Hoogwaardige UV-uithardende coatings worden al jaren gebruikt bij de productie van vloeren, meubels en kasten. 100% vaste en oplosmiddelhoudende UV-uithardende coatings waren gedurende het grootste deel van deze tijd de dominante technologie op de markt. De laatste jaren is de technologie voor UV-uithardende coatings op waterbasis sterk gegroeid. UV-uithardende harsen op waterbasis hebben zich om diverse redenen bewezen als een nuttig hulpmiddel voor fabrikanten, waaronder het behalen van KCMA-beitstests, chemische bestendigheidstests en het verminderen van vluchtige organische stoffen. Om deze technologie in deze markt verder te laten groeien, zijn verschillende factoren geïdentificeerd als belangrijke gebieden waar verbeteringen nodig zijn. Deze factoren zullen UV-uithardende harsen op waterbasis verder brengen dan alleen de "must-haves" die de meeste harsen bezitten. Ze zullen waardevolle eigenschappen aan de coating toevoegen en waarde toevoegen aan elke positie in de waardeketen, van de samensteller van de coating tot de fabrieksapplicator, de installateur en uiteindelijk de eigenaar.
Fabrikanten, vooral tegenwoordig, willen een coating die meer doet dan alleen voldoen aan de specificaties. Er zijn ook andere eigenschappen die voordelen bieden bij de productie, verpakking en installatie. Een gewenste eigenschap is een verbeterde efficiëntie van de fabriek. Voor de watergedragen coating betekent dit een snellere waterafgifte en een snellere blokkeringsweerstand. Een andere gewenste eigenschap is een verbeterde harsstabiliteit voor het opvangen/hergebruiken van een coating, en het beheer van hun voorraad. Voor de eindgebruiker en installateur zijn gewenste eigenschappen een betere glansweerstand en geen metaalmarkering tijdens de installatie.
Dit artikel bespreekt nieuwe ontwikkelingen in UV-uithardende polyurethanen op waterbasis die een aanzienlijk verbeterde lakstabiliteit bij 50 °C bieden in zowel transparante als gepigmenteerde coatings. Het bespreekt ook hoe deze harsen aansluiten op de gewenste eigenschappen van de coatingapplicator door de lijnsnelheid te verhogen door snelle waterafgifte, verbeterde blokweerstand en oplosmiddelbestendigheid buiten de lijn, wat de snelheid van stapelen en verpakken verbetert. Dit zal ook schade buiten de lijn verminderen die soms optreedt. Dit artikel bespreekt ook de verbeteringen in vlek- en chemicaliënbestendigheid die belangrijk zijn voor installateurs en eigenaren.
Achtergrond
Het landschap van de coatingsindustrie is voortdurend in ontwikkeling. De "must-haves" van alleen voldoen aan de specificaties tegen een redelijke prijs per aangebrachte mil zijn simpelweg niet voldoende. Het landschap voor in de fabriek aangebrachte coatings voor kasten, timmerwerk, vloeren en meubilair verandert snel. Formuleerders die coatings aan de fabrieken leveren, wordt gevraagd om coatings veiliger te maken voor werknemers, zeer zorgwekkende stoffen te verwijderen, vluchtige organische stoffen 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 verwacht dat deze meer doet dan alleen voldoen aan de specificaties.
Omdat we een kans zagen om meer waarde voor de fabriek te creëren, begon ons team op fabrieksniveau de uitdagingen te onderzoeken waarmee deze applicators te maken kregen. Na vele interviews begonnen we een aantal gemeenschappelijke thema's te horen:
- Vergunningsbelemmeringen verhinderen mijn uitbreidingsdoelen;
- De kosten stijgen en onze kapitaalbudgetten dalen;
- De kosten voor zowel energie als personeel stijgen;
- Verlies van ervaren werknemers;
- Onze SG&A-doelstellingen van het bedrijf, evenals die van mijn klant, moeten worden gehaald; en
- Buitenlandse concurrentie.
Deze thema's leidden tot waardeproposities die aansloegen bij toepassers van op water gebaseerde, UV-uithardende polyurethanen, met name in de markt voor timmerwerk en kasten, zoals: "fabrikanten van timmerwerk en kasten zijn op zoek naar verbeteringen in de fabrieksefficiëntie" en "fabrikanten willen de mogelijkheid hebben om de productie uit te breiden met kortere productielijnen met minder schade door nabewerking vanwege de coatings met langzaam waterafgevende eigenschappen."
Tabel 1 illustreert hoe verbeteringen in bepaalde coatingkenmerken en fysieke eigenschappen voor de fabrikant van coatinggrondstoffen tot efficiëntieverbeteringen leiden die door de eindgebruiker kunnen worden gerealiseerd.
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 het verbeteren van de efficiëntie van hun fabrieken. Dit stelt hen in staat om concurrerender te zijn en mogelijk hun huidige productie uit te breiden.
Experimentele resultaten en discussie
Geschiedenis van UV-uithardende polyurethaandispersies
In de jaren negentig begonnen anionische polyurethaandispersies met acrylaatgroepen gebonden aan het polymeer commercieel te worden gebruikt in industriële toepassingen.1 Veel van deze toepassingen waren verpakkingen, inkten en houtcoatings. Figuur 1 toont een generieke structuur van een UV-uithardende PUD, die laat zien hoe deze coatinggrondstoffen zijn ontworpen.
FIGUUR 1 | Generieke acrylaatfunctionele polyurethaandispersie.3
Zoals weergegeven in Figuur 1, bestaan UV-uithardende polyurethaandispersies (UV-uithardende PUD's) uit de typische componenten die gebruikt worden voor de productie van polyurethaandispersies. Alifatische diisocyanaten reageren met de typische esters, diolen, hydrofilisatiegroepen en ketenverlengers die gebruikt worden voor de productie van polyurethaandispersies.2 Het verschil is de toevoeging van een acrylaatfunctionele ester, epoxy of ethers die tijdens de prepolymeerstap tijdens de productie van de dispersie worden opgenomen. De keuze van de gebruikte materialen als bouwstenen, 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 zowel niet-filmvormend als filmvormend kunnen zijn.3 De filmvormende, of droogtypen, vormen het onderwerp van dit artikel.
Filmvorming, of drogen zoals het vaak wordt genoemd, levert samengeklonterde films op die droog aanvoelen vóór UV-uitharding. Omdat applicators de verontreiniging van de coating door deeltjes in de lucht willen beperken en omdat ze hun productieproces willen versnellen, 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-uithardende PUD.
FIGUUR 2 | Proces voor het uitharden van een UV-uithardende PUD.
De applicatiemethode is meestal spuiten. Ook mes-over-rol en zelfs floodcoating zijn echter wel toegepast. Na het aanbrengen doorloopt de coating meestal een proces van vier stappen voordat deze opnieuw wordt bewerkt.
1. Flash: Dit kan worden gedaan bij kamertemperatuur of verhoogde temperatuur gedurende enkele seconden tot een paar minuten.
2. Ovendrogen: Hierbij worden het water en de co-solventen uit de coating gedreven. Deze stap is cruciaal en neemt meestal de meeste tijd in beslag in een proces. Deze stap vindt meestal plaats bij een temperatuur van > 60 °C en duurt maximaal 8 minuten. Droogovens met meerdere zones kunnen ook worden gebruikt.
- IR-lamp en luchtverplaatsing: Door IR-lampen en luchtverplaatsingsventilatoren te installeren, wordt de waterflits nog sneller.
3.UV-uitharding.
4. Afkoelen: Na uitharding moet de coating enige tijd uitharden om blokkeringsweerstand te bereiken. Deze stap kan tot 10 minuten duren voordat blokkeringsweerstand is bereikt.
Experimenteel
In deze studie werden twee UV-uithardende PUD's (WB UV), die momenteel worden gebruikt in de meubel- en timmerindustrie, vergeleken met onze nieuwe ontwikkeling, PUD # 65215A. In deze studie vergelijken we standaard #1 en standaard #2 met PUD #65215A op het gebied van droging, blokkering en chemische bestendigheid. We evalueren ook de pH-stabiliteit en viscositeitsstabiliteit, die cruciaal kunnen zijn bij het overwegen van hergebruik van overspray en houdbaarheid. Tabel 2 hieronder toont de fysische eigenschappen van elk van de in deze studie gebruikte harsen. Alle drie de systemen werden geformuleerd met een vergelijkbaar gehalte aan foto-initiatoren, vluchtige organische stoffen en vaste stoffen. Alle drie de harsen werden geformuleerd met 3% co-solvent.
TABEL 2 | Eigenschappen van PUD-hars.
Tijdens onze interviews werd ons verteld dat de meeste WB-UV-coatings in de timmer- en meubelindustrie drogen op een productielijn, wat 5-8 minuten duurt voordat ze UV-uitharden. Een UV-uithardende lijn op basis van oplosmiddelen (SB-UV) droogt daarentegen in 3-5 minuten. Bovendien worden coatings in deze markt doorgaans 4-5 mils nat aangebracht. Een groot nadeel van UV-uithardende coatings op waterbasis in vergelijking met UV-uithardende alternatieven op basis van oplosmiddelen is de tijd die nodig is om water te flashen op een productielijn.4 Filmdefecten zoals witte vlekken ontstaan als het water niet goed van de coating is verwijderd vóór UV-uitharding. Dit kan ook optreden als de natte filmdikte te hoog is. Deze witte vlekken ontstaan wanneer water in de film vast komt te zitten tijdens UV-uitharding.5
Voor deze studie hebben we een uithardingsschema gekozen dat vergelijkbaar is met dat voor een UV-uithardende lijn op basis van oplosmiddelen. Figuur 3 toont ons schema voor toepassing, drogen, uitharden en verpakken dat we voor onze studie hebben gebruikt. Dit droogschema vertegenwoordigt een verbetering van 50% tot 60% in de totale lijnsnelheid ten opzichte van de huidige marktstandaard voor timmer- en meubeltoepassingen.
FIGUUR 3 | Schema voor aanbrengen, drogen, uitharden en verpakken.
Hieronder staan de toepassings- en uithardingsomstandigheden die we voor ons onderzoek hebben gebruikt:
●Spuit het over esdoornfineer met een zwarte basislaag.
●30 seconden durende flits bij kamertemperatuur.
● Droogoven van 60 °C gedurende 2,5 minuten (heteluchtoven).
●UV-uitharding – intensiteit ongeveer 800 mJ/cm2.
- De blanke lak werd uitgehard met behulp van een kwiklamp.
- Gepigmenteerde coatings werden uitgehard met behulp van een gecombineerde Hg/Ga-lamp.
●1 minuut afkoelen voordat je gaat stapelen.
Voor onze studie hebben we ook drie verschillende natte filmdiktes gespoten om te zien of andere voordelen, zoals minder lagen, ook gerealiseerd zouden worden. 4 mils nat is de typische laagdikte voor WB UV. Voor deze studie hebben we ook natte coatings van 6 en 8 mils meegenomen.
Uithardingsresultaten
De resultaten van standaard #1, een hoogglanzende blanke lak, worden weergegeven in figuur 4. De WB UV blanke lak werd aangebracht op een middelzware vezelplaat (MDF) die eerder was gecoat met een zwarte basislaag en uitgehard volgens het schema in figuur 3. Bij een natte laagdikte van 4 mils (0,1 mm) is de lak voldoende. Bij een natte laagdikte van 6 en 8 mils (0,2 mm) barstte de lak echter en kon 8 mils (0,2 mm) gemakkelijk worden verwijderd door een slechte waterafgifte vóór de UV-uitharding.
FIGUUR 4 | Standaard #1.
Een soortgelijk resultaat is ook te zien in Standaard #2, weergegeven in Figuur 5.
FIGUUR 5 | Standaard #2.
Zoals weergegeven in figuur 6, met hetzelfde uithardingsschema als in figuur 3, vertoonde PUD #65215A een enorme verbetering in waterafgifte/droging. Bij een natte filmdikte van 8 mils werd lichte scheurvorming waargenomen aan de onderrand van het monster.
FIGUUR 6 | PUD #65215A.
Aanvullende testen met PUD# 65215A in een blanke lak met een lage glans en een gepigmenteerde lak over dezelfde MDF met een zwarte basislaag werden geëvalueerd om de waterafgevende eigenschappen in andere typische coatingformules te evalueren. Zoals te zien is in Figuur 7, liet de formule met lage glans bij natte applicatie van 5 en 7 mils het water los en vormde een goede film. Bij natte applicatie van 10 mils was de laagglansformule echter te dik om het water af te geven 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 het werd aangebracht met een laagdikte van 8 mils. Zoals te zien is in Figuur 8, barst de film bij een laagdikte van 8 mils door een slechte waterafgifte. Over het algemeen presteerde PUD# 65215A goed in filmvorming en droging in heldere, laagglanzende en gepigmenteerde formules wanneer het werd aangebracht tot een laagdikte van 7 mils nat en uitgehard volgens het versnelde droog- en uithardingsschema zoals beschreven in Figuur 3.
FIGUUR 8 | Gepigmenteerde PUD #65215A.
Resultaten blokkeren
Blokkeringsweerstand is het vermogen van een coating om niet aan een ander gecoat artikel te hechten wanneer deze wordt gestapeld. In de productie is dit vaak een knelpunt als het lang duurt voordat een uitgeharde coating blokkeringsweerstand bereikt. Voor deze studie werden gepigmenteerde formuleringen van Standaard #1 en PUD #65215A op glas aangebracht met een trekstang met een druk 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 bij kamertemperatuur aan elkaar geklemd. Als de panelen gemakkelijk van elkaar te scheiden waren zonder indrukking of beschadiging van 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 volledige uitharding bereikten, toonde alleen PUD #65215A voldoende waterafgifte en uitharding om blokkeringsweerstand te bereiken.
FIGUUR 9 | Illustratie van een blokkeringsweerstandstest.
FIGUUR 10 | Blokkeringsweerstand van standaard #1, gevolgd door PUD #65215A.
Resultaten van het mengen van acryl
Fabrikanten van coatings mengen vaak UV-uithardende WB-harsen met acrylaten om de kosten te verlagen. Voor ons onderzoek hebben we ook gekeken naar het mengen van PUD#65215A met NeoCryl® XK-12, een acrylaat op waterbasis dat vaak wordt gebruikt als mengpartner voor UV-uithardende PUD's op waterbasis in de timmer- en meubelindustrie. Voor deze markt worden KCMA-vlekkentests als de standaard beschouwd. Afhankelijk van de uiteindelijke toepassing zullen sommige chemicaliën belangrijker zijn dan andere voor de fabrikant van het gecoate artikel. Een score van 5 is het beste en een score van 1 het slechtste.
Zoals weergegeven in tabel 3, presteert PUD #65215A uitzonderlijk goed in KCMA-beitstesten als hoogglanzende blanke lak, laagglanzende blanke lak en als gepigmenteerde coating. Zelfs bij een 1:1-menging met een acrylaat wordt de KCMA-beitstest niet drastisch beïnvloed. Zelfs bij beitsen met middelen zoals mosterd, herstelde de coating zich na 24 uur tot een acceptabel niveau.
TABEL 3 | Chemische bestendigheid en vlekbestendigheid (beoordeling 5 is het beste).
Naast de KCMA-vlektest testen fabrikanten ook direct na UV-uitharding direct op uitharding. Vaak zijn de effecten van het mengen van acryl direct na het uitharden merkbaar. De verwachting is dat er na 20 dubbele wrijfbeurten met isopropylalcohol (20 IPA dr) geen doorbraak in de coating optreedt. De monsters worden 1 minuut na UV-uitharding getest. Tijdens onze tests zagen we dat een 1:1-mengsel van PUD# 65215A met een 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 Group).
AFBEELDING 11 | 20 keer IPA-wrijven, 1 minuut na UV-uitharding.
Harsstabiliteit
De stabiliteit van PUD #65215A werd ook getest. Een formulering wordt als houdbaar beschouwd als de pH na 4 weken bij 40 °C niet onder de 7 daalt en de viscositeit stabiel blijft ten opzichte van de oorspronkelijke waarde. Voor onze tests besloten we de monsters bloot te stellen aan de zwaardere omstandigheden van maximaal 6 weken bij 50 °C. Onder deze omstandigheden waren standaard #1 en #2 niet stabiel.
Voor onze tests hebben we gekeken naar de hoogglanzende, laagglanzende en laagglanzende pigmentformuleringen die in deze studie werden gebruikt. Zoals weergegeven in Figuur 12, bleef de pH-stabiliteit van alle drie de formules 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 stabiliteit van PUD #65215A aantoonde, was het opnieuw testen van de KCMA-vlekbestendigheid van een coatingformule die 6 weken bij 50 °C was verouderd, en het vergelijken daarvan met de initiële KCMA-vlekbestendigheid. Bij coatings die geen goede stabiliteit vertonen, zal de vlekbestendigheid afnemen. Zoals weergegeven in Figuur 14, behield PUD# 65215A hetzelfde prestatieniveau als bij de initiële chemische/vlekbestendigheidstest van de gepigmenteerde coating 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 om te voldoen aan de huidige prestatienormen in de timmer-, hout- en meubelindustrie. Bovendien zal het coatingproces een snelheidsverbetering van meer dan 50-60% realiseren ten opzichte van de huidige standaard UV-uithardende coatings op waterbasis. Voor de applicateur kan dit het volgende betekenen:
●Snellere productie;
●Een grotere filmdikte vermindert de noodzaak voor extra lagen;
●Kortere drooglijnen;
●Energiebesparing door verminderde droogbehoefte;
●Minder afval dankzij snelle blokkeringsweerstand;
●Minder coatingafval dankzij de stabiliteit van de hars.
Met VOS-waarden onder de 100 g/l kunnen fabrikanten hun VOS-doelstellingen ook beter halen. Fabrikanten die zich zorgen maken over hun uitbreiding vanwege vergunningsproblemen, kunnen met de snel afgevende PUD #65215A gemakkelijker aan hun wettelijke verplichtingen voldoen zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.
Aan het begin van dit artikel citeerden we uit onze interviews dat applicators van UV-uithardende materialen op basis van oplosmiddelen coatings doorgaans drogen en uitharden in een proces dat 3 tot 5 minuten duurt. We hebben in deze studie aangetoond dat PUD #65215A, volgens het proces weergegeven in Figuur 3, natte filmdiktes tot 7 mils in 4 minuten uithardt bij een oventemperatuur van 140 °C. Dit valt ruim binnen het bereik van de meeste UV-uithardende coatings op basis van oplosmiddelen. PUD #65215A zou huidige applicators van UV-uithardende materialen op basis van oplosmiddelen in staat kunnen stellen om over te stappen op 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 het gebruik van een kortere watergedragen coatinglijn;
●Een kleinere oppervlakte voor de coatinglijn in de faciliteit hebben;
●Een verminderde impact op de huidige VOC-vergunning;
●Bespaar energie dankzij een verminderde droogbehoefte.
Concluderend kan gesteld worden dat PUD #65215A de productie-efficiëntie van UV-uithardende coatinglijnen zal helpen verbeteren dankzij de uitstekende fysieke eigenschappen en de snelle waterafgifte van de hars wanneer deze gedroogd wordt bij 140 °C.
Plaatsingstijd: 14-08-2024
