Os revestimentos curables por UV de alto rendemento levan moitos anos utilizándose na fabricación de pisos, mobles e armarios. Durante a maior parte deste tempo, os revestimentos curables por UV 100 % sólidos e a base de solventes foron a tecnoloxía dominante no mercado. Nos últimos anos, a tecnoloxía de revestimentos curables por UV a base de auga medrou. As resinas curables por UV a base de auga demostraron ser unha ferramenta útil para os fabricantes por diversas razóns, como superar a tinguidura KCMA, as probas de resistencia química e a redución de COV. Para que esta tecnoloxía siga crecendo neste mercado, identificáronse varios factores como áreas clave nas que é necesario realizar melloras. Estes levarán as resinas curables por UV a base de auga máis alá de simplemente ter os "imprescindibles" que posúen a maioría das resinas. Comezarán a engadir propiedades valiosas ao revestimento, aportando valor a cada posición ao longo da cadea de valor, desde o formulador do revestimento ata o aplicador da fábrica, o instalador e, finalmente, o propietario.
Os fabricantes, especialmente hoxe en día, desexan un revestimento que faga algo máis que cumprir as especificacións. Tamén hai outras propiedades que ofrecen vantaxes na fabricación, o empaquetado e a instalación. Un atributo desexado son as melloras na eficiencia da planta. Para o revestimento a base de auga, isto significa unha liberación de auga máis rápida e unha resistencia ao bloqueo máis rápida. Outro atributo desexado é mellorar a estabilidade da resina para a captura/reutilización dun revestimento e a xestión do seu inventario. Para o usuario final e o instalador, os atributos desexados son unha mellor resistencia ao bruñido e a ausencia de marcas metálicas durante a instalación.
Este artigo analizará os novos desenvolvementos en poliuretanos de curado por UV a base de auga que ofrecen unha estabilidade da pintura a 50 °C moito mellor en revestimentos transparentes e pigmentados. Tamén analiza como estas resinas abordan os atributos desexados do aplicador do revestimento ao aumentar a velocidade da liña mediante unha rápida liberación de auga, unha mellor resistencia ao bloqueo e unha resistencia aos solventes fóra da liña, o que mellora a velocidade das operacións de apilado e empaquetado. Isto tamén mellorará os danos fóra da liña que ás veces se producen. Este artigo tamén analiza as melloras demostradas na resistencia ás manchas e aos produtos químicos, importantes para os instaladores e propietarios.
Fondo
A paisaxe da industria dos revestimentos está en constante evolución. Os "imprescindibles" de simplemente cumprir a especificación a un prezo razoable por milímetro aplicado simplemente non son suficientes. A paisaxe dos revestimentos aplicados en fábrica a ebanistería, carpintería, pisos e mobles está a cambiar rapidamente. Pídeselles aos formuladores que subministran revestimentos ás fábricas que os fagan máis seguros para a aplicación dos empregados, que eliminen as substancias moi preocupantes, que substitúan os COV por auga e mesmo que usen menos carbono fósil e máis biocarbono. A realidade é que, ao longo de toda a cadea de valor, cada cliente lle pide ao revestimento que faga algo máis que cumprir a especificación.
Ao ver unha oportunidade para crear máis valor para a fábrica, o noso equipo comezou a investigar a nivel de fábrica os desafíos aos que se enfrontaban estes aplicadores. Despois de moitas entrevistas, comezamos a escoitar algúns temas comúns:
- Os obstáculos para permitir están a impedir os meus obxectivos de expansión;
- Os custos están a aumentar e os nosos orzamentos de capital están a diminuír;
- Os custos tanto da enerxía como do persoal están a aumentar;
- Perda de empregados con experiencia;
- Os nosos obxectivos corporativos de venda e administración, así como os do meu cliente, deben cumprirse; e
- Competencia no estranxeiro.
Estes temas levaron a declaracións de propostas de valor que comezaron a ter repercusión entre os aplicadores de poliuretanos curables por UV a base de auga, especialmente no mercado da ebanistería, como por exemplo: «os fabricantes de ebanistería buscan melloras na eficiencia das fábricas» e «os fabricantes queren ter a capacidade de ampliar a produción en liñas de produción máis curtas con menos danos por retraballos debido aos revestimentos con propiedades de liberación lenta de auga».
A táboa 1 ilustra como, para o fabricante de materias primas para revestimentos, as melloras en certos atributos do revestimento e propiedades físicas conducen a eficiencias que pode ser obtidas polo usuario final.
TÁBOA 1 | Atributos e beneficios.
Ao deseñar PUD curables por UV con certos atributos como os enumerados na Táboa 1, os fabricantes de uso final poderán abordar as súas necesidades para mellorar a eficiencia das plantas. Isto permitiralles ser máis competitivos e, potencialmente, ampliar a produción actual.
Resultados experimentais e discusión
Historia das dispersións de poliuretano curables por UV
Na década de 1990, os usos comerciais de dispersións de poliuretano aniónico que contiñan grupos acrilato unidos ao polímero comezaron a empregarse en aplicacións industriais.1 Moitas destas aplicacións foron en envases, tintas e revestimentos de madeira. A figura 1 mostra unha estrutura xenérica dun PUD curable por UV, o que demostra como se deseñan estas materias primas de revestimento.
FIGURA 1 | Dispersión xenérica de poliuretano con funcionalidade acrilata.3
Como se mostra na Figura 1, as dispersións de poliuretano curables por UV (PUD curables por UV) están compostas polos compoñentes típicos que se usan para fabricar dispersións de poliuretano. Os diisocianatos alifáticos reaccionan cos ésteres, diois, grupos de hidrofilización e extensores de cadea típicos que se usan para fabricar dispersións de poliuretano.2 A diferenza reside na adición dun éster funcional de acrilato, epoxi ou éteres incorporados no paso do prepolímero durante a fabricación da dispersión. A elección dos materiais utilizados como bloques de construción, así como a arquitectura e o procesamento do polímero, determinan o rendemento e as características de secado dun PUD. Estas eleccións de materias primas e procesamento levarán a PUD curables por UV que poden non formar película, así como a aqueles que si o fan.3 Os tipos de formación de película ou secado son o tema deste artigo.
A formación da película, ou secado como se lle adoita chamar, producirá películas coalescentes que están secas ao tacto antes do curado UV. Dado que os aplicadores desexan limitar a contaminación do revestimento polo aire debido ás partículas, así como a necesidade de velocidade no seu proceso de produción, estas adoitan secarse en fornos como parte dun proceso continuo antes do curado UV. A figura 2 mostra o proceso típico de secado e curado dun PUD curable por UV.
FIGURA 2 | Proceso para curar un PUD curable con UV.
O método de aplicación empregado adoita ser a pulverización. Non obstante, tamén se empregaron aplicacións con coitelo sobre rolo e mesmo con capas de revestimento por inmersión. Unha vez aplicado, o revestimento adoita pasar por un proceso de catro pasos antes de volver manipulalo.
1. Flash: Isto pódese facer a temperatura ambiente ou elevada durante uns segundos ou un par de minutos.
2. Secado no forno: Aquí é onde a auga e os codisolventes son expulsados do revestimento. Este paso é fundamental e adoita consumir a maior parte do tempo nun proceso. Este paso adoita ter lugar a >140 °F e dura ata 8 minutos. Tamén se poden utilizar fornos de secado multizona.
- Lámpada IR e movemento de aire: a instalación de lámpadas IR e ventiladores de movemento de aire acelerará o flash da auga aínda máis rápido.
3. Curado UV.
4. Arrefriar: Unha vez curado, o revestimento terá que curar durante un certo tempo para lograr a resistencia ao bloqueo. Este paso pode tardar ata 10 minutos en alcanzar a resistencia ao bloqueo.
Experimental
Este estudo comparou dous PUD curables por UV (WB UV), que se empregan actualmente no mercado da ebanistería, co noso novo desenvolvemento, o PUD n.º 65215A. Neste estudo, comparamos o Estándar n.º 1 e o Estándar n.º 2 co PUD n.º 65215A en canto a secado, bloqueo e resistencia química. Tamén avaliamos a estabilidade do pH e a estabilidade da viscosidade, que poden ser fundamentais ao considerar a reutilización do exceso de pulverización e a vida útil. A continuación, na Táboa 2 móstranse as propiedades físicas de cada unha das resinas empregadas neste estudo. Os tres sistemas formuláronse cun nivel similar de fotoiniciador, COV e nivel de sólidos. As tres resinas formuláronse cun cosolvente do 3 %.
TÁBOA 2 | Propiedades da resina PUD.
Nas nosas entrevistas dixéronnos que a maioría dos revestimentos WB-UV nos mercados de carpintería e ebanistería secan nunha liña de produción, o que tarda entre 5 e 8 minutos antes do curado UV. Pola contra, unha liña UV baseada en solventes (SB-UV) seca en 3-5 minutos. Ademais, para este mercado, os revestimentos aplícanse normalmente a unha profundidade de 4-5 mils húmidos. Un inconveniente importante dos revestimentos curables por UV baseados en auga en comparación coas alternativas curables por UV baseadas en solventes é o tempo que leva que se realice o proceso de vaporización da auga nunha liña de produción.4 Os defectos da película, como as manchas brancas, produciranse se a auga non se eliminou correctamente do revestimento antes do curado UV. Isto tamén pode ocorrer se o grosor da película húmida é demasiado alto. Estas manchas brancas créanse cando a auga queda atrapada dentro da película durante o curado UV.5
Para este estudo escollemos un programa de curado similar a un que se utilizaría nunha liña baseada en solventes curables por UV. A figura 3 mostra o noso programa de aplicación, secado, curado e envasado empregado para o noso estudo. Este programa de secado representa unha mellora de entre o 50 % e o 60 % na velocidade global da liña con respecto ao estándar actual do mercado en aplicacións de carpintería e ebanistería.
FIGURA 3 | Programa de aplicación, secado, curado e envasado.
A continuación móstranse as condicións de aplicación e curado que empregamos para o noso estudo:
●Aplicación con spray sobre chapa de arce cunha capa base negra.
●Flash de temperatura ambiente de 30 segundos.
● Forno de secado a 60 °C durante 2,5 minutos (forno de convección).
● Curado UV: intensidade duns 800 mJ/cm2.
- Os revestimentos transparentes foron curados cunha lámpada de mercurio.
- Os revestimentos pigmentados foron curados usando unha lámpada combinada Hg/Ga.
● Arrefriar durante 1 minuto antes de apilar.
Para o noso estudo tamén pulverizamos tres grosores de película húmida diferentes para ver se se obterían outras vantaxes, como un menor número de capas. 4 mils en húmido é o típico para WB UV. Para este estudo tamén incluímos aplicacións de revestimento en húmido de 6 e 8 mils.
Resultados de curado
Os resultados do estándar nº 1, un revestimento transparente de alto brillo, móstranse na Figura 4. O revestimento transparente UV WB aplicouse a un taboleiro de fibra de densidade media (MDF) previamente revestido cunha capa base negra e curado segundo o programa que se mostra na Figura 3. A 4 mils de espesor en húmido, o revestimento pasa. Non obstante, a 6 e 8 mils de espesor en húmido, o revestimento rachou e 8 mils elimináronse facilmente debido á mala liberación de auga antes do curado UV.
FIGURA 4 | Estándar nº 1.
Un resultado semellante obsérvase tamén no Estándar nº 2, que se mostra na Figura 5.
FIGURA 5 | Estándar nº 2.
Como se mostra na Figura 6, usando o mesmo programa de curado que na Figura 3, o PUD #65215A demostrou unha enorme mellora na liberación/secado de auga. Cun grosor de película húmida de 8 mils, observouse unha lixeira gretadura no bordo inferior da mostra.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Avaliáronse probas adicionais do PUD n.º 65215A nun revestimento transparente de baixo brillo e nun revestimento pigmentado sobre o mesmo MDF cunha capa base negra para avaliar as características de liberación de auga noutras formulacións de revestimento típicas. Como se mostra na Figura 7, a formulación de baixo brillo a 5 e 7 mils de aplicación en húmido liberou a auga e formou unha boa película. Non obstante, a 10 mils de aplicación en húmido, era demasiado espesa para liberar a auga segundo o programa de secado e curado da Figura 3.
FIGURA 7 | PUD de baixo brillo nº 65215A.
Nunha fórmula pigmentada branca, o PUD n.º 65215A tivo un bo rendemento no mesmo programa de secado e curado descrito na Figura 3, agás cando se aplicou a 8 mils en húmido. Como se mostra na Figura 8, a película racha a 8 mils debido á escasa liberación de auga. En xeral, en formulacións transparentes, de baixo brillo e pigmentadas, o PUD n.º 65215A tivo un bo rendemento na formación de películas e no secado cando se aplicou ata 7 mils en húmido e curou no programa de secado e curado acelerado descrito na Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentado nº 65215A.
Resultados de bloqueo
A resistencia ao bloqueo é a capacidade dun revestimento para non adherirse a outro artigo revestido cando se apila. Na fabricación, isto adoita ser un obstáculo se un revestimento curado tarda en alcanzar a resistencia ao bloqueo. Para este estudo, aplicáronse formulacións pigmentadas do Estándar nº 1 e do PUD nº 65215A a vidro a 5 mils húmidos usando unha barra de estiramento. Cada unha delas curouse segundo o programa de curado da Figura 3. Dous paneis de vidro revestidos curáronse ao mesmo tempo: 4 minutos despois do curado, os paneis suxeitáronse con fixación, como se mostra na Figura 9. Permaneceron suxeitos con fixación á temperatura ambiente durante 24 horas. Se os paneis se separaron facilmente sen deixar pegadas nin danos nos paneis revestidos, a proba considerouse aprobada.
A figura 10 ilustra a mellora da resistencia ao bloqueo do PUD n.º 65215A. Aínda que tanto o estándar n.º 1 como o PUD n.º 65215A acadaron o curado completo na proba anterior, só o PUD n.º 65215A demostrou a liberación de auga e o curado suficientes para acadar a resistencia ao bloqueo.
FIGURA 9 | Ilustración da proba de resistencia de bloqueo.
FIGURA 10 | Resistencia de bloqueo do Estándar nº 1, seguido do PUD nº 65215A.
Resultados da mestura acrílica
Os fabricantes de revestimentos adoitan mesturar resinas curables por UV WB con acrílicos para reducir custos. Para o noso estudo tamén analizamos a mestura de PUD#65215A con NeoCryl® XK-12, un acrílico a base de auga, que se usa a miúdo como compañeiro de mestura para PUD a base de auga curables por UV no mercado de carpintería e ebanistería. Para este mercado, as probas de manchas KCMA considéranse o estándar. Dependendo da aplicación de uso final, algúns produtos químicos serán máis importantes que outros para o fabricante do artigo revestido. Unha valoración de 5 é a mellor e unha valoración de 1 é a peor.
Como se mostra na Táboa 3, o PUD #65215A ten un rendemento excepcionalmente bo nas probas de tinguidura KCMA como transparente de alto brillo, transparente de baixo brillo e como revestimento pigmentado. Mesmo mesturado 1:1 cun acrílico, a proba de tinguidura KCMA non se ve afectada drasticamente. Mesmo ao tinguir con axentes como a mostaza, o revestimento recuperouse a un nivel aceptable despois de 24 horas.
TÁBOA 3 | Resistencia química e ás manchas (a valoración de 5 é a mellor).
Ademais das probas de tinguidura KCMA, os fabricantes tamén proban o curado inmediatamente despois do curado UV fóra da liña. A miúdo, os efectos da mestura de acrílicos notaranse inmediatamente fóra da liña de curado nesta proba. Espérase que non se produza unha rotura do revestimento despois de 20 dobres friccións con alcohol isopropílico (20 IPA dr). As mostras compénsanse 1 minuto despois do curado UV. Nas nosas probas, observamos que unha mestura 1:1 de PUD n.º 65215A cun acrílico non superou esta proba. Non obstante, si vimos que o PUD n.º 65215A podía mesturarse con acrílico NeoCryl XK-12 ao 25 % e aínda así superar a proba de 20 IPA dr (NeoCryl é unha marca rexistrada do grupo Covestro).
FIGURA 11 | 20 dobres friccións con IPA, 1 minuto despois do curado UV.
Estabilidade da resina
Tamén se probou a estabilidade do PUD #65215A. Unha formulación considérase estable no período de conservación se, despois de 4 semanas a 40 °C, o pH non baixa de 7 e a viscosidade permanece estable en comparación coa inicial. Para as nosas probas, decidimos someter as mostras a condicións máis duras de ata 6 semanas a 50 °C. Nestas condicións, os estándares #1 e #2 non foron estables.
Para as nosas probas, analizamos as formulacións transparentes de alto brillo, transparentes de baixo brillo e pigmentadas de baixo brillo empregadas neste estudo. Como se mostra na Figura 12, a estabilidade do pH das tres formulacións mantívose estable e por riba do limiar de pH de 7,0. A Figura 13 ilustra o cambio mínimo de viscosidade despois de 6 semanas a 50 °C.
FIGURA 12 | Estabilidade do pH do PUD n.º 65215A formulado.
FIGURA 13 | Estabilidade da viscosidade do PUD n.º 65215A formulado.
Outra proba que demostrou o rendemento de estabilidade do PUD nº 65215A foi volver probar a resistencia ás manchas de KCMA dunha formulación de revestimento que envellecera durante 6 semanas a 50 °C e comparala coa súa resistencia ás manchas de KCMA inicial. Os revestimentos que non presenten unha boa estabilidade experimentarán unha diminución no rendemento de tinguidura. Como se mostra na Figura 14, o PUD nº 65215A mantivo o mesmo nivel de rendemento que na proba inicial de resistencia química/ás manchas do revestimento pigmentado que se mostra na Táboa 3.
FIGURA 14 | Paneis de probas químicas para o PUD pigmentado nº 65215A.
Conclusións
Para os aplicadores de revestimentos a base de auga curables por UV, o PUD nº 65215A permitiralles cumprir cos estándares de rendemento actuais nos mercados de carpintería, madeira e ebanistería e, ademais, permitirá que o proceso de revestimento experimente melloras na velocidade da liña superiores ao 50-60 % con respecto aos revestimentos a base de auga curables por UV estándar actuais. Para o aplicador, isto pode significar:
●Produción máis rápida;
●O aumento do grosor da película reduce a necesidade de capas adicionais;
●Liñas de secado máis curtas;
●Aforro de enerxía debido á redución das necesidades de secado;
●Menos refugallos debido á rápida resistencia ao bloqueo;
●Redución do desperdicio de revestimento debido á estabilidade da resina.
Con COV inferiores a 100 g/L, os fabricantes tamén poden cumprir mellor os seus obxectivos de COV. Para os fabricantes que poidan ter problemas de expansión debido a problemas de permisos, o PUD n.º 65215A de liberación rápida de auga permitiralles cumprir máis facilmente as súas obrigas regulamentarias sen sacrificar o rendemento.
Ao comezo deste artigo, citamos as nosas entrevistas e indicamos que os aplicadores de materiais curables por UV a base de solventes adoitan secar e curar os revestimentos nun proceso que leva entre 3 e 5 minutos. Neste estudo, demostramos que, segundo o proceso mostrado na Figura 3, o PUD #65215A curará ata 7 mils de espesor de película húmida en 4 minutos cunha temperatura do forno de 140 °C. Isto está dentro da xanela da maioría dos revestimentos curables por UV a base de solventes. O PUD #65215A podería permitir que os aplicadores actuais de materiais curables por UV a base de solventes cambien a un material curable por UV a base de auga con poucos cambios na súa liña de revestimentos.
Para os fabricantes que estean a considerar a expansión da produción, os revestimentos baseados no PUD #65215A permitiranlles:
●Aforra cartos usando unha liña de revestimento a base de auga máis curta;
●Ter unha pegada de liña de revestimento máis pequena nas instalacións;
●Ter un impacto reducido no permiso de COV vixente;
● Aforro de enerxía debido á redución das necesidades de secado.
En conclusión, o PUD #65215A axudará a mellorar a eficiencia da fabricación de liñas de revestimentos curables por UV grazas ao alto rendemento das propiedades físicas e ás características de rápida liberación de auga da resina cando se seca a 140 °C.
Data de publicación: 14 de agosto de 2024
