Vysoce výkonné UV vytvrzovatelné nátěry se již mnoho let používají při výrobě podlah, nábytku a skříní. Po většinu této doby byly na trhu dominantní technologií 100% pevné a na bázi rozpouštědel UV vytvrzovatelné nátěry. V posledních letech se rozvinula technologie UV vytvrzovatelných nátěrů na vodní bázi. UV vytvrzovatelné pryskyřice na vodní bázi se ukázaly jako užitečný nástroj pro výrobce z různých důvodů, včetně úspěšného absolvování testů barvení KCMA, chemické odolnosti a snižování VOC. Aby tato technologie na tomto trhu nadále rostla, bylo identifikováno několik klíčových faktorů, které je třeba zlepšit. Tyto faktory posunou UV vytvrzovatelné pryskyřice na vodní bázi nad rámec pouhých „nezbytných vlastností“, které většina pryskyřic má. Začnou přidávat k nátěru cenné vlastnosti a přinesou hodnotu všem pozici v hodnotovém řetězci od tvůrce nátěrů přes aplikátora z výroby až po instalatéra a nakonec i majiteli.
Výrobci, zejména dnes, chtějí nátěr, který bude dělat víc než jen splňovat specifikace. Existují i další vlastnosti, které poskytují výhody při výrobě, balení a instalaci. Jedním z požadovaných atributů je zlepšení efektivity zařízení. U nátěru na vodní bázi to znamená rychlejší uvolňování vody a rychlejší odolnost proti slepení. Dalším požadovaným atributem je zlepšení stability pryskyřice pro zachycení/opětovné použití nátěru a správa jejich zásob. Pro koncového uživatele a instalatéra jsou požadovanými atributy lepší odolnost proti leštění a žádné kovové stopy během instalace.
Tento článek se bude zabývat novým vývojem UV vytvrditelných polyuretanů na vodní bázi, které nabízejí výrazně lepší stabilitu barvy při 50 °C v čirých i pigmentovaných nátěrech. Také se zabývá tím, jak tyto pryskyřice řeší požadované vlastnosti aplikátoru nátěrů, tj. zvyšují rychlost linky díky rychlému uvolňování vody, zlepšené odolnosti proti slepení a odolnosti vůči rozpouštědlům mimo linku, což zvyšuje rychlost stohování a balení. To také zlepší ochranu před poškozením mimo linku, ke kterému někdy dochází. Tento článek se také zabývá zlepšeními prokázanými v odolnosti proti skvrnám a chemikáliím, která jsou důležitá pro instalatéry a majitele.
Pozadí
Situace v odvětví nátěrových hmot se neustále vyvíjí. „Mustní“ požadavky, jako je pouhé splnění specifikace za rozumnou cenu za aplikovaný mil, prostě nestačí. Situace pro nátěry aplikované v továrně na skříňky, truhlářské výrobky, podlahy a nábytek se rychle mění. Výrobci, kteří dodávají nátěry do továren, jsou požádáni, aby nátěry pro zaměstnance učinili bezpečnějšími, odstranili látky vzbuzující vysoké obavy, nahradili těkavé organické sloučeniny vodou a dokonce používali méně fosilního uhlíku a více biouhlíku. Realita je taková, že v celém hodnotovém řetězci každý zákazník požaduje, aby nátěr splňoval více než jen specifikaci.
Náš tým, který viděl příležitost k vytvoření větší hodnoty pro továrnu, začal na úrovni továrny zkoumat problémy, kterým tito aplikátoři čelili. Po mnoha rozhovorech jsme začali slyšet některá společná témata:
- Povolování překážek brání mým cílům v expanzi;
- Náklady rostou a naše kapitálové rozpočty se snižují;
- Náklady na energie i personál rostou;
- Ztráta zkušených zaměstnanců;
- Musí být splněny naše firemní cíle v oblasti prodejních, administrativních a režijních nákladů, stejně jako cíle mých zákazníků; a
- Zahraniční konkurence.
Tato témata vedla k prohlášením o hodnotové nabídce, která začala rezonovat s uživateli polyuretanů na vodní bázi vytvrzovatelných UV zářením, zejména na trhu s truhlářskými a truhlářskými výrobky, například: „výrobci truhlářských a truhlářských výrobků hledají zlepšení efektivity výroby“ a „výrobci chtějí mít možnost rozšířit výrobu na kratších výrobních linkách s menším poškozením při přepracování díky nátěrům s pomalým uvolňováním vody.“
Tabulka 1 ilustruje, jak pro výrobce surovin pro nátěrové hmoty vedou zlepšení určitých atributů nátěrových hmot a fyzikálních vlastností k efektivitě, které může dosáhnout koncový uživatel.
TABULKA 1 | Vlastnosti a výhody.
Navržením UV vytvrditelných PUD s určitými vlastnostmi uvedenými v tabulce 1 budou koncoví výrobci schopni řešit své potřeby v oblasti zvyšování efektivity zařízení. To jim umožní být konkurenceschopnějšími a potenciálně jim to umožní rozšířit stávající výrobu.
Experimentální výsledky a diskuse
Historie UV vytvrditelných polyuretanových disperzí
V 90. letech 20. století se začaly v průmyslových aplikacích používat komerční aniontové polyuretanové disperze obsahující akrylátové skupiny vázané na polymer.1 Mnoho z těchto aplikací se týkalo obalů, inkoustů a nátěrů dřeva. Obrázek 1 ukazuje obecnou strukturu UV vytvrditelného PUD, která demonstruje, jak jsou tyto nátěrové suroviny navrženy.
OBRÁZEK 1 | Generická disperze polyuretanu s akrylátovou funkční skupinou.3
Jak je znázorněno na obrázku 1, UV vytvrditelné polyuretanové disperze (UV vytvrditelné PUD) se skládají z typických složek používaných k výrobě polyuretanových disperzí. Alifatické diisokyanáty reagují s typickými estery, dioly, hydrofilizačními skupinami a prodlužovači řetězce používanými k výrobě polyuretanových disperzí.2 Rozdíl spočívá v přidání akrylátového funkčního esteru, epoxidu nebo etherů, které se začlení do kroku prepolymerace během výroby disperze. Výběr materiálů použitých jako stavební bloky, stejně jako architektura a zpracování polymeru, určují výkon a vlastnosti schnutí PUD. Tyto volby surovin a zpracování povedou k UV vytvrditelným PUD, které mohou netvořit film, i těm, které film tvoří.3 Předmětem tohoto článku jsou typy tvořící film neboli typy schnutí.
Tvorba filmu, neboli sušení, jak se tomu často říká, poskytne koalescenční filmy, které jsou před UV vytvrzováním suché na dotek. Protože aplikátoři chtějí omezit kontaminaci nátěru vzduchem v důsledku částic a také potřebují rychlost ve svém výrobním procesu, jsou tyto filmy často sušeny v pecích jako součást kontinuálního procesu před UV vytvrzováním. Obrázek 2 znázorňuje typický proces sušení a vytvrzování UV vytvrzovatelného PUD.
OBRÁZEK 2 | Postup vytvrzování PUD vytvrditelného UV zářením.
Používá se obvykle stříkání. Používají se však i nanášení válečkem a dokonce i zaplavení. Po nanesení nátěr obvykle prochází čtyřstupňovým procesem, než se s ním znovu manipuluje.
1. Blesk: Toto lze provést při pokojové nebo zvýšené teplotě po dobu několika sekund až několika minut.
2. Sušení v peci: V tomto kroku se z povlaku uvolní voda a pomocná rozpouštědla. Tento krok je kritický a obvykle zabere nejvíce času v celém procesu. Obvykle se provádí při teplotě >60 °C a trvá až 8 minut. Lze také použít vícezónové sušicí pece.
- IR lampa a pohyb vzduchu: Instalace IR lamp a ventilátorů s pohybem vzduchu urychlí vodní záblesk ještě rychleji.
3. UV vytvrzování.
4. Chlazení: Po vytvrzení bude muset nátěr nějakou dobu vytvrzovat, aby dosáhl odolnosti proti slepení. Tento krok může trvat až 10 minut, než bude dosaženo odolnosti proti slepení.
Experimentální
Tato studie porovnávala dva UV vytvrditelné PUD (WB UV), které se v současnosti používají na trhu s truhlářskými a truhlářskými výrobky, s naším novým vývojem, PUD č. 65215A. V této studii porovnáváme standard č. 1 a standard č. 2 s PUD č. 65215A z hlediska schnutí, slepování a chemické odolnosti. Také hodnotíme stabilitu pH a viskozitu, což může být zásadní při zvažování opětovného použití postřiku a doby skladovatelnosti. Níže v tabulce 2 jsou uvedeny fyzikální vlastnosti každé z pryskyřic použitých v této studii. Všechny tři systémy byly formulovány s podobnou hladinou fotoiniciátoru, VOC a pevných látek. Všechny tři pryskyřice byly formulovány s 3% kosolventem.
TABULKA 2 | Vlastnosti pryskyřice PUD.
V našich rozhovorech nám bylo řečeno, že většina UV laků WB na trhu s truhlářskými a truhlářskými výrobky schne na výrobní lince, což trvá 5–8 minut před UV vytvrzením. Naproti tomu UV linka na bázi rozpouštědel (SB-UV) schne za 3–5 minut. Navíc se na tomto trhu laky obvykle nanášejí za mokra o tloušťce 4–5 mil. Hlavní nevýhodou UV laků vytvrzovatelných vodou ve srovnání s UV alternativami na bázi rozpouštědel je doba potřebná k odstřikování vody na výrobní lince.4 Vady filmu, jako jsou bílé skvrny, se objeví, pokud voda nebyla před UV vytvrzením z nátěru řádně odstraněna odstřikováním. K tomu může dojít i v případě, že je tloušťka mokrého filmu příliš vysoká. Tyto bílé skvrny vznikají, když se během UV vytvrzování uvnitř filmu zachytí voda.5
Pro tuto studii jsme zvolili vytvrzovací režim podobný tomu, který by se používal na UV vytvrzované lince na bázi rozpouštědla. Obrázek 3 ukazuje náš aplikační, sušící, vytvrzovací a balicí režim použitý pro naši studii. Tento sušicí režim představuje 50% až 60% zlepšení celkové rychlosti linky oproti současnému tržnímu standardu v truhlářských a skříňových aplikacích.
OBRÁZEK 3 | Harmonogram aplikace, schnutí, vytvrzování a balení.
Níže jsou uvedeny podmínky aplikace a vytvrzování, které jsme použili pro naši studii:
●Nanášení stříkáním na javorovou dýhu s černým základním lakem.
●30sekundový záblesk při pokojové teplotě.
●Sušení v troubě při teplotě 70 °C po dobu 2,5 minuty (horkovzdušná trouba).
● UV vytvrzování – intenzita cca 800 mJ/cm2.
- Čiré povlaky byly vytvrzovány pomocí rtuťové lampy.
- Pigmentované povlaky byly vytvrzovány pomocí kombinované rtuťové/galiové lampy.
● Před stohováním nechte 1 minutu vychladnout.
Pro naši studii jsme také nastříkali tři různé tloušťky mokrého filmu, abychom zjistili, zda by se dosáhlo i dalších výhod, jako je menší počet vrstev. Typická tloušťka mokrého filmu pro WB UV je 4 mil. Pro tuto studii jsme zahrnuli také aplikace mokrého nátěru o tloušťce 6 a 8 mil.
Výsledky vytvrzování
Výsledky standardu č. 1, vysoce lesklého čirého nátěru, jsou znázorněny na obrázku 4. UV čirý nátěr WB byl nanesen na středně hustou dřevovláknitou desku (MDF) předem natřenou černým základním nátěrem a vytvrzen podle schématu znázorněného na obrázku 3. Při mokré aplikaci o tloušťce 4 mil nátěr prošel. Při mokré aplikaci o tloušťce 6 a 8 mil však nátěr popraskal a 8 mil bylo snadno odstraněno kvůli špatnému uvolňování vody před UV vytvrzením.
OBRÁZEK 4 | Standard č. 1.
Podobný výsledek je patrný i u standardu č. 2, který je znázorněn na obrázku 5.
OBRÁZEK 5 | Standard č. 2.
Jak je znázorněno na obrázku 6, při použití stejného vytvrzovacího schématu jako na obrázku 3, prokázal PUD #65215A obrovské zlepšení v uvolňování vody/schnutí. Při tloušťce mokrého filmu 8 mil bylo na spodním okraji vzorku pozorováno mírné praskání.
OBRÁZEK 6 | PUD č. 65215A.
Další testování PUD# 65215A v nízkolesklém čirém nátěru a pigmentovaném nátěru na stejné MDF desce s černým základním nátěrem bylo vyhodnoceno za účelem posouzení vlastností uvolňování vody v jiných typických recepturách nátěrů. Jak je znázorněno na obrázku 7, nízkolesklá receptura při mokré aplikaci o tloušťce 5 a 7 mil uvolnila vodu a vytvořila dobrý film. Při mokré aplikaci o tloušťce 10 mil však byla příliš silná na to, aby uvolňovala vodu za režimu schnutí a vytvrzování na obrázku 3.
OBRÁZEK 7 | Nízkolesklý PUD #65215A.
V bíle pigmentované receptuře si PUD #65215A vedl dobře ve stejném režimu schnutí a vytvrzování, jak je popsáno na obrázku 3, s výjimkou případu, kdy byl nanesen v tloušťce 8 mil za mokra. Jak je znázorněno na obrázku 8, film praská při tloušťce 8 mil v důsledku špatného uvolňování vody. Celkově v čirých, nízkolesklých a pigmentovaných recepturách si PUD# 65215A vedl dobře při tvorbě filmu a schnutí, když byl nanesen do tloušťky 7 mil za mokra a vytvrzen při zrychleném režimu schnutí a vytvrzování popsaném na obrázku 3.
OBRÁZEK 8 | Pigmentovaný PUD #65215A.
Blokování výsledků
Odolnost proti slepení je schopnost povlaku nepřilnout k jinému potaženému předmětu, když je stohován. Ve výrobě je to často úzké hrdlo, pokud trvá, než vytvrzený povlak dosáhne odolnosti proti slepení. Pro tuto studii byly pigmentované formulace standardu č. 1 a PUD č. 65215A naneseny na sklo při tloušťce 5 mil za mokra pomocí tažné tyče. Každá z nich byla vytvrzena podle vytvrzovacího plánu na obrázku 3. Dvě potažené skleněné desky byly vytvrzeny současně – 4 minuty po vytvrzení byly desky sevřeny k sobě, jak je znázorněno na obrázku 9. Zůstaly sevřeny k sobě při pokojové teplotě po dobu 24 hodin. Pokud bylo možné desky snadno oddělit bez otisků nebo poškození potažených desek, byl test považován za úspěšný.
Obrázek 10 znázorňuje zlepšenou odolnost proti slepení u PUD č. 65215A. Ačkoli jak Standard č. 1, tak PUD č. 65215A dosáhly v předchozím testu plného vytvrzení, pouze PUD č. 65215A prokázal dostatečné uvolnění vody a vytvrzení k dosažení odolnosti proti slepení.
OBRÁZEK 9 | Ilustrace zkoušky blokovacího odporu.
OBRÁZEK 10 | Blokovací odpor standardu č. 1, následovaného PUD č. 65215A.
Výsledky míchání akrylových barev
Výrobci nátěrových hmot často míchají UV vytvrzovatelné pryskyřice WB s akryláty, aby snížili náklady. V naší studii jsme se také zabývali mícháním PUD#65215A s NeoCryl® XK-12, akrylátem na vodní bázi, který se často používá jako míchací partner pro UV vytvrzovatelné PUD na vodní bázi na trhu s truhlářskými a truhlářskými výrobky. Pro tento trh je za standard považováno testování mořidla KCMA. V závislosti na konečném použití se některé chemikálie stanou pro výrobce potahovaného výrobku důležitějšími než jiné. Hodnocení 5 je nejlepší a hodnocení 1 je nejhorší.
Jak je uvedeno v tabulce 3, PUD #65215A si v testech barvení KCMA vede mimořádně dobře jako vysoce lesklý čirý lak, nízkolesklý čirý lak a jako pigmentovaný nátěr. Ani při smíchání v poměru 1:1 s akrylátem není výsledek testování barvení KCMA dramaticky ovlivněn. I při barvení barvivy, jako je hořčice, se nátěr po 24 hodinách zotavil na přijatelnou úroveň.
TABULKA 3 | Odolnost vůči chemikáliím a skvrnám (nejlepší hodnocení je 5).
Kromě testování barviv KCMA výrobci testují také vytvrzení ihned po UV vytvrzení mimo linku. V tomto testu se účinky smíchání akrylu často projeví ihned po vytvrzování. Očekává se, že po 20 dvojitých třeních isopropylalkoholem (20 IPA dr) nedojde k průniku povlaku. Vzorky se testují 1 minutu po UV vytvrzení. V našem testování jsme zjistili, že směs PUD# 65215A s akrylem v poměru 1:1 tímto testem neprošla. Zjistili jsme však, že PUD #65215A lze smíchat s 25% akrylem NeoCryl XK-12 a stále projít testem 20 IPA dr (NeoCryl je registrovaná ochranná známka skupiny Covestro).
OBRÁZEK 11 | 20 dvojitých tření IPA, 1 minuta po UV vytvrzení.
Stabilita pryskyřice
Byla také testována stabilita PUD #65215A. Receptura je považována za skladovatelnou, pokud po 4 týdnech při 40 °C pH neklesne pod 7 a viskozita zůstává stabilní ve srovnání s původní hodnotou. Pro naše testování jsme se rozhodli vystavit vzorky drsnějším podmínkám až 6 týdnů při 50 °C. Za těchto podmínek nebyly standardy #1 a #2 stabilní.
Pro naše testování jsme se zaměřili na vysoce lesklé bezbarvé laky, nízkolesklé bezbarvé laky a také na nízkolesklé pigmentované laky použité v této studii. Jak je znázorněno na obrázku 12, pH stabilita všech tří laků zůstala stabilní a nad prahovou hodnotou pH 7,0. Obrázek 13 znázorňuje minimální změnu viskozity po 6 týdnech při 50 °C.
OBRÁZEK 12 | Stabilita pH formulovaného PUD #65215A.
OBRÁZEK 13 | Viskozitní stabilita formulovaného PUD #65215A.
Dalším testem prokazujícím stabilitu PUD #65215A bylo opětovné otestování odolnosti nátěrové směsi vůči skvrnám KCMA, která byla po dobu 6 týdnů zrána při teplotě 50 °C, a porovnání této odolnosti s počáteční odolností vůči skvrnám KCMA. U nátěrů, které nevykazují dobrou stabilitu, dojde ke snížení odolnosti vůči skvrnám. Jak je znázorněno na obrázku 14, PUD# 65215A si udržel stejnou úroveň odolnosti jako v počátečním testu odolnosti pigmentované nátěrové směsi vůči chemikáliím/skvrnám, který je uveden v tabulce 3.
OBRÁZEK 14 | Chemické testovací panely pro pigmentovaný PUD #65215A.
Závěry
Pro aplikátory UV vytvrzovatelných nátěrů na vodní bázi umožní PUD #65215A splnit současné výkonnostní standardy na trhu s truhlářskými, dřevěnými a skříňovými výrobky a navíc umožní zrychlit proces nanášení nátěrů o více než 50–60 % oproti současným standardním UV vytvrzovatelným nátěrům na vodní bázi. Pro aplikátora to může znamenat:
●Rychlejší výroba;
● Zvětšená tloušťka filmu snižuje potřebu dalších vrstev;
●Kratší sušicí linky;
●Úspora energie díky snížené potřebě sušení;
● Méně zmetků díky rychlé odolnosti proti zablokování;
● Snížení odpadu z nátěru díky stabilitě pryskyřice.
S obsahem těkavých organických látek (VOC) nižším než 100 g/l jsou výrobci také schopni lépe plnit své cíle v oblasti VOC. Výrobcům, kteří mohou mít obavy z expanze kvůli problémům s povoleními, umožní rychle se uvolňující PUD #65215A snadněji plnit své regulační povinnosti bez ztráty výkonu.
Na začátku tohoto článku jsme z našich rozhovorů citovali, že aplikátoři UV vytvrzovaných materiálů na bázi rozpouštědel obvykle suší a vytvrzují povlaky v procesu, který trvá 3–5 minut. V této studii jsme prokázali, že podle postupu znázorněného na obrázku 3 dokáže PUD #65215A vytvrdit mokrý film o tloušťce až 7 mil za 4 minuty při teplotě pece 140 °C. To je v rozmezí většiny UV vytvrzovaných povlaků na bázi rozpouštědel. PUD #65215A by mohl potenciálně umožnit současným aplikátorům UV vytvrzovaných materiálů na bázi rozpouštědel přejít na UV vytvrzovaný materiál na bázi vody s malou změnou jejich lakovací linky.
Výrobcům, kteří zvažují rozšíření výroby, umožní povlaky na bázi PUD #65215A:
●Ušetřete peníze použitím kratší linky pro lakování na vodní bázi;
●Mít menší rozměry lakovací linky v zařízení;
●Mají menší dopad na stávající povolení k emisím těkavých organických zlúčenín (VOC);
●Ušetřete energii díky snížené potřebě sušení.
Závěrem lze říci, že PUD #65215A pomůže zlepšit efektivitu výroby UV vytvrditelných nátěrových linek díky vysokým fyzikálním vlastnostem a rychlému uvolňování vody z pryskyřice po sušení při teplotě 140 °C.
Čas zveřejnění: 14. srpna 2024
