Förbättring av tillverkningseffektiviteten genom användning av vattenbaserade UV-härdbara polyuretaner

Högpresterande UV-härdbara 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-härdbara beläggningar varit den dominerande tekniken på marknaden. Under de senaste åren har vattenbaserad UV-härdbar beläggningsteknik vuxit. Vattenbaserade UV-härdbara hartser har visat sig vara ett användbart verktyg för tillverkare av en mängd olika anledningar, inklusive att klara KCMA-färgning, testning av kemikaliebeständighet och reducering av VOC. För att denna teknik ska fortsätta växa på denna marknad har flera drivkrafter identifierats som nyckelområden där förbättringar behöver göras. Dessa kommer att ta vattenbaserade UV-härdbara hartser utöver att bara ha de "måste ha" som de flesta hartser har. De kommer att börja lägga till värdefulla egenskaper till beläggningen, vilket ger värde till varje position längs värdekedjan från beläggningsberedare till fabriksapplikator till installatör och slutligen till ägaren.

Tillverkare, särskilt idag, önskar en beläggning som kommer att göra mer än att bara klara 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 att förbättra hartsstabiliteten för infångning/återanvändning av en beläggning och hantering av deras lager. För slutanvändaren och installatören är önskade egenskaper bättre motståndskraft mot polering och ingen metallmärkning under installationen.

Den här artikeln kommer att diskutera nya utvecklingar inom vattenbaserade UV-härdbara polyuretaner som erbjuder mycket förbättrad 50 °C färgstabilitet i såväl klara som pigmenterade beläggningar. Den diskuterar också hur dessa hartser adresserar de önskade egenskaperna hos beläggningsapplikatorn genom att öka linjehastigheten genom snabb vattenfrigöring, förbättrad blockbeständighet och lösningsmedelsbeständighet utanför linjen, vilket förbättrar hastigheten för staplings- och packningsoperationer. Detta kommer också att förbättra off-the-line skador som ibland uppstår. Den här artikeln diskuterar också förbättringar av fläck- och kemikaliebeständighet som är viktiga för installatörer och ägare.

Bakgrund

Landskapet inom beläggningsindustrin utvecklas ständigt. Det "måste" att bara klara specifikationen till ett rimligt pris per applicerad mil räcker helt enkelt inte. Landskapet för fabriksapplicerade beläggningar på skåp, snickerier, golv och möbler förändras snabbt. Formulatorer som levererar beläggningar till fabrikerna ombeds att göra beläggningar säkrare för anställda att applicera, ta bort ämnen som är oroande, ersätta VOC med vatten och till och med använda mindre fossilt kol och mer biokol. Verkligheten är att över hela värdekedjan ber varje kund beläggningen att göra mer än att bara uppfylla specifikationen.

Vårt team såg en möjlighet att skapa mer värde för fabriken och började undersöka på fabriksnivå vilka utmaningar dessa applikatorer stod inför. Efter många intervjuer började vi höra några vanliga 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 företags SG&A-mål, såväl som min kunds, måste uppfyllas; och
• Utomlands tävling.

Dessa teman ledde till uttalanden om värdeförslag som började få resonans hos applikatorer av vattenbaserade UV-härdbara polyuretaner, särskilt inom snickeri- och skåpmarknaden, såsom: "tillverkare av snickerier och skåp söker förbättringar i fabrikseffektivitet" och "tillverkare vill ha möjligheten att utöka produktionen på kortare produktionslinjer med mindre omarbetningsskador på grund av beläggningarna med långsamma vattenavgivande egenskaper."

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

TABELL 1 | Attribut och fördelar.

Genom att designa UV-härdbara PUDs med vissa attribut som anges i Tabell 1, kommer slutanvändningstillverkare att kunna möta behov de har för att förbättra anläggningens effektivitet. Detta kommer att göra det möjligt för dem att bli mer konkurrenskraftiga och potentiellt tillåta dem att utöka nuvarande produktion.

Experimentella resultat och diskussion

UV-härdbara polyuretan dispersioner Historia

På 1990-talet började de kommersiella användningarna av anjoniska polyuretandispersioner innehållande akrylatgrupper fästa vid polymeren användas i industriella tillämpningar.1 Många av dessa tillämpningar var förpackningar, bläck och träbeläggningar. Figur 1 visar en generisk struktur av en UV-härdbar PUD, som visar hur dessa beläggningsråmaterial är utformade.

FIGUR 1 | Generisk akrylatfunktionell polyuretandispersion.3

Som visas i figur 1 består UV-härdbara polyuretandispersioner (UV-härdbara PUDs) av de typiska komponenterna som används för att tillverka polyuretandispersioner. Alifatiska diisocyanater reageras med de typiska estrar, dioler, hydrofiliseringsgrupper och kedjeförlängare som används för att göra polyuretandispersioner.2 Skillnaden är tillsatsen av en akrylatfunktionell ester, epoxi eller etrar som ingår i prepolymersteget samtidigt som dispersionen tillverkas . Val av material som används som byggstenar, såväl som polymerarkitektur och bearbetning, dikterar en PUD:s prestanda och torkegenskaper. Dessa val i råmaterial och bearbetning kommer att leda till UV-härdbara PUDs som kan vara icke-filmbildande, såväl som de som är filmbildande.3 Filmbildande, eller torkningstyper, är ämnet för denna artikel.

Filmbildning, eller torkning som det ofta kallas, kommer att ge koalescerade filmer som är torra vid beröring innan 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 innan 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 spray. Däremot har kniv över rulle och till och med flood coat använts. När beläggningen väl applicerats 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.Ugnstorr: Det är här vattnet och hjälplösningsmedlen drivs ut ur beläggningen. Detta steg är kritiskt och tar vanligtvis mest tid i en process. Detta steg är vanligtvis vid >140 °F och varar i upp till 8 minuter. Flerzonade torkugnar kan också användas.

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

3.UV-kur.
4. Cool: När beläggningen har härdat måste den härda under en viss tid för att uppnå blockeringsmotstånd. Detta steg kan ta så lång tid som 10 minuter innan blockerande motstånd uppnås

Experimentell

Denna studie jämförde två UV-härdbara PUD (WB UV), som för närvarande används på skåp- och snickerimarknaden, med vår nya utveckling, PUD # 65215A. I den här studien jämför vi Standard #1 och Standard #2 med PUD #65215A vad gäller torkning, blockering och kemikalieresistens. Vi utvärderar också pH-stabilitet och viskositetsstabilitet, vilket kan vara avgörande när man överväger återanvändning av översprutning och hållbarhet. Nedan i tabell 2 visas de fysikaliska egenskaperna för vart och ett av de hartser som används i denna studie. Alla tre systemen formulerades till liknande fotoinitiatornivå, VOC och fastämnesnivå. Alla tre hartserna formulerades med 3 % hjälplösningsmedel.

TABELL 2 | PUD-hartsegenskaper.

Vi fick höra i våra intervjuer att de flesta WB-UV-beläggningar på snickeri- och skåpmarknaderna torkar på en produktionslinje, vilket tar mellan 5-8 minuter innan UV-härdning. Däremot torkar en lösningsmedelsbaserad UV (SB-UV) linje på 3-5 minuter. Dessutom, för denna marknad, appliceras beläggningar vanligtvis 4-5 mils våta. En stor nackdel för vattenburna UV-härdbara beläggningar när man jämför med UV-härdbara lösningsmedelsbaserade alternativ är den tid det tar att flasha vatten på en produktionslinje.4 Filmdefekter som vita fläckar kommer att uppstå om vattnet inte har avluftats ordentligt från beläggning före UV-härdning. Detta kan också inträffa 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 ett som skulle användas på en UV-härdbar lösningsmedelsbaserad linje. Figur 3 visar vårt schema för applicering, torkning, härdning och förpackning som används för vår studie. Detta torkschema representerar mellan 50 % och 60 % förbättring av den totala linjehastigheten jämfört med den nuvarande marknadsstandarden för snickeri- och skåpapplikationer.

FIGUR 3 | Applicering, torkning, härdning och förpackningsschema.

Nedan är applikations- och härdningsförhållandena vi använde för vår studie:

● Spraya applicering över lönnfaner med en svart baslack.
●30 sekunders rumstemperaturblixt.
●140 °F torkugn i 2,5 minuter (varmluftsugn).
●UV-härdning – intensitet ca 800 mJ/cm2.

• Klara beläggningar härdades med användning av en Hg-lampa.
• Pigmenterade beläggningar härdades med användning av en kombination av Hg/Ga-lampa.

●1 minuts nedkylning före stapling.

För vår studie sprutade vi även tre olika våtfilmstjocklekar för att se om andra fördelar som färre lager också skulle kunna realiseras. 4 mils våt är typiskt för WB UV. För denna studie inkluderade vi också 6 och 8 mils våtbeläggningsapplikationer.

Härdningsresultat

Standard #1, en högglans klar beläggning, resultat visas i figur 4. WB UV-klar beläggning applicerades på medeltät fiberskiva (MDF) som tidigare belagts med en svart baslack och härdades enligt schemat som visas i figur 3. Vid 4 mil våt passerar beläggningen. Vid 6 och 8 mils våtapplicering sprack emellertid beläggningen och 8 mils avlägsnades lätt på grund av dålig vattenavgivning före UV-härdning.

FIGUR 4 | Standard #1.

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

FIGUR 5 | Standard #2.

Visat i figur 6, med användning av samma härdningsschema som i figur 3, visade PUD #65215A en enorm förbättring av vattenavgivning/torkning. Vid 8 mils våtfilmtjocklek observerades lätt sprickbildning på den nedre kanten av provet.

FIGUR 6 | PUD #65215A.

Ytterligare testning av PUD# 65215A i en lågglans klar beläggning och pigmenterad beläggning över samma MDF med en svart baslack utvärderades för att utvärdera vattenfrigörande egenskaper i andra typiska beläggningsformuleringar. Såsom visas i figur 7 släppte den lågblanka formuleringen vid 5 och 7 mils våt applicering vattnet och bildade en bra film. Men vid 10 mils vått läge var det för tjockt för att släppa ut vattnet under torknings- och härdningsschemat i figur 3.

FIGUR 7 | Lågblank PUD #65215A.

I en vitpigmenterad formel fungerade 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 vattenavgivning. Sammantaget i klara, lågblanka och pigmenterade formuleringar presterade PUD# 65215A bra i filmbildningar och torkning när den applicerades upp till 7 mils våt och härdad enligt det accelererade torknings- och härdningsschemat som beskrivs i figur 3.

FIGUR 8 | Pigmenterad PUD #65215A.

Blockeringsresultat

Blockeringsmotstånd är en beläggnings förmåga att inte fastna på en annan belagd artikel när den staplas. Vid tillverkning är detta ofta en flaskhals om det tar tid för en härdad beläggning att uppnå blockbeständighet. För denna studie applicerades pigmenterade formuleringar av Standard #1 och PUD #65215A på glas vid 5 våta mil med användning av en neddragbar stång. 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 skada på de belagda panelerna ansågs testet vara godkänt.
Figur 10 illustrerar det förbättrade blockeringsmotståndet för PUD# 65215A. Även om både Standard #1 och PUD #65215A uppnådde full härdning i det föregående testet, visade endast PUD #65215A tillräckligt med vattenavgivning och härdning för att uppnå blockeringsmotstånd.

FIGUR 9 | Blockerande motstånd test illustration.

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

Akrylblandningsresultat

Beläggningstillverkare blandar ofta WB UV-härdbara hartser med akryl till lägre kostnad. För vår studie tittade vi också på att blanda PUD#65215A med NeoCryl® XK-12, en vattenbaserad akryl, som ofta används som en blandningspartner för UV-härdbara vattenbaserade PUDs på snickeri- och skåpmarknaden. För denna marknad anses KCMA fläcktestning 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 det sämsta.

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

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

Förutom KCMA-fläcktestning kommer tillverkare också testa för härdning omedelbart efter UV-härdning från linjen. Ofta kommer effekterna av akrylblandning att märkas omedelbart utanför härdningslinjen i detta test. Förväntningen är att inte ha beläggningsgenombrott efter 20 dubbelgnidningar av 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 efter 4 veckor vid 40 °C inte sjunker under 7 och viskositeten förblir stabil jämfört med den initiala. För vår testning bestämde vi oss för att utsätta proverna för de svårare 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 klara, lågblanka klara, såväl som de lågglanspigmenterade formuleringarna som används i denna studie. Såsom visas i figur 12 förblev pH-stabiliteten för alla tre formuleringarna stabil och över pH-tröskeln 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 visar stabilitetsprestanda för PUD #65215A var att återigen testa KCMA-fläckbeständigheten för en beläggningsformulering som har åldrats i 6 veckor vid 50 °C, och att jämföra den med dess initiala KCMA-fläckbeständighet. Beläggningar som inte uppvisar god stabilitet kommer att se nedgångar i färgningsprestanda. Som visas i figur 14, bibehöll PUD# 65215A samma prestandanivå som den gjorde i den första kemikalie-/fläckbeständighetstestningen av den pigmenterade beläggningen som visas i Tabell 3.

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

Slutsatser

För applikatorer av UV-härdbara vattenbaserade beläggningar kommer PUD #65215A att göra det möjligt för dem att möta de nuvarande prestandastandarderna på snickeri-, trä- och skåpmarknaderna, och kommer dessutom att göra det möjligt för beläggningsprocessen att se linjehastighetsförbättringar till mer än 50 -60 % över nuvarande standard UV-härdbara vattenbaserade beläggningar. För applikatorn kan detta betyda:

●Snabbare produktion;
●Ökad filmtjocklek minskar behovet av ytterligare skikt;
●Kortare torklinjer;
●Energibesparing på grund av minskat torkbehov;
●Mindre skrot på grund av snabbt blockeringsmotstånd;
●Minskat beläggningsavfall på grund av hartsstabilitet.

Med VOC mindre än 100 g/L är tillverkarna också mer kapabla att uppfylla sina VOC-mål. För tillverkare som kan ha utbyggnadsbekymmer på grund av tillståndsproblem, kommer PUD #65215A med snabbvattenutlösning att göra det möjligt för dem att lättare uppfylla sina regulatoriska skyldigheter utan att prestanda offras.

I början av den här artikeln citerade vi från våra intervjuer att applikatorer av lösningsmedelsbaserade UV-härdbara material vanligtvis skulle torka och härda beläggningar i en process som tog mellan 3-5 minuter. Vi har visat i denna studie att enligt processen som visas i figur 3 kommer PUD #65215A att härda upp till 7 mils våtfilmtjocklek på 4 minuter med en ugnstemperatur på 140 °C. Detta är väl inom ramen för de flesta lösningsmedelsbaserade UV-härdbara beläggningar. PUD #65215A skulle potentiellt kunna göra det möjligt för nuvarande applikatorer av de lösningsmedelsbaserade UV-härdbara materialen att byta till ett vattenbaserat UV-härdbart material med liten förändring av deras beläggningslinje.

För tillverkare som överväger produktionsutvidgning 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 beläggningslinje i anläggningen;
●Har en minskad inverkan på nuvarande VOC-tillstånd;
●Gör energibesparingar tack vare minskat torkbehov.

Sammanfattningsvis kommer PUD #65215A att bidra till att förbättra tillverkningseffektiviteten av UV-härdbara beläggningslinjer genom hög fysiska egenskaper och snabba vattenavgivande egenskaper hos hartset när det torkas vid 140 °C.