Hoogwaardige UV-uithardbare coatings worden al vele jaren gebruikt bij de vervaardiging van vloeren, meubels en kasten. Het grootste deel van deze tijd zijn 100% vaste en op oplosmiddelen gebaseerde UV-uithardbare coatings de dominante technologie op de markt geweest. De afgelopen jaren is de watergebaseerde UV-uithardbare coatingtechnologie gegroeid. Op water gebaseerde UV-uithardbare harsen hebben om verschillende redenen bewezen een nuttig hulpmiddel te zijn voor fabrikanten, waaronder het doorstaan van KCMA-vlekken, testen op chemische resistentie en het verminderen van VOS. Om deze technologie in deze markt te laten blijven groeien, zijn verschillende factoren geïdentificeerd als belangrijke gebieden waarop verbeteringen moeten worden aangebracht. Hiervoor zijn op water gebaseerde UV-uithardbare harsen nodig die verder gaan dan alleen de “must haves” die de meeste harsen bezitten. Ze zullen beginnen met het toevoegen van waardevolle eigenschappen aan de coating, waardoor waarde wordt toegevoegd aan elke positie in de waardeketen, van de samensteller van de coating tot de fabrieksaanbrenger, de installateur en uiteindelijk de eigenaar.
Fabrikanten willen, vooral vandaag de dag, een coating die meer doet dan alleen aan de specificaties voldoen. Er zijn ook andere eigenschappen die voordelen bieden bij de productie, verpakking en installatie. Eén gewenst kenmerk is verbetering van de efficiëntie van de fabriek. Voor de coating op waterbasis betekent dit een snellere waterafgifte en een snellere blokkeringsweerstand. Een ander gewenst kenmerk is het verbeteren van de harsstabiliteit voor het opvangen/hergebruiken van een coating en het beheer van de inventaris ervan. Voor de eindgebruiker en installateur zijn de gewenste eigenschappen een betere polijstweerstand en het ontbreken van metaalmarkeringen tijdens de installatie.
Dit artikel bespreekt nieuwe ontwikkelingen op het gebied van UV-uithardende polyurethaan op waterbasis die een sterk verbeterde verfstabiliteit bij 50 °C bieden in heldere en gepigmenteerde coatings. Ook wordt besproken hoe deze harsen tegemoetkomen aan de gewenste eigenschappen van de coatingapplicator bij het verhogen van de lijnsnelheid door snelle waterafgifte, verbeterde blokweerstand en oplosmiddelweerstand buiten de lijn, wat de snelheid bij stapel- en verpakkingswerkzaamheden verbetert. Dit zal ook de off-the-line schade verbeteren die soms optreedt. In dit artikel worden ook verbeteringen besproken die zijn aangetoond op het gebied van vlek- en chemische bestendigheid, die belangrijk zijn voor installateurs en eigenaren.
Achtergrond
Het landschap van de coatingindustrie evolueert voortdurend. De “must haves” van alleen maar voldoen aan de specificatie tegen een redelijke prijs per toegepaste mil is eenvoudigweg niet genoeg. Het landschap voor in de fabriek aangebrachte coatings op kasten, schrijnwerk, vloeren en meubels verandert snel. Formuleerders die coatings aan de fabrieken leveren, wordt gevraagd om coatings veiliger te maken voor werknemers om deze aan te brengen, zorgwekkende stoffen te verwijderen, VOS te vervangen door water en zelfs minder fossiele koolstof en meer biokoolstof te gebruiken. De realiteit is dat elke klant in de hele waardeketen van de coating vraagt om meer te doen dan alleen aan de specificatie te voldoen.
Ons team zag een kans om meer waarde voor de fabriek te creëren en begon op fabrieksniveau te onderzoeken met welke uitdagingen deze applicateurs werden geconfronteerd. Na veel interviews begonnen we enkele gemeenschappelijke thema’s te horen:
- Het toestaan van obstakels verhindert mijn uitbreidingsdoelen;
- De kosten stijgen en onze kapitaalbudgetten nemen af;
- De kosten van zowel energie als personeel stijgen;
- Verlies van ervaren medewerkers;
- Onze zakelijke VAA-doelstellingen, evenals die van mijn klant, moeten worden gehaald; En
- Overzeese concurrentie.
Deze thema’s leidden tot uitspraken over waardeproposities die weerklank begonnen te vinden bij applicateurs van UV-uithardbare polyurethaan op waterbasis, vooral in de markt voor schrijnwerk en schrijnwerk, zoals: “fabrikanten van schrijnwerk en schrijnwerk zoeken naar verbeteringen in de fabrieksefficiëntie” en “fabrikanten willen de mogelijkheid hebben om de productie uit te breiden op kortere productielijnen met minder nabewerkingsschade dankzij de coatings met langzame waterafgevende eigenschappen.”
Tabel 1 illustreert hoe voor de fabrikant van coatinggrondstoffen verbeteringen in bepaalde coatingeigenschappen en fysieke eigenschappen leiden tot efficiëntieverbeteringen die door de eindgebruiker kunnen worden gerealiseerd.
TABEL 1 | Kenmerken en voordelen.
Door UV-uithardbare PUD's te ontwerpen met bepaalde eigenschappen, zoals vermeld in Tabel 1, kunnen fabrikanten van eindgebruik tegemoetkomen aan de behoeften die zij hebben bij het verbeteren van de efficiëntie van installaties. Hierdoor kunnen ze concurrerender zijn en kunnen ze mogelijk de huidige productie uitbreiden.
Experimentele resultaten en discussie
Geschiedenis van UV-uithardbare polyurethaandispersies
In de jaren negentig begon het commerciële gebruik van anionische polyurethaandispersies die aan het polymeer gebonden acrylaatgroepen bevatten, te worden gebruikt in industriële toepassingen.1 Veel van deze toepassingen vonden plaats in verpakkingen, inkten en houtcoatings. Figuur 1 toont een generieke structuur van een UV-uithardbare PUD, die laat zien hoe deze coatinggrondstoffen zijn ontworpen.
FIGUUR 1 | Generieke acrylaat-functionele polyurethaandispersie.3
Zoals weergegeven in Figuur 1 bestaan UV-uithardbare polyurethaandispersies (UV-uithardbare PUD's) uit de typische componenten die worden gebruikt om polyurethaandispersies te maken. Alifatische diisocyanaten worden gereageerd met de typische esters, diolen, hydrofiliseringsgroepen en ketenverlengers die worden gebruikt om polyurethaandispersies te maken.2 Het verschil is de toevoeging van een acrylaatfunctionele ester, epoxy of ethers die in de prepolymeerstap worden opgenomen tijdens het maken van de dispersie. . De keuze van de materialen die als bouwstenen worden gebruikt, evenals de polymeerarchitectuur en -verwerking, bepalen de prestaties en droogeigenschappen van een PUD. Deze keuzes in grondstoffen en verwerking zullen leiden tot UV-uithardende PUD's die niet-filmvormend kunnen zijn, maar ook PUD's die wel filmvormend zijn.3 De filmvormende of drogende typen zijn het onderwerp van dit artikel.
Filmvorming, of drogen zoals het vaak wordt genoemd, levert samengevoegde films op die droog aanvoelen voordat ze door UV worden uitgehard. Omdat applicateurs de vervuiling van de coating door de lucht door deeltjes willen beperken, evenals de noodzaak van snelheid in hun productieproces, worden deze vaak in ovens gedroogd als onderdeel van een continu proces voorafgaand aan UV-uitharding. Figuur 2 toont het typische droog- en uithardingsproces van een UV-uithardbare PUD.
FIGUUR 2 | Proces om een UV-uithardbare PUD uit te harden.
De gebruikte applicatiemethode is meestal spray. Er zijn echter knife-over-roll en zelfs flood-coat gebruikt. Eenmaal aangebracht, doorloopt de coating meestal een proces van vier stappen voordat deze opnieuw wordt verwerkt.
1.Flash: Dit kan worden gedaan bij kamertemperatuur of bij verhoogde temperaturen gedurende enkele seconden tot een paar minuten.
2. Ovendroog: Hier worden het water en de co-oplosmiddelen uit de coating verdreven. Deze stap is van cruciaal belang en neemt doorgaans de meeste tijd in een proces in beslag. Deze stap vindt gewoonlijk plaats bij >140 °F en duurt maximaal 8 minuten. Er kunnen ook droogovens met meerdere zones worden gebruikt.
- IR-lamp en luchtbeweging: Installatie van IR-lampen en luchtbewegingsventilatoren zal de waterflits nog sneller versnellen.
3.UV-uitharding.
4.Afkoelen: Eenmaal uitgehard, moet de coating enige tijd uitharden om weerstand tegen blokkeren te bereiken. Deze stap kan wel 10 minuten duren voordat de blokkeringsweerstand wordt bereikt
Experimenteel
In dit onderzoek werden twee UV-uithardbare PUD's (WB UV), die momenteel worden gebruikt in de kasten- en schrijnwerkmarkt, vergeleken met onze nieuwe ontwikkeling, PUD # 65215A. In deze studie vergelijken we Standaard #1 en Standaard #2 met PUD #65215A op het gebied van drogen, blokkeren en chemische bestendigheid. We evalueren ook de pH-stabiliteit en viscositeitsstabiliteit, wat van cruciaal belang kan zijn bij het overwegen van hergebruik van overspray en houdbaarheid. Hieronder in Tabel 2 worden de fysische eigenschappen weergegeven van elk van de harsen die in dit onderzoek zijn gebruikt. Alle drie de systemen werden geformuleerd met een vergelijkbaar niveau van foto-initiator, VOS en vaste stoffen. Alle drie de harsen werden geformuleerd met 3% co-oplosmiddel.
TABEL 2 | Eigenschappen van PUD-hars.
In onze interviews werd ons verteld dat de meeste WB-UV-coatings op de markt voor schrijnwerk en kasten drogen op een productielijn, wat tussen de 5 en 8 minuten duurt voordat UV-uitharding plaatsvindt. Een UV-lijn (SB-UV) op oplosmiddelbasis droogt daarentegen in 3-5 minuten. Bovendien worden coatings voor deze markt doorgaans 4-5 mil nat aangebracht. Een groot nadeel van watergedragen UV-uithardende coatings in vergelijking met UV-uithardbare, op oplosmiddelen gebaseerde alternatieven is de tijd die nodig is om water op een productielijn te laten verdampen.4 Filmdefecten zoals witte vlekken zullen optreden als het water niet goed uit de productielijn is gedampt. coating vóór UV-uitharding. Dit kan ook gebeuren als de natte laagdikte te hoog is. Deze witte vlekken ontstaan wanneer er tijdens UV-uitharding water in de film vast komt te zitten
Voor deze studie kozen we voor een uithardingsschema dat vergelijkbaar is met het uithardingsschema dat zou worden gebruikt op een UV-uithardbare lijn op oplosmiddelbasis. Figuur 3 toont ons schema voor aanbrengen, drogen, uitharden en verpakken dat voor ons onderzoek is gebruikt. Dit droogschema vertegenwoordigt een verbetering van 50% tot 60% in de algehele lijnsnelheid ten opzichte van de huidige marktstandaard in schrijnwerk- en meubeltoepassingen.
FIGUUR 3 | Applicatie-, droog-, uithardings- en verpakkingsschema.
Hieronder staan de toepassings- en uithardingsomstandigheden die we voor ons onderzoek hebben gebruikt:
●Spuitapplicatie over esdoornfineer met een zwarte grondlaag.
●30 seconden durende flits op kamertemperatuur.
●Drogoven van 140 °F gedurende 2,5 minuten (heteluchtoven).
●UV-uitharding – intensiteit ongeveer 800 mJ/cm2.
- Heldere coatings werden uitgehard met behulp van een Hg-lamp.
- Gepigmenteerde coatings werden uitgehard met behulp van een combinatie Hg/Ga-lamp.
●1 minuut afkoelen vóór het stapelen.
Voor ons onderzoek hebben we ook drie verschillende natte laagdiktes gespoten om te kijken of er ook andere voordelen zoals minder lagen gerealiseerd zouden worden. 4 mil nat is typisch voor WB UV. Voor deze studie hebben we ook natlaktoepassingen van 6 en 8 mil meegenomen.
Uithardingsresultaten
Standaard nr. 1, een hoogglanzende blanke lak, de resultaten worden weergegeven in Figuur 4. De WB UV-heldere coating werd aangebracht op medium-dense vezelplaat (MDF) die eerder was gecoat met een zwarte grondlaag en uitgehard volgens het schema in Figuur 3. Bij 4 mil nat gaat de coating door. Bij natte applicatie van 6 en 8 mil barstte de coating echter, en 8 mil werd gemakkelijk verwijderd vanwege de slechte waterafgifte vóór UV-uitharding.
FIGUUR 4 | Standaard #1.
Een soortgelijk resultaat is ook te zien in Standaard nr. 2, weergegeven in Figuur 5.
FIGUUR 5 | Standaard #2.
Getoond in Figuur 6, met hetzelfde uithardingsschema als in Figuur 3, demonstreerde PUD #65215A een enorme verbetering in waterafgifte/droging. Bij een natte filmdikte van 8 mil werden lichte barsten waargenomen aan de onderrand van het monster.
FIGUUR 6 | PUD-nr.65215A.
Aanvullende testen van PUD# 65215A in een laagglans heldere coating en gepigmenteerde coating op dezelfde MDF met een zwarte basislaag werden geëvalueerd om de waterafgevende eigenschappen van andere typische coatingformuleringen te evalueren. Zoals getoond in figuur 7 liet de laagglansformulering bij natte applicatie van 5 en 7 mil het water los en vormde een goede film. Bij een natte temperatuur van 10 mil was het echter te dik om het water vrij te laten volgens het droog- en uithardingsschema in Figuur 3.
FIGUUR 7 | Laagglanzende PUD #65215A.
In een wit gepigmenteerde formule presteerde PUD #65215A goed in hetzelfde droog- en uithardingsschema als beschreven in Figuur 3, behalve wanneer aangebracht bij 8 natte mils. Zoals getoond in figuur 8 scheurt de film bij 8 mil als gevolg van een slechte waterafgifte. In heldere, laagglanzende en gepigmenteerde formuleringen presteerde PUD# 65215A over het algemeen goed in filmformaties en droging wanneer het tot 7 mil nat werd aangebracht en uitgehard volgens het versnelde droog- en uithardingsschema zoals beschreven in figuur 3.
FIGUUR 8 | Gepigmenteerde PUD #65215A.
Resultaten blokkeren
Blokkeerweerstand is het vermogen van een coating om tijdens het stapelen niet aan een ander gecoat artikel te kleven. Bij de productie is dit vaak een knelpunt als het tijd kost voordat een uitgeharde coating blokweerstand bereikt. Voor dit onderzoek werden gepigmenteerde formuleringen van Standaard #1 en PUD #65215A op glas aangebracht bij 5 natte mils met behulp van een trekstaaf. Deze werden elk uitgehard volgens het uithardingsschema in Figuur 3. Twee gecoate glaspanelen werden tegelijkertijd uitgehard – 4 minuten na uitharding werden de panelen aan elkaar geklemd, zoals weergegeven in Figuur 9. Ze bleven 24 uur bij kamertemperatuur aan elkaar geklemd. . Als de panelen gemakkelijk van elkaar konden worden gescheiden zonder opdruk of schade aan de gecoate panelen, werd de test als geslaagd beschouwd.
Figuur 10 illustreert de verbeterde blokkeerweerstand van PUD# 65215A. Hoewel zowel Standaard #1 als PUD #65215A volledige uitharding bereikten in de vorige test, vertoonde alleen PUD #65215A voldoende waterafgifte en uitharding om blokkeerweerstand te bereiken.
FIGUUR 9 | Blokkeren van weerstandstest illustratie.
FIGUUR 10 | Blokkeerweerstand van standaard #1, gevolgd door PUD #65215A.
Resultaten van acrylmengen
Coatingfabrikanten mengen vaak WB UV-uithardbare harsen met acryl om de kosten te verlagen. Voor ons onderzoek hebben we ook gekeken naar het mengen van PUD#65215A met NeoCryl® XK-12, een acryl op waterbasis, dat vaak wordt gebruikt als mengpartner voor UV-uithardbare PUD's op waterbasis in de timmer- en schrijnwerkerijmarkt. Voor deze markt wordt KCMA-vlekonderzoek als de standaard beschouwd. Afhankelijk van de eindgebruikstoepassing zullen sommige chemicaliën belangrijker worden dan andere voor de fabrikant van het gecoate artikel. Een beoordeling van 5 is het beste en een beoordeling van 1 is het slechtste.
Zoals weergegeven in Tabel 3 presteert PUD #65215A uitzonderlijk goed bij KCMA-vlektesten als hoogglanzend helder, laagglanzend helder en als gepigmenteerde coating. Zelfs wanneer het 1:1 met acryl wordt gemengd, wordt de KCMA-vlektest niet drastisch beïnvloed. Zelfs bij het kleuren met middelen als mosterd herstelde de coating zich na 24 uur tot een aanvaardbaar niveau.
TABEL 3 | Bestand tegen chemicaliën en vlekken (beoordeling 5 is het beste).
Naast KCMA-vlektesten zullen fabrikanten ook testen op uitharding onmiddellijk na UV-uitharding buiten de productielijn. Vaak zijn de effecten van het mengen van acryl bij deze test direct na de uithardingslijn merkbaar. De verwachting is dat er geen doorbraak in de coating zal optreden na 20 keer wrijven met isopropylalcohol (20 IPA dr). Monsters worden 1 minuut na UV-uitharding getest. Tijdens onze tests zagen we dat een 1:1-mengsel van PUD# 65215A met acryl deze test niet doorstond. We zagen echter wel dat PUD #65215A gemengd kon worden met 25% NeoCryl XK-12 acryl en toch de 20 IPA dr test kon doorstaan (NeoCryl is een geregistreerd handelsmerk van de Covestro groep).
FIGUUR 11 | 20 dubbele IPA-wrijvingen, 1 minuut na UV-uitharding.
Harsstabiliteit
De stabiliteit van PUD #65215A werd ook getest. Een formulering wordt als houdbaar beschouwd als na 4 weken bij 40 °C de pH niet onder de 7 daalt en de viscositeit stabiel blijft in vergelijking met de oorspronkelijke formulering. Voor onze tests hebben we besloten de monsters te onderwerpen aan de zwaardere omstandigheden van maximaal 6 weken bij 50 °C. Onder deze omstandigheden waren de standaard #1 en #2 niet stabiel.
Voor onze tests hebben we gekeken naar de hoogglanzende heldere, laagglans heldere, evenals de laagglanzende gepigmenteerde formuleringen die in dit onderzoek zijn gebruikt. Zoals getoond in Figuur 12 bleef de pH-stabiliteit van alle drie de formuleringen stabiel en boven de pH-drempel van 7,0. Figuur 13 illustreert de minimale viscositeitsverandering na 6 weken bij 50 °C.
FIGUUR 12 | pH-stabiliteit van geformuleerde PUD #65215A.
FIGUUR 13 | Viscositeitsstabiliteit van geformuleerde PUD #65215A.
Een andere test die de stabiliteitsprestaties van PUD #65215A aantoonde, was het opnieuw testen van de KCMA-vlekbestendigheid van een coatingformulering die 6 weken bij 50 °C was verouderd, en deze te vergelijken met de initiële KCMA-vlekbestendigheid. Bij coatings die geen goede stabiliteit vertonen, zullen de kleurprestaties afnemen. Zoals weergegeven in afbeelding 14 behield PUD# 65215A hetzelfde prestatieniveau als bij de initiële chemische/vlekbestendigheidstests van de gepigmenteerde coating weergegeven in tabel 3.
FIGUUR 14 | Chemische testpanelen voor gepigmenteerde PUD #65215A.
Conclusies
Voor applicateurs van UV-uithardbare coatings op waterbasis zal PUD #65215A hen in staat stellen om te voldoen aan de huidige prestatienormen op de schrijnwerk-, hout- en kastenmarkt, en bovendien zal het coatingproces het mogelijk maken om de lijnsnelheid te verbeteren tot meer dan 50%. -60% ten opzichte van de huidige standaard UV-uithardbare coatings op waterbasis. Voor de applicateur kan dit betekenen:
●Sneller productie;
●De grotere laagdikte vermindert de behoefte aan extra lagen;
●Kortere drooglijnen;
●Energiebesparing door verminderde droogbehoeften;
●Minder uitval door snelle blokkeerweerstand;
●Minder coatingafval dankzij harsstabiliteit.
Met VOS van minder dan 100 g/l zijn fabrikanten ook beter in staat hun VOS-doelstellingen te halen. Voor fabrikanten die zich zorgen maken over uitbreiding vanwege vergunningsproblemen, zal de PUD #65215A met snelle waterafgifte hen in staat stellen gemakkelijker aan hun wettelijke verplichtingen te voldoen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.
In het begin van dit artikel haalden we uit onze interviews aan dat applicateurs van op oplosmiddelen gebaseerde UV-uithardbare materialen doorgaans coatings droogden en uithardden in een proces dat tussen de 3 en 5 minuten duurde. We hebben in dit onderzoek aangetoond dat PUD #65215A, volgens het proces dat wordt weergegeven in Figuur 3, tot een natte laagdikte van 7 mil in 4 minuten zal uitharden bij een oventemperatuur van 140 °C. Dit valt ruim binnen het bereik van de meeste UV-uithardbare coatings op oplosmiddelbasis. PUD #65215A zou de huidige applicateurs van de op oplosmiddelen gebaseerde UV-uithardbare materialen mogelijk in staat kunnen stellen om over te schakelen naar een op water gebaseerd UV-uithardbaar materiaal met weinig verandering aan hun coatinglijn.
Fabrikanten die productie-uitbreiding overwegen, kunnen met coatings op basis van PUD #65215A:
●Bespaar geld door het gebruik van een kortere coatinglijn op waterbasis;
●Een kleinere footprint van de coatinglijn in de faciliteit hebben;
●Een verminderde impact hebben op de huidige VOS-vergunning;
●Realiseer energiebesparingen dankzij verminderde droogbehoeften.
Concluderend zal PUD #65215A helpen de productie-efficiëntie van UV-uithardbare coatinglijnen te verbeteren door middel van hoge fysieke eigenschappen en snelle waterafgevende eigenschappen van de hars wanneer deze wordt gedroogd bij 140 °C.
Posttijd: 14 augustus 2024
