Verbetering van de productie-efficiëntie door het gebruik van op water gebaseerde UV-uithardende polyurethanen

Hoogwaardige UV-uithardende coatings worden al jaren gebruikt bij de productie van vloeren, meubels en kasten. Gedurende het grootste deel van deze tijd waren 100% vaste, oplosmiddelgebaseerde UV-uithardende coatings de dominante technologie op de markt. De laatste jaren is de technologie van UV-uithardende coatings op waterbasis in opkomst. UV-uithardende harsen op waterbasis hebben zich om verschillende redenen bewezen als een nuttig hulpmiddel voor fabrikanten, waaronder het behalen van de KCMA-vlekbestendigheidstest, het testen op chemische bestendigheid en het verminderen van VOC's. Om deze technologie verder te laten groeien in deze markt, zijn er verschillende factoren geïdentificeerd die als belangrijke verbeterpunten moeten worden aangemerkt. Deze verbeteringen zullen ervoor zorgen dat UV-uithardende harsen op waterbasis meer bieden dan alleen de "essentiële" eigenschappen die de meeste harsen bezitten. Ze zullen waardevolle eigenschappen aan de coating toevoegen en waarde creëren voor elke schakel in de waardeketen, van coatingformuleerder tot fabrieksapplicator, installateur en uiteindelijk de eigenaar.

Fabrikanten, met name tegenwoordig, willen 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. Een gewenste eigenschap is een verbetering van de efficiëntie van de fabriek. Voor coatings op waterbasis betekent dit een snellere waterafvoer en een snellere weerstand tegen verstopping. Een andere gewenste eigenschap is een verbeterde harsstabiliteit voor het opvangen/hergebruiken van de coating en het beheren van de voorraad. Voor de eindgebruiker en installateur zijn gewenste eigenschappen een betere weerstand tegen polijsten en het voorkomen van metaalbeschadiging tijdens de installatie.

Dit artikel bespreekt nieuwe ontwikkelingen in watergedragen UV-uithardende polyurethanen die een aanzienlijk verbeterde lakstabiliteit bij 50 °C bieden, zowel in transparante als gepigmenteerde coatings. Het beschrijft ook hoe deze harsen inspelen op de gewenste eigenschappen voor de coatingapplicator, zoals een hogere lijnsnelheid dankzij snelle waterafvoer, verbeterde blokvormingsweerstand en oplosmiddelbestendigheid buiten de productielijn. Dit verbetert de snelheid bij stapel- en verpakkingswerkzaamheden en vermindert tevens de schade die soms buiten de productielijn optreedt. Daarnaast worden in dit artikel de verbeteringen in vlek- en chemische bestendigheid besproken, die belangrijk zijn voor installateurs en eigenaren.

Achtergrond

Het landschap van de coatingsindustrie is constant in beweging. De "must-haves" van het simpelweg voldoen aan de specificaties tegen een redelijke prijs per aangebrachte laagdikte zijn niet langer voldoende. Het landschap voor in de fabriek aangebrachte coatings op kasten, timmerwerk, vloeren en meubels verandert snel. Formuleerders die coatings aan fabrieken leveren, worden gevraagd om coatings veiliger te maken voor werknemers om aan te brengen, schadelijke stoffen te verwijderen, VOC's te vervangen door water en zelfs minder fossiele koolstof en meer biokoolstof te gebruiken. De realiteit is dat elke klant in de hele waardeketen meer van de coating verwacht dan alleen het voldoen aan de specificaties.

Omdat we een kans zagen om meer waarde voor de fabriek te creëren, is ons team op fabrieksniveau gaan onderzoeken welke uitdagingen deze applicateurs ondervonden. Na vele interviews hoorden we een aantal terugkerende thema's:

• Vergunningsproblemen belemmeren mijn uitbreidingsplannen;
• De kosten stijgen en onze investeringsbudgetten dalen;
• De kosten voor zowel energie als personeel stijgen;
• Verlies van ervaren werknemers;
• Onze bedrijfsdoelstellingen op het gebied van verkoop-, algemene en administratieve kosten (SG&A), evenals die van mijn klant, moeten worden behaald; en
• Internationale concurrentie.

Deze thema's leidden tot waardeproposities die weerklank vonden bij gebruikers van watergedragen UV-uithardende polyurethanen, met name in de timmer- en meubelindustrie, zoals: "fabrikanten van timmerwerk en meubels zijn op zoek naar verbeteringen in de fabrieksefficiëntie" en "fabrikanten willen de mogelijkheid hebben om de productie uit te breiden op kortere productielijnen met minder schade door herstelwerkzaamheden dankzij coatings met langzame waterafvoerende eigenschappen."

Tabel 1 illustreert hoe verbeteringen in bepaalde coatingeigenschappen en fysische kenmerken voor de fabrikant van coatinggrondstoffen leiden tot efficiëntievoordelen die de eindgebruiker kan benutten.

TABEL 1 | Kenmerken en voordelen.

Door UV-uithardende PUD's te ontwerpen met bepaalde eigenschappen zoals vermeld in Tabel 1, kunnen eindgebruikers inspelen op hun behoeften op het gebied van efficiëntieverbetering van hun installaties. Dit stelt hen in staat concurrerender te zijn en mogelijk hun huidige productie uit te breiden.

Experimentele resultaten en discussie

UV-uithardende polyurethaandispersies Geschiedenis

In de jaren negentig begon het commerciële gebruik van anionische polyurethaandispersies met aan het polymeer gehechte acrylaatgroepen in industriële toepassingen.¹ Veel van deze toepassingen waren in verpakkingen, inkten en houtcoatings. Figuur 1 toont een generieke structuur van een UV-uithardende PUD, waarmee wordt geïllustreerd hoe deze grondstoffen voor coatings zijn ontworpen.

FIGUUR 1 | Generieke acrylaat functionele polyurethaandispersie.3

Zoals weergegeven in Figuur 1, zijn UV-uithardende polyurethaandispersies (UV-uithardende PUD's) opgebouwd uit de typische componenten die worden gebruikt voor de productie van polyurethaandispersies. Alifatische diisocyanaten reageren met de typische esters, diolen, hydrofiliseringsgroepen en ketenverlengers die worden gebruikt voor de productie van polyurethaandispersies.² Het verschil zit hem in de toevoeging van een acrylaatfunctionele ester, epoxy of ethers die tijdens de prepolymeerfase in de dispersie worden verwerkt. De keuze van de gebruikte bouwstenen, evenals de polymeerarchitectuur en -verwerking, bepalen de prestaties en droogeigenschappen van een PUD. Deze keuzes in grondstoffen en verwerking leiden tot UV-uithardende PUD's die zowel niet-filmvormend als filmvormend kunnen zijn.³ De filmvormende, of drogende, typen vormen het onderwerp van dit artikel.

Filmvorming, of drogen zoals het vaak wordt genoemd, resulteert in samengevoegde films die droog aanvoelen voordat ze onder UV-licht worden uitgehard. Omdat applicateurs de luchtverontreiniging van de coating door deeltjes willen beperken en omdat ze een snel productieproces nastreven, worden deze films vaak in ovens gedroogd als onderdeel van een continu proces vóór de UV-uitharding. Figuur 2 toont het typische droog- en uithardingsproces van een UV-uithardende PUD.

FIGUUR 2 | Proces voor het uitharden van een UV-uithardende PUD.

De gebruikelijke aanbrengmethode is spuiten. Er zijn echter ook methoden gebruikt zoals aanbrengen met een mes over een rol of zelfs het aanbrengen van een volle laag. Na het aanbrengen doorloopt de coating doorgaans een vierstappenproces voordat deze opnieuw wordt behandeld.

1. Flitsen: Dit kan bij kamertemperatuur of verhoogde temperatuur gedurende enkele seconden tot een paar minuten worden gedaan.
2. Ovendrogen: Hierbij worden het water en de co-oplosmiddelen uit de coating verwijderd. Deze stap is cruciaal en neemt doorgaans de meeste tijd in beslag. Deze stap vindt meestal plaats bij temperaturen boven 60 °C en duurt maximaal 8 minuten. Er kunnen ook droogovens met meerdere zones worden gebruikt.

• IR-lamp en luchtcirculatie: De installatie van IR-lampen en ventilatoren voor luchtcirculatie zal het doorspoelen van het water nog sneller laten verlopen.

3. UV-uitharding.
4. Afkoelen: Na uitharding moet de coating nog enige tijd uitharden om blokkeringsweerstand te bereiken. Deze stap kan wel 10 minuten duren voordat de blokkeringsweerstand is bereikt.

Experimenteel

In deze studie werden twee UV-uithardende PUD's (WB UV), die momenteel in de meubel- en timmerindustrie worden gebruikt, vergeleken met onze nieuwe ontwikkeling, PUD # 65215A. In deze studie vergeleken we Standaard #1 en Standaard #2 met PUD #65215A op het gebied van droog-, blokkerings- en chemische bestendigheid. We evalueerden ook de pH-stabiliteit en viscositeitsstabiliteit, die cruciaal kunnen zijn bij het overwegen van hergebruik van overspray en de houdbaarheid. Tabel 2 hieronder toont de fysische eigenschappen van elk van de harsen die in deze studie zijn gebruikt. Alle drie de systemen werden geformuleerd met een vergelijkbaar gehalte aan foto-initiator, VOC's en vaste stoffen. Alle drie de harsen werden geformuleerd met 3% co-oplosmiddel.

TABEL 2 | Eigenschappen van PUD-hars.

Uit onze interviews bleek dat de meeste watergedragen UV-coatings in de timmer- en meubelindustrie op een productielijn drogen, wat 5 tot 8 minuten duurt voordat ze UV-harden. Een UV-lijn met oplosmiddelgebaseerde coatings (SB-UV) droogt daarentegen in 3 tot 5 minuten. Bovendien worden coatings in deze markt doorgaans 4 tot 5 mil nat aangebracht. Een belangrijk nadeel van watergedragen UV-hardende coatings ten opzichte van UV-hardende alternatieven op basis van oplosmiddelen is de tijd die nodig is om water te verdampen op een productielijn.⁴ Filmdefecten zoals witte vlekken ontstaan ​​als het water niet goed uit de coating is verdampt vóór de UV-harding. Dit kan ook gebeuren als de natte filmdikte te groot is. Deze witte vlekken ontstaan ​​wanneer water tijdens de UV-harding in de film wordt ingesloten.⁵

Voor dit onderzoek kozen we een uithardingsschema dat vergelijkbaar is met een schema dat gebruikt zou worden op een UV-uithardende productielijn op basis van oplosmiddelen. Figuur 3 toont het schema voor het aanbrengen, drogen, uitharden en verpakken dat we voor ons onderzoek hebben gebruikt. Dit droogschema levert een verbetering van 50% tot 60% in de totale lijnsnelheid op ten opzichte van de huidige marktstandaard voor timmerwerk en meubelmakerij.

FIGUUR 3 | Schema voor aanbrengen, drogen, uitharden en verpakken.

Hieronder staan ​​de toepassings- en uithardingsomstandigheden die we voor ons onderzoek hebben gebruikt:

●Aanbrengen met een spuitbus op esdoornfineer met een zwarte grondlaag.
●30 seconden flitsen op kamertemperatuur.
●Droogoven op 60 °C gedurende 2,5 minuten (heteluchtoven).
●UV-uitharding – intensiteit circa 800 mJ/cm2.

• De transparante coatings werden uitgehard met behulp van een kwiklamp.
• De gepigmenteerde coatings werden uitgehard met behulp van een gecombineerde kwik-/galliumlamp.

●1 minuut laten afkoelen voordat je ze opstapelt.

Voor ons onderzoek hebben we ook drie verschillende natte laagdiktes gespoten om te zien of er ook andere voordelen, zoals minder lagen, zouden optreden. 4 mils natte laag is de gebruikelijke dikte voor watergedragen UV-lak. Voor dit onderzoek hebben we ook natte coatings van 6 en 8 mils toegepast.

Resultaten van de behandeling

De resultaten van standaard #1, een hoogglanzende transparante coating, worden weergegeven in figuur 4. De WB UV-transparante coating werd aangebracht op MDF (medium-density fiberboard) dat vooraf was voorzien van een zwarte grondlaag en uitgehard volgens het schema in figuur 3. Bij een natte laagdikte van 4 mils voldoet de coating aan de eisen. Bij een natte laagdikte van 6 en 8 mils vertoonde de coating echter scheuren, en de laagdikte van 8 mils kon gemakkelijk worden verwijderd vanwege de slechte waterafstotende werking vóór de UV-uitharding.

AFBEELDING 4 | Standaard #1.

Een soortgelijk resultaat is ook te zien in Standaard #2, weergegeven in Figuur 5.

AFBEELDING 5 | Standaard nr. 2.

Figuur 6 toont aan dat PUD #65215A, met hetzelfde uithardingsschema als in figuur 3, een enorme verbetering in waterafgifte/droging liet zien. Bij een natte filmdikte van 8 mils werden lichte scheurtjes waargenomen aan de onderrand van het monster.

AFBEELDING 6 | PUD #65215A.

Aanvullende tests met PUD# 65215A in een matte, transparante coating en een gepigmenteerde coating op hetzelfde MDF met een zwarte basislaag werden uitgevoerd om de waterafstotende eigenschappen in andere gangbare coatingformuleringen te evalueren. Zoals weergegeven in figuur 7, gaf de matte formulering bij een natte laagdikte van 5 en 7 mils het water af en vormde een goede film. Bij een natte laagdikte van 10 mils was de film echter te dik om het water af te geven volgens het droog- en uithardingsschema in figuur 3.

AFBEELDING 7 | Matglanzende PUD #65215A.

In een wit gepigmenteerde formule presteerde PUD #65215A goed volgens hetzelfde droog- en uithardingsschema als beschreven in Figuur 3, behalve bij een natte laagdikte van 8 mils. Zoals weergegeven in Figuur 8, vertoont de film bij 8 mils scheuren als gevolg van een slechte waterafgifte. Over het algemeen presteerde PUD #65215A in transparante, matte en gepigmenteerde formules goed wat betreft filmvorming en droging bij een natte laagdikte tot 7 mils en uitharding volgens het versnelde droog- en uithardingsschema zoals beschreven in Figuur 3.

AFBEELDING 8 | Gepigmenteerde PUD #65215A.

Blokkeringsresultaten

Blokkeerweerstand is het vermogen van een coating om niet aan een ander gecoat object te kleven wanneer deze op elkaar gestapeld worden. In de productie vormt dit vaak een knelpunt als het uitharden van een coating enige tijd duurt voordat deze blokkeerweerstand bereikt. Voor dit onderzoek werden gepigmenteerde formuleringen van Standaard #1 en PUD #65215A met een trekstang op glas aangebracht met een laagdikte van 5 natte mils. 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 lang bij kamertemperatuur aan elkaar geklemd. Als de panelen gemakkelijk van elkaar te scheiden waren zonder afdrukken of beschadigingen aan de gecoate panelen, werd de test als geslaagd beschouwd.
Figuur 10 illustreert de verbeterde blokkeringsweerstand van PUD# 65215A. Hoewel zowel Standaard #1 als PUD #65215A in de vorige test volledig uithardden, vertoonde alleen PUD #65215A voldoende waterafgifte en uitharding om blokkeringsweerstand te bereiken.

AFBEELDING 9 | Illustratie van de blokkeerweerstandstest.

FIGUUR 10 | Blokkeerweerstand van Standaard #1, gevolgd door PUD #65215A.

Resultaten van het mengen van acrylverf

Coatingfabrikanten mengen vaak watergedragen UV-uithardende harsen met acrylverf om de kosten te drukken. Voor ons onderzoek hebben we ook gekeken naar het mengen van PUD#65215A met NeoCryl® XK-12, een watergedragen acrylverf die vaak wordt gebruikt als mengpartner voor UV-uithardende watergedragen PUD's in de timmer- en meubelindustrie. Voor deze markt wordt de KCMA-vlekkenproef als de standaard beschouwd. Afhankelijk van de uiteindelijke toepassing zijn sommige chemicaliën belangrijker dan andere voor de fabrikant van het gecoate product. Een score van 5 is het beste en een score van 1 is het slechtste.

Zoals weergegeven in tabel 3, presteert PUD #65215A uitzonderlijk goed in de KCMA-vlekkenproef als hoogglans transparante lak, matte transparante lak en gepigmenteerde coating. Zelfs bij een mengverhouding van 1:1 met een acrylverf wordt de KCMA-vlekkenproef niet drastisch beïnvloed. Zelfs bij vlekken met bijvoorbeeld mosterd herstelde de coating zich na 24 uur tot een acceptabel niveau.

TABEL 3 | Chemische en vlekbestendigheid (score 5 is het beste).

Naast de KCMA-vlekkenproef testen fabrikanten ook de uitharding direct na UV-uitharding. Vaak zijn de effecten van het mengen met acrylverf direct na het uitharden merkbaar in deze test. De verwachting is dat er geen coatingdoorbraak optreedt na 20 dubbele wrijfbeurten met isopropylalcohol (20 IPA dr). Monsters worden 1 minuut na UV-uitharding getest. In onze tests zagen we dat een 1:1-mengsel van PUD# 65215A met acrylverf deze test niet doorstond. We zagen echter wel dat PUD# 65215A gemengd kon worden met 25% NeoCryl XK-12 acrylverf en nog steeds slaagde voor de 20 IPA dr-test (NeoCryl is een geregistreerd handelsmerk van de Covestro-groep).

AFBEELDING 11 | 20 IPA-dubbele wrijfbeurten, 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 ten opzichte van de beginwaarde. Voor onze tests hebben we ervoor gekozen de monsters bloot te stellen aan de zwaardere omstandigheden van maximaal 6 weken bij 50 °C. Onder deze omstandigheden bleken de standaarden #1 en #2 niet stabiel te zijn.

Voor onze tests hebben we gekeken naar de hoogglanzende, transparante en matglanzende formuleringen die in dit onderzoek zijn gebruikt. Zoals weergegeven in figuur 12 bleef de pH-stabiliteit van alle drie de formuleringen stabiel en boven de drempelwaarde van 7,0 pH. 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 aantoont, was het opnieuw testen van de KCMA-vlekbestendigheid van een coatingformulering die gedurende 6 weken bij 50 °C was verouderd, en deze te vergelijken met de initiële KCMA-vlekbestendigheid. Coatings die geen goede stabiliteit vertonen, zullen een afname in vlekbestendigheid laten zien. Zoals weergegeven in Figuur 14, behield PUD #65215A hetzelfde prestatieniveau als tijdens de initiële chemische/vlekbestendigheidstest van de gepigmenteerde coating, zoals weergegeven in Tabel 3.

FIGUUR 14 | Chemische testpanelen voor gepigmenteerde PUD #65215A.

Conclusies

Voor applicateurs van UV-uithardende coatings op waterbasis stelt PUD #65215A hen in staat te voldoen aan de huidige prestatienormen in de timmer-, hout- en meubelindustrie. Bovendien zorgt het ervoor dat de productiesnelheid van het coatingproces met 50-60% toeneemt ten opzichte van de huidige standaard UV-uithardende coatings op waterbasis. Voor de applicateur kan dit het volgende betekenen:

●Snellere productie;
●Een grotere laagdikte vermindert de behoefte aan extra lagen;
●Kortere drooglijnen;
●Energiebesparing door verminderde droogbehoefte;
●Minder afval door snelle blokkeringsweerstand;
●Minder coatingafval dankzij de stabiliteit van de hars.

Met VOC-waarden lager dan 100 g/L kunnen fabrikanten ook gemakkelijker aan hun VOC-doelstellingen voldoen. Voor fabrikanten die zich zorgen maken over uitbreiding vanwege vergunningsproblemen, biedt de snel wateroplosbare PUD #65215A de mogelijkheid om gemakkelijker aan hun wettelijke verplichtingen te voldoen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.

Aan het begin van dit artikel gaven we uit onze interviews aan dat applicateurs van UV-uithardende materialen op basis van oplosmiddelen de coatings doorgaans in 3 tot 5 minuten drogen en uitharden. In deze studie hebben we aangetoond dat PUD #65215A, volgens het proces weergegeven in Figuur 3, in 4 minuten een natte laagdikte van maximaal 7 mil kan uitharden bij een oventemperatuur van 140 °C. Dit ligt ruim binnen het bereik van de meeste UV-uithardende coatings op basis van oplosmiddelen. PUD #65215A zou huidige applicateurs van UV-uithardende materialen op basis van oplosmiddelen in staat kunnen stellen om over te stappen op een UV-uithardend materiaal op waterbasis met minimale aanpassingen aan hun coatinglijn.

Voor fabrikanten die overwegen hun productie uit te breiden, bieden coatings op basis van PUD #65215A de volgende mogelijkheden:

●Bespaar geld door gebruik te maken van een kortere productielijn voor coatings op waterbasis;
●Zorg voor een kleinere benodigde ruimte voor de coatinglijn in de fabriek;
●Heeft een kleinere impact op de huidige VOC-vergunning;
●Realiseer energiebesparing door minder droogtijd.

Kortom, PUD #65215A zal de productie-efficiëntie van UV-uithardende coatingslijnen helpen verbeteren door de hoge fysische eigenschappen en de snelle waterafvoerende eigenschappen van de hars bij drogen op 140 °C.