD #65215A.
V bielom pigmentovanom zložení si PUD #65215A viedol dobre pri rovnakom režime schnutia a vytvrdzovania, ako je opísané na obrázku 3, s výnimkou prípadu, keď sa nanášal s hrúbkou za mokra 8 mil. Ako je znázornené na obrázku 8, film praská pri hrúbke 8 mil v dôsledku slabého uvoľňovania vody. Celkovo v čírych, nízkolesklých a pigmentovaných zloženiach si PUD# 65215A viedol dobre pri tvorbe filmu a schnutí, keď sa nanášal s hrúbkou za mokra až do 7 mil a vytvrdzoval sa pri zrýchlenom režime schnutia a vytvrdzovania opísanom na obrázku 3.
OBRÁZOK 8 | Pigmentovaný PUD #65215A.
Blokovanie výsledkov
Odolnosť voči blokovaniu je schopnosť náteru nepriľnúť k inému natretému predmetu pri stohovaní. Vo výrobe je to často úzke hrdlo, ak trvá, kým vytvrdený náter dosiahne odolnosť voči blokovaniu. V tejto štúdii boli pigmentované formulácie štandardu č. 1 a PUD č. 65215A nanesené na sklo pri hrúbke 5 mil pomocou lisovacej tyče. Každá z nich bola vytvrdená podľa harmonogramu vytvrdzovania na obrázku 3. Dva potiahnuté sklenené panely boli vytvrdené súčasne – 4 minúty po vytvrdnutí boli panely zopnuté k sebe, ako je znázornené na obrázku 9. Zostali zopnuté k sebe pri izbovej teplote 24 hodín. Ak sa panely dali ľahko oddeliť bez odtlačkov alebo poškodenia natretých panelov, test sa považoval za úspešný.
Obrázok 10 znázorňuje zlepšenú odolnosť voči blokovaniu PUD č. 65215A. Hoci štandard č. 1 aj PUD č. 65215A dosiahli v predchádzajúcom teste úplné vytvrdnutie, iba PUD č. 65215A preukázal dostatočné uvoľnenie vody a vytvrdnutie na dosiahnutie odolnosti voči blokovaniu.
OBRÁZOK 9 | Znázornenie testu blokovacej odolnosti.
OBRÁZOK 10 | Blokovací odpor štandardu č. 1, po ktorom nasleduje PUD č. 65215A.
Výsledky miešania akrylových farieb
Výrobcovia náterov často miešajú UV vytvrdzovateľné živice WB s akrylátmi, aby znížili náklady. V našej štúdii sme sa tiež zamerali na miešanie PUD#65215A s NeoCryl® XK-12, akrylátom na vodnej báze, ktorý sa často používa ako miešací partner pre UV vytvrdzovateľné PUD na vodnej báze na trhu s truhlárskymi a nábytkovými výrobkami. Pre tento trh sa za štandard považuje testovanie farbív KCMA. V závislosti od konečného použitia budú niektoré chemikálie pre výrobcu natieraného výrobku dôležitejšie ako iné. Hodnotenie 5 je najlepšie a hodnotenie 1 je najhoršie.
Ako je uvedené v tabuľke 3, PUD #65215A si v testovaní farbenia KCMA viedol výnimočne dobre ako vysokolesklý číry lak, nízkolesklý číry lak a ako pigmentovaný náter. Ani pri zmiešaní v pomere 1:1 s akrylom nie je výsledok testovania farbenia KCMA výrazne ovplyvnený. Dokonca aj pri farbení látkami, ako je horčica, sa náter po 24 hodinách obnovil na prijateľnú úroveň.
TABUĽKA 3 | Odolnosť voči chemikáliám a škvrnám (najlepšie hodnotenie 5).
Okrem testovania farbením KCMA výrobcovia testujú aj vytvrdnutie ihneď po UV vytvrdnutí mimo linky. V tomto teste sa účinky miešania akrylu často prejavia ihneď po vytvrdnutí. Očakáva sa, že po 20 dvojitých treniach izopropylalkoholom (20 IPA dr) nedôjde k preniknutiu náteru. Vzorky sa testujú 1 minútu po UV vytvrdnutí. V našom testovaní sme zistili, že zmes PUD# 65215A s akrylom v pomere 1:1 týmto testom neprešla. Zistili sme však, že PUD #65215A sa dá zmiešať s 25 % akrylom NeoCryl XK-12 a stále prejde testom 20 IPA dr (NeoCryl je registrovaná ochranná známka skupiny Covestro).
OBRÁZOK 11 | 20 dvojitých vtierok IPA, 1 minútu po UV vytvrdnutí.
Stabilita živice
Taktiež bola testovaná stabilita PUD #65215A. Receptúra sa považuje za skladovateľnú, ak po 4 týždňoch pri teplote 40 °C pH neklesne pod 7 a viskozita zostane stabilná v porovnaní s pôvodnou hodnotou. Pre naše testovanie sme sa rozhodli vystaviť vzorky drsnejším podmienkam až 6 týždňov pri teplote 50 °C. Za týchto podmienok neboli štandardy č. 1 a 2 stabilné.
Pri našom testovaní sme sa zamerali na vysoko lesklé číre laky, nízko lesklé číre laky, ako aj nízko lesklé pigmentované zloženia použité v tejto štúdii. Ako je znázornené na obrázku 12, stabilita pH všetkých troch zložení zostala stabilná a nad prahovou hodnotou pH 7,0. Obrázok 13 znázorňuje minimálnu zmenu viskozity po 6 týždňoch pri teplote 50 °C.
OBRÁZOK 12 | Stabilita pH formulovaného PUD #65215A.
OBRÁZOK 13 | Viskozitná stabilita formulovaného PUD #65215A.
Ďalším testom preukazujúcim stabilitu PUD #65215A bolo opätovné otestovanie odolnosti náterovej zmesi voči farbeniu KCMA, ktorá bola 6 týždňov starnutá pri teplote 50 °C, a porovnanie tejto hodnoty s jej počiatočnou odolnosťou voči farbeniu KCMA. Nátery, ktoré nevykazujú dobrú stabilitu, zaznamenajú pokles vo výkonnosti farbenia. Ako je znázornené na obrázku 14, PUD# 65215A si udržal rovnakú úroveň výkonnosti ako pri počiatočnom testovaní chemickej/farbiacej odolnosti pigmentovaného náteru uvedenom v tabuľke 3.
OBRÁZOK 14 | Chemické testovacie panely pre pigmentovaný PUD #65215A.
Závery
Pre aplikátorov UV vytvrdzovateľných náterov na vodnej báze umožní PUD #65215A splniť súčasné výkonnostné štandardy na trhu s truhlárskymi, drevárskymi a skriňovými výrobkami a navyše umožní, aby proces nanášania náterov zaznamenal zlepšenie rýchlosti linky o viac ako 50 – 60 % oproti súčasným štandardným UV vytvrdzovateľným náterom na vodnej báze. Pre aplikátora to môže znamenať:
●Rýchlejšia výroba;
● Zväčšená hrúbka filmu znižuje potrebu ďalších vrstiev;
●Kratšie sušiace linky;
●Úspora energie vďaka zníženej potrebe sušenia;
● Menej odpadu vďaka rýchlej odolnosti voči blokovaniu;
●Znížený odpad z náteru vďaka stabilite živice.
S obsahom prchavých organických zlúčenín (VOC) nižším ako 100 g/l sú výrobcovia tiež schopnejší splniť svoje ciele týkajúce sa VOC. Výrobcom, ktorí môžu mať obavy z expanzie kvôli problémom s povoleniami, umožní rýchlo sa uvoľňujúci PUD #65215A ľahšie splniť svoje regulačné povinnosti bez zníženia výkonu.
Na začiatku tohto článku sme z našich rozhovorov uviedli, že aplikátori materiálov na báze rozpúšťadiel vytvrdzovateľných UV žiarením zvyčajne sušia a vytvrdzujú nátery v procese, ktorý trvá 3 až 5 minút. V tejto štúdii sme preukázali, že podľa postupu znázorneného na obrázku 3, PUD #65215A vytvrdí mokrý film až do hrúbky 7 mil za 4 minúty pri teplote pece 140 °C. To je v rámci rozpätia väčšiny náterov na báze rozpúšťadiel vytvrdzovateľných UV žiarením. PUD #65215A by mohol potenciálne umožniť súčasným aplikátorom materiálov na báze rozpúšťadiel vytvrdzovateľných UV žiarením prejsť na materiál na báze vody vytvrdzovateľný UV žiarením s malou zmenou ich náterovej linky.
Pre výrobcov, ktorí zvažujú rozšírenie výroby, povlaky na báze PUD #65215A umožnia:
●Ušetrite peniaze vďaka použitiu kratšej linky na nátery na vodnej báze;
●Mať menšiu plochu lakovacej linky v zariadení;
●Majú menší vplyv na súčasné povolenie na emisie prchavých organických zlúčenín (VOC);
●Dosiahnite úspory energie vďaka zníženým potrebám sušenia.
Záverom možno povedať, že PUD #65215A pomôže zlepšiť efektivitu výroby UV vytvrditeľných náterových liniek vďaka vysokým fyzikálnym vlastnostiam a rýchlemu uvoľňovaniu vody zo živice po vysušení pri teplote 140 °C.
Čas uverejnenia: 14. augusta 2024
