Förbättrad tillverkningseffektivitet genom användning av vattenbaserade UV-härdande polyuretaner

Högpresterande UV-härdande beläggningar har använts vid tillverkning av golv, möbler och skåp i många år. Under större delen av denna tid har 100 % fasta och lösningsmedelsbaserade UV-härdande beläggningar varit den dominerande tekniken på marknaden. Under senare år har vattenbaserad UV-härdande beläggningsteknik vuxit. Vattenbaserade UV-härdande hartser har visat sig vara ett användbart verktyg för tillverkare av en mängd olika skäl, inklusive att klara KCMA-färgning, testa kemisk resistens och minska VOC. För att denna teknik ska fortsätta växa på denna marknad har flera drivkrafter identifierats som viktiga områden där förbättringar behöver göras. Dessa kommer att ta vattenbaserade UV-härdande hartser bortom att bara ha de "måsten" som de flesta hartser har. De kommer att börja lägga till värdefulla egenskaper till beläggningen, vilket ger värde till varje position längs värdekedjan från beläggningsformulerare till fabriksapplikator till installatör och slutligen till ägaren.

Tillverkare, särskilt idag, önskar en beläggning som gör mer än att bara uppfylla specifikationerna. Det finns också andra egenskaper som ger fördelar vid tillverkning, packning och installation. En önskad egenskap är förbättringar i anläggningens effektivitet. För den vattenbaserade beläggningen innebär detta snabbare vattenavgivning och snabbare blockeringsmotstånd. En annan önskad egenskap är förbättrad hartsstabilitet för infångning/återanvändning av en beläggning, och hantering av deras lager. För slutanvändaren och installatören är önskade egenskaper bättre poleringsbeständighet och ingen metallmärkning under installationen.

Den här artikeln kommer att diskutera nya utvecklingar inom vattenbaserade UV-härdande polyuretaner som erbjuder kraftigt förbättrad färgstabilitet vid 50 °C i både klara och pigmenterade beläggningar. Den diskuterar också hur dessa hartser uppnår de önskade egenskaperna hos beläggningsapplikatorn genom att öka linjehastigheten genom snabb vattenavgivning, förbättrad blockeringsbeständighet och lösningsmedelsbeständighet utanför linjen, vilket förbättrar hastigheten för staplings- och packningsoperationer. Detta kommer också att förbättra skador utanför linjen som ibland uppstår. Artikeln diskuterar också förbättringar som visats i fläck- och kemikaliebeständighet, vilket är viktigt för installatörer och ägare.

Bakgrund

Landskapet inom ytbehandlingsindustrin är i ständig utveckling. Det är helt enkelt inte tillräckligt att bara uppfylla specifikationen till ett rimligt pris per applicerad mil. Landskapet för fabriksapplicerade ytbehandlingar för skåp, snickerier, golv och möbler förändras snabbt. Formuleringsföretag som levererar ytbehandlingar till fabriker ombeds att göra ytbehandlingar säkrare för anställda att applicera, ta bort ämnen som inger stor risk, ersätta flyktiga organiska föreningar (VOC) med vatten och till och med använda mindre fossilt kol och mer biokol. Verkligheten är att varje kund längs hela värdekedjan ber om att ytbehandlingen ska göra mer än att bara uppfylla specifikationen.

När vi såg en möjlighet att skapa mer värde för fabriken började vårt team undersöka de utmaningar som dessa applikatorer stod inför på fabriksnivå. Efter många intervjuer började vi höra några gemensamma teman:

• Att tillåta hinder hindrar mina expansionsmål;
• Kostnaderna ökar och våra kapitalbudgetar minskar;
• Kostnaderna för både energi och personal ökar;
• Förlust av erfarna medarbetare;
• Våra företagsmål för försäljnings- och administrationskostnader, såväl som mina kunders, måste uppfyllas; och
• Utländsk konkurrens.

Dessa teman ledde till värdeerbjudande som började resonera med applikationer av vattenbaserade UV-härdande polyuretaner, särskilt inom snickeri- och skåpsmarknaden, såsom: ”tillverkare av snickerier och skåp söker förbättringar i fabrikseffektiviteten” och ”tillverkare vill kunna utöka produktionen på kortare produktionslinjer med färre omarbetningsskador på grund av beläggningar med långsamma vattenavgivande egenskaper.”

Tabell 1 illustrerar hur förbättringar av vissa beläggningsegenskaper och fysikaliska egenskaper, för tillverkaren av beläggningsråvaror, leder till effektivitetsvinster som kan realiseras av slutanvändaren.

TABELL 1 | Attribut och fördelar.

Genom att designa UV-härdbara PUD:er med vissa egenskaper som anges i tabell 1, kommer slutanvändartillverkare att kunna tillgodose sina behov av att förbättra anläggningarnas effektivitet. Detta kommer att göra dem mer konkurrenskraftiga och potentiellt ge dem möjlighet att utöka sin nuvarande produktion.

Experimentella resultat och diskussion

UV-härdande polyuretan-dispersioners historia

På 1990-talet började kommersiella användningar av anjoniska polyuretandispersioner innehållande akrylatgrupper bundna till polymeren användas i industriella tillämpningar.1 Många av dessa tillämpningar var inom förpackningar, tryckfärger och träbeläggningar. Figur 1 visar en generisk struktur av en UV-härdande PUD, som demonstrerar hur dessa beläggningsråmaterial är utformade.

FIGUR 1 | Generisk akrylatfunktionell polyuretandispersion.3

Som visas i figur 1 består UV-härdbara polyuretandispersioner (UV-härdbara PUD) av de typiska komponenter som används för att tillverka polyuretandispersioner. Alifatiska diisocyanater reagerar med de typiska estrar, dioler, hydrofiliseringsgrupper och kedjeförlängare som används för att tillverka polyuretandispersioner.2 Skillnaden är tillsatsen av en akrylatfunktionell ester, epoxi eller etrar som införlivas i förpolymersteget under framställningen av dispersionen. Val av material som används som byggstenar, såväl som polymerarkitektur och bearbetning, dikterar en PUD:s prestanda och torkegenskaper. Dessa val av råmaterial och bearbetning kommer att leda till UV-härdbara PUD:er som kan vara icke-filmbildande, såväl som de som är filmbildande.3 De filmbildande, eller torkande, typerna är ämnet för denna artikel.

Filmformning, eller torkning som det ofta kallas, ger sammansmälta filmer som är torra vid beröring före UV-härdning. Eftersom applikatorer vill begränsa luftburen kontaminering av beläggningen på grund av partiklar, såväl som behovet av snabbhet i sin produktionsprocess, torkas dessa ofta i ugnar som en del av en kontinuerlig process före UV-härdning. Figur 2 visar den typiska torknings- och härdningsprocessen för en UV-härdbar PUD.

FIGUR 2 | Process för att härda en UV-härdbar PUD.

Appliceringsmetoden som används är vanligtvis sprutbehandling. Knivrulle och till och med överstrykning har dock använts. När beläggningen väl är applicerad går den vanligtvis igenom en process i fyra steg innan den hanteras igen.

1. Blixt: Detta kan göras vid rumstemperatur eller förhöjd temperatur i flera sekunder till ett par minuter.
2. Ugnstorkning: Det är här vattnet och lösningsmedlen drivs ut ur beläggningen. Detta steg är kritiskt och tar vanligtvis längst tid i en process. Detta steg sker vanligtvis vid >70 °C och varar i upp till 8 minuter. Torkugnar med flera zoner kan också användas.

• IR-lampa och luftrörelse: Installation av IR-lampor och luftrörelsefläktar kommer att accelerera vattenblixten ännu snabbare.

3. UV-härdning.
4. Kyl: När beläggningen har härdat måste den härda en viss tid för att uppnå blockeringsmotstånd. Detta steg kan ta upp till 10 minuter innan blockeringsmotståndet uppnås.

Experimentell

Denna studie jämförde två UV-härdande PUD:er (WB UV), som för närvarande används på skåp- och snickerimarknaden, med vår nya utveckling, PUD # 65215A. I denna studie jämför vi standard #1 och standard #2 med PUD #65215A vad gäller torkning, blockering och kemisk resistens. Vi utvärderar också pH-stabilitet och viskositetsstabilitet, vilket kan vara avgörande när man överväger återanvändning av översprutning och hållbarhet. Tabell 2 visar de fysikaliska egenskaperna hos vart och ett av de hartser som användes i denna studie. Alla tre system formulerades till liknande fotoinitiatornivåer, VOC:er och fastämnesnivåer. Alla tre hartser formulerades med 3 % lösningsmedel.

TABELL 2 | Egenskaper hos PUD-harts.

I våra intervjuer fick vi veta att de flesta WB-UV-beläggningar på snickeri- och skåpmarknaden torkar i en produktionslinje, vilket tar mellan 5–8 minuter innan UV-härdning. Däremot torkar en lösningsmedelsbaserad UV-linje (SB-UV) på 3–5 minuter. Dessutom appliceras beläggningar vanligtvis 4–5 mil våta på denna marknad. En stor nackdel med vattenburna UV-härdande beläggningar jämfört med UV-härdande lösningsmedelsbaserade alternativ är den tid det tar att avflamma vatten i en produktionslinje.4 Filmdefekter som vita fläckar uppstår om vatten inte har avflansats ordentligt från beläggningen före UV-härdning. Detta kan också uppstå om den våta filmtjockleken är för hög. Dessa vita fläckar skapas när vatten fastnar inuti filmen under UV-härdning.5

För denna studie valde vi ett härdningsschema liknande det som skulle användas på en UV-härdande lösningsmedelsbaserad linje. Figur 3 visar vårt applicerings-, torknings-, härdnings- och förpackningsschema som användes i vår studie. Detta torkschema representerar en förbättring på mellan 50 % och 60 % av den totala linjehastigheten jämfört med den nuvarande marknadsstandarden för snickeri- och skåptillämpningar.

FIGUR 3 | Applicering, torkning, härdning och förpackningsschema.

Nedan följer de applicerings- och härdningsförhållanden vi använde i vår studie:

● Sprutapplicera över lönnfaner med svart baslack.
● 30 sekunders blinkning vid rumstemperatur.
● Torkugn på 60 °C i 2,5 minuter (konvektionsugn).
● UV-härdning – intensitet cirka 800 mJ/cm2.

• Klara beläggningar härdades med en Hg-lampa.
• Pigmenterade beläggningar härdades med en kombinerad Hg/Ga-lampa.

●1 minuts nedkylning före stapling.

I vår studie sprutade vi även tre olika våtfilmstjocklekar för att se om andra fördelar, såsom färre lager, också skulle kunna realiseras. 4 mil vått är det typiska för WB UV. I den här studien inkluderade vi även 6 och 8 mil våtbeläggningstjocklekar.

Härdningsresultat

Standard #1, en högblank klarlack, resultat visas i figur 4. WB UV-klarlacken applicerades på medeltät fiberskiva (MDF) som tidigare belagts med en svart baslack och härdats enligt schemat som visas i figur 3. Vid 4 mils vått lager godkändes beläggningen. Vid 6 och 8 mils våtapplicering sprack dock beläggningen, och 8 mils avlägsnades lätt på grund av dålig vattenavgivning före UV-härdning.

FIGUR 4 | Standard nr 1.

Ett liknande resultat ses även i standard #2, som visas i figur 5.

FIGUR 5 | Standard nr 2.

Som visas i figur 6, med samma härdningsschema som i figur 3, uppvisade PUD #65215A en enorm förbättring av vattenfrisättning/torkning. Vid en våtfilmstjocklek på 8 mil observerades lätt sprickbildning i provets nedre kant.

FIGUR 6 | PUD #65215A.

Ytterligare tester av PUD# 65215A i en lågblank klarlack och pigmenterad beläggning över samma MDF med en svart baslack utvärderades för att utvärdera vattenavgivningsegenskaperna i andra typiska beläggningsformuleringar. Som visas i figur 7 släppte lågblankformuleringen vid 5 och 7 mil våt applicering vattnet och bildade en bra film. Vid 10 mil våt var den dock för tjock för att släppa vattnet under torknings- och härdningsschemat i figur 3.

FIGUR 7 | Lågblank PUD #65215A.

I en vitpigmenterad formula presterade PUD #65215A bra i samma torknings- och härdningsschema som beskrivs i figur 3, förutom när den applicerades vid 8 våta mils. Som visas i figur 8 spricker filmen vid 8 mils på grund av dålig vattenfrisättning. Sammantaget presterade PUD# 65215A bra i filmbildningar och torkning i klara, lågblanka och pigmenterade formuleringar när den applicerades upp till 7 mils våt och härdades med det accelererade torknings- och härdningsschemat som beskrivs i figur 3.

FIGUR 8 | Pigmenterad PUD #65215A.

Blockeringsresultat

Blockeringsmotstånd är en beläggnings förmåga att inte fästa vid en annan belagd artikel när den staplas. Vid tillverkning är detta ofta en flaskhals om det tar tid för en härdad beläggning att uppnå blockeringsmotstånd. För denna studie applicerades pigmenterade formuleringar av Standard #1 och PUD #65215A på glas vid 5 våta mils med hjälp av en avdragningsstång. Dessa härdades var och en enligt härdningsschemat i figur 3. Två belagda glaspaneler härdades samtidigt – 4 minuter efter härdning klämdes panelerna ihop, som visas i figur 9. De förblev ihopklämda vid rumstemperatur i 24 timmar. Om panelerna lätt kunde separeras utan avtryck eller skador på de belagda panelerna ansågs testet vara godkänt.
Figur 10 illustrerar den förbättrade blockeringsmotståndskraften hos PUD# 65215A. Även om både standard #1 och PUD #65215A uppnådde fullständig härdning i föregående test, uppvisade endast PUD #65215A tillräcklig vattenfrisättning och härdning för att uppnå blockeringsmotstånd.

FIGUR 9 | Illustration av blockeringsmotståndstest.

FIGUR 10 | Blockeringsmotstånd för standard #1, följt av PUD #65215A.

Resultat av akrylblandning

Beläggningstillverkare blandar ofta WB UV-härdande hartser med akryler för att sänka kostnaden. I vår studie tittade vi också på att blanda PUD#65215A med NeoCryl® XK-12, en vattenbaserad akryl, som ofta används som blandningspartner för UV-härdande vattenbaserade PUD:er på snickeri- och skåpmarknaden. För denna marknad anses KCMA-färgtestning vara standarden. Beroende på slutanvändningen kommer vissa kemikalier att bli viktigare än andra för tillverkaren av den belagda artikeln. Ett betyg på 5 är bäst och ett betyg på 1 är sämst.

Som visas i tabell 3 presterar PUD #65215A exceptionellt bra i KCMA-färgtestning som högblank klarlack, lågblank klarlack och som pigmenterad beläggning. Även när den blandas 1:1 med en akrylfärg påverkas inte KCMA-färgtestningen drastiskt. Även vid färgning med medel som senap återhämtade sig beläggningen till en acceptabel nivå efter 24 timmar.

TABELL 3 | Kemikalie- och fläckbeständighet (betyg 5 är bäst).

Förutom KCMA-färgtestning testar tillverkarna även härdning omedelbart efter UV-härdning utanför härdningslinjen. Ofta märks effekterna av akrylblandning omedelbart utanför härdningslinjen i detta test. Förväntningen är att beläggningen inte ska tränga igenom efter 20 dubbla gnuggningar med isopropylalkohol (20 IPA dr). Proverna testas 1 minut efter UV-härdning. I våra tester såg vi att en 1:1-blandning av PUD# 65215A med en akryl inte klarade detta test. Vi såg dock att PUD #65215A kunde blandas med 25 % NeoCryl XK-12 akryl och fortfarande klara 20 IPA dr-testet (NeoCryl är ett registrerat varumärke som tillhör Covestro-gruppen).

FIGUR 11 | 20 IPA-dubbelgnidningar, 1 minut efter UV-härdning.

Hartsstabilitet

Stabiliteten hos PUD #65215A testades också. En formulering anses vara lagringsstabil om pH-värdet inte sjunker under 7 efter 4 veckor vid 40 °C och viskositeten förblir stabil jämfört med initialvärdet. För våra tester beslutade vi att utsätta proverna för de hårdare förhållandena på upp till 6 veckor vid 50 °C. Vid dessa förhållanden var standard #1 och #2 inte stabila.

För våra tester tittade vi på de högblanka, lågblanka och pigmenterade formuleringarna med lågblank färg som användes i denna studie. Som visas i figur 12 förblev pH-stabiliteten för alla tre formuleringar stabil och över pH-tröskeln på 7,0. Figur 13 illustrerar den minimala viskositetsförändringen efter 6 veckor vid 50 °C.

FIGUR 12 | pH-stabilitet för formulerad PUD #65215A.

FIGUR 13 | Viskositetsstabilitet för formulerad PUD #65215A.

Ett annat test som demonstrerade stabilitetsprestanda för PUD #65215A var att återigen testa KCMA-fläckbeständigheten hos en beläggningsformulering som har åldrats i 6 veckor vid 50 °C, och jämföra detta med dess initiala KCMA-fläckbeständighet. Beläggningar som inte uppvisar god stabilitet kommer att se minskad fläckprestanda. Som visas i figur 14 bibehöll PUD# 65215A samma prestandanivå som i det initiala kemikalie-/fläckbeständighetstestet av den pigmenterade beläggningen som visas i tabell 3.

FIGUR 14 | Kemiska testpaneler för pigmenterad PUD #65215A.

Slutsatser

För applikatorer av UV-härdande vattenbaserade beläggningar kommer PUD #65215A att göra det möjligt för dem att uppfylla nuvarande prestandastandarder inom snickeri-, trä- och skåpmarknaderna, och dessutom möjliggöra förbättringar av beläggningsprocessens linjehastighet på mer än 50–60 % jämfört med nuvarande standard UV-härdande vattenbaserade beläggningar. För applikatorn kan detta innebära:

●Snabbare produktion;
● Ökad filmtjocklek minskar behovet av ytterligare lager;
● Kortare torklinjer;
●Energibesparing tack vare minskat torkbehov;
● Mindre skrap tack vare snabb blockeringsmotstånd;
● Minskat beläggningsspill tack vare hartsstabilitet.

Med VOC-halter på mindre än 100 g/L har tillverkare också större möjligheter att uppfylla sina VOC-mål. För tillverkare som kan ha oro för expansion på grund av tillståndsproblem, kommer PUD #65215A med snabb vattenavgivning att göra det möjligt för dem att enklare uppfylla sina lagstadgade skyldigheter utan prestandaförluster.

I början av den här artikeln citerade vi från våra intervjuer att applikatorer av lösningsmedelsbaserade UV-härdande material vanligtvis torkar och härdar beläggningar i en process som tar mellan 3–5 minuter. Vi har i denna studie visat att enligt processen som visas i figur 3, härdar PUD #65215A upp till 7 mil våtfilmstjocklekar på 4 minuter med en ugnstemperatur på 140 °C. Detta ligger väl inom fönstret för de flesta lösningsmedelsbaserade UV-härdande beläggningar. PUD #65215A skulle potentiellt kunna göra det möjligt för nuvarande applikatorer av lösningsmedelsbaserade UV-härdande material att byta till ett vattenbaserat UV-härdande material med liten förändring av deras beläggningslinje.

För tillverkare som överväger produktionsutökning kommer beläggningar baserade på PUD #65215A att göra det möjligt för dem att:

● Spara pengar genom att använda en kortare vattenbaserad beläggningslinje;
● Ha en mindre yta på beläggningslinjen i anläggningen;
●Ha en minskad påverkan på nuvarande VOC-tillstånd;
● Uppnå energibesparingar tack vare minskat torkbehov.

Sammanfattningsvis kommer PUD #65215A att bidra till att förbättra tillverkningseffektiviteten för UV-härdbara beläggningslinjer genom hög fysikalisk prestanda och snabb vattenavgivning hos hartset vid torkning vid 140 °C.