I rivestimenti polimerizzabili ai raggi UV ad alte prestazioni vengono utilizzati da molti anni nella produzione di pavimenti, mobili e armadi. Per la maggior parte di questo tempo, i rivestimenti polimerizzabili UV a base solvente e solidi al 100% sono stati la tecnologia dominante sul mercato. Negli ultimi anni, la tecnologia dei rivestimenti indurenti UV a base acqua è cresciuta. Le resine polimerizzabili con raggi UV a base acqua si sono rivelate uno strumento utile per i produttori per una serie di motivi, tra cui il superamento della colorazione KCMA, i test di resistenza chimica e la riduzione dei COV. Affinché questa tecnologia continui a crescere in questo mercato, sono stati identificati diversi fattori come aree chiave in cui è necessario apportare miglioramenti. Ciò porterà le resine polimerizzabili ai raggi UV a base acqua oltre il semplice fatto di avere i “must have” posseduti dalla maggior parte delle resine. Inizieranno ad aggiungere proprietà preziose al rivestimento, apportando valore a ciascuna posizione lungo la catena del valore, dal formulatore del rivestimento all'applicatore di fabbrica, all'installatore e, infine, al proprietario.
I produttori, soprattutto oggi, desiderano un rivestimento che faccia molto di più che semplicemente superare le specifiche. Esistono anche altre proprietà che offrono vantaggi nella produzione, nell'imballaggio e nell'installazione. Un attributo desiderato è il miglioramento dell'efficienza dell'impianto. Per il rivestimento a base acqua ciò significa un rilascio dell'acqua più rapido e una resistenza al bloccaggio più rapida. Un altro attributo desiderato è il miglioramento della stabilità della resina per la cattura/riutilizzo di un rivestimento e la gestione delle scorte. Per l'utente finale e l'installatore, le caratteristiche desiderate sono una migliore resistenza alla brunitura e l'assenza di segni metallici durante l'installazione.
Questo articolo discuterà i nuovi sviluppi dei poliuretani polimerizzabili con raggi UV a base acqua che offrono una stabilità della vernice a 50 °C molto migliorata nei rivestimenti trasparenti e pigmentati. Si discute inoltre di come queste resine soddisfano gli attributi desiderati dell'applicatore di rivestimento aumentando la velocità della linea attraverso un rapido rilascio dell'acqua, una migliore resistenza ai blocchi e resistenza ai solventi fuori linea, che migliora la velocità per le operazioni di impilamento e imballaggio. Ciò migliorerà anche i danni off-line che a volte si verificano. Questo articolo illustra inoltre i miglioramenti dimostrati nella resistenza alle macchie e agli agenti chimici, importanti per installatori e proprietari.
Sfondo
Il panorama del settore dei rivestimenti è in continua evoluzione. Il semplice fatto di superare le specifiche a un prezzo ragionevole per mil applicato semplicemente non è sufficiente. Il panorama dei rivestimenti applicati in fabbrica a mobili, falegnameria, pavimenti e mobili sta cambiando rapidamente. Ai formulatori che forniscono rivestimenti alle fabbriche viene chiesto di rendere i rivestimenti più sicuri da applicare per i dipendenti, rimuovere sostanze altamente problematiche, sostituire i COV con acqua e persino utilizzare meno carbonio fossile e più biocarbonio. La realtà è che lungo tutta la catena del valore, ogni cliente chiede al rivestimento di fare molto di più che semplicemente soddisfare le specifiche.
Vedendo un'opportunità per creare più valore per la fabbrica, il nostro team ha iniziato a indagare a livello di fabbrica sulle sfide che questi applicatori stavano affrontando. Dopo molte interviste abbiamo iniziato a sentire alcuni temi comuni:
- Gli ostacoli consentiti impediscono i miei obiettivi di espansione;
- I costi stanno aumentando e i nostri budget di capitale stanno diminuendo;
- I costi sia dell’energia che del personale sono in aumento;
- Perdita di dipendenti esperti;
- I nostri obiettivi SG&A aziendali, così come quelli del mio cliente, devono essere raggiunti; E
- Concorrenza all'estero.
Questi temi hanno portato a dichiarazioni di proposte di valore che hanno iniziato a trovare risonanza tra gli applicatori di poliuretani polimerizzabili con raggi UV a base acqua, in particolare nel mercato della falegnameria e dell’ebanisteria, come ad esempio: “i produttori di falegnameria ed ebanisteria stanno cercando miglioramenti nell’efficienza della fabbrica” e “i produttori vogliono la possibilità di espandere la produzione su linee di produzione più corte con meno danni da rilavorazione grazie ai rivestimenti con proprietà di rilascio lento dell’acqua”.
La tabella 1 illustra come, per il produttore di materie prime per rivestimenti, i miglioramenti in alcuni attributi e proprietà fisiche del rivestimento portano a efficienze che possono essere realizzate dall'utente finale.
TABELLA 1 | Attributi e vantaggi.
Progettando PUD polimerizzabili con raggi UV con determinati attributi elencati nella Tabella 1, i produttori finali saranno in grado di soddisfare le loro esigenze di miglioramento dell'efficienza degli impianti. Ciò consentirà loro di essere più competitivi e potenzialmente di espandere la produzione attuale.
Risultati sperimentali e discussione
Storia delle dispersioni di poliuretano polimerizzabili con raggi UV
Negli anni '90, gli usi commerciali delle dispersioni di poliuretano anionico contenenti gruppi acrilato attaccati al polimero iniziarono ad essere utilizzati in applicazioni industriali.1 Molte di queste applicazioni riguardavano imballaggi, inchiostri e rivestimenti per legno. La Figura 1 mostra una struttura generica di un PUD induribile con raggi UV, dimostrando come sono progettate queste materie prime di rivestimento.
FIGURA 1 | Dispersione poliuretanica funzionale acrilata generica.3
Come mostrato nella Figura 1, le dispersioni di poliuretano induribili con UV (PUD induribili con UV) sono costituite dai componenti tipici utilizzati per produrre dispersioni di poliuretano. I diisocianati alifatici vengono fatti reagire con i tipici esteri, dioli, gruppi di idrofilizzazione ed estensori di catena utilizzati per produrre dispersioni di poliuretano.2 La differenza è l'aggiunta di un estere funzionale acrilato, una resina epossidica o eteri incorporati nella fase di pre-polimero durante la preparazione della dispersione . La scelta dei materiali utilizzati come elementi costitutivi, nonché l'architettura e la lavorazione del polimero, determinano le prestazioni e le caratteristiche di essiccazione di un PUD. Queste scelte in termini di materie prime e lavorazione porteranno a PUD polimerizzabili con raggi UV che possono essere non filmogeni, così come quelli filmogeni.3 I tipi filmogeni o di essiccazione sono l'oggetto di questo articolo.
La formazione del film, o essiccazione come viene spesso chiamata, produrrà film coalizzati che risultano asciutti al tatto prima della polimerizzazione UV. Poiché gli applicatori desiderano limitare la contaminazione aerea del rivestimento dovuta a particolati, nonché la necessità di velocità nel processo di produzione, questi vengono spesso essiccati in forni come parte di un processo continuo prima della polimerizzazione UV. La Figura 2 mostra il tipico processo di essiccazione e polimerizzazione di un PUD polimerizzabile con raggi UV.
FIGURA 2 | Processo per polimerizzare un PUD polimerizzabile con raggi UV.
Il metodo di applicazione utilizzato è tipicamente lo spruzzo. Tuttavia, sono stati utilizzati il coltello su rullo e persino il rivestimento a piena. Una volta applicato, il rivestimento solitamente passa attraverso un processo in quattro fasi prima di essere nuovamente maneggiato.
1.Flash: questa operazione può essere eseguita a temperatura ambiente o elevata per alcuni secondi fino a un paio di minuti.
2. Asciugatura in forno: è qui che l'acqua e i cosolventi vengono eliminati dal rivestimento. Questo passaggio è fondamentale e in genere richiede la maggior parte del tempo in un processo. Questo passaggio avviene solitamente a >140 °F e dura fino a 8 minuti. Possono essere utilizzati anche forni di essiccazione multizona.
- Lampada IR e movimento dell'aria: l'installazione di lampade IR e ventole per il movimento dell'aria accelererà il lampo dell'acqua ancora più velocemente.
3. Cura UV.
4. Raffreddamento: una volta indurito, il rivestimento dovrà polimerizzare per un certo periodo di tempo per ottenere resistenza al bloccaggio. Questo passaggio può richiedere fino a 10 minuti prima che venga raggiunta la resistenza al blocco
Sperimentale
Questo studio ha confrontato due PUD polimerizzabili con raggi UV (WB UV), attualmente utilizzati nel mercato dei mobili e della falegnameria, con il nostro nuovo sviluppo, PUD n. 65215A. In questo studio confrontiamo lo Standard n. 1 e lo Standard n. 2 con il PUD n. 65215A in termini di asciugatura, bloccaggio e resistenza chimica. Valutiamo anche la stabilità del pH e la stabilità della viscosità, che possono essere fondamentali quando si considera il riutilizzo dell'overspray e la durata di conservazione. Di seguito nella Tabella 2 sono mostrate le proprietà fisiche di ciascuna delle resine utilizzate in questo studio. Tutti e tre i sistemi sono stati formulati con livelli di fotoiniziatori, COV e solidi simili. Tutte e tre le resine sono state formulate con il 3% di cosolvente.
TAVOLA 2 | Proprietà della resina PUD.
Nelle nostre interviste ci è stato detto che la maggior parte dei rivestimenti WB-UV nei mercati della falegnameria e dell'ebanisteria asciugano su una linea di produzione, che impiega dai 5 agli 8 minuti prima della polimerizzazione UV. Al contrario, una linea UV a base solvente (SB-UV) asciuga in 3-5 minuti. Inoltre, per questo mercato, i rivestimenti vengono generalmente applicati a 4-5 mil bagnati. Uno dei principali svantaggi dei rivestimenti UV a base acqua rispetto alle alternative a base solvente UV è il tempo necessario per far evaporare l'acqua su una linea di produzione.4 Si verificheranno difetti della pellicola, come macchie bianche, se l'acqua non è stata adeguatamente evaporata dalla linea di produzione. rivestimento prima della polimerizzazione UV. Ciò può verificarsi anche se lo spessore del film umido è troppo elevato. Queste macchie bianche si creano quando l'acqua rimane intrappolata all'interno della pellicola durante la polimerizzazione UV.5
Per questo studio abbiamo scelto un programma di polimerizzazione simile a quello che verrebbe utilizzato su una linea a base solvente polimerizzabile con UV. La Figura 3 mostra il nostro programma di applicazione, essiccazione, stagionatura e confezionamento utilizzato per il nostro studio. Questo programma di asciugatura rappresenta un miglioramento compreso tra il 50% e il 60% nella velocità complessiva della linea rispetto all'attuale standard di mercato nelle applicazioni di falegnameria ed ebanisteria.
FIGURA 3 | Programma di applicazione, asciugatura, polimerizzazione e confezionamento.
Di seguito sono riportate le condizioni di applicazione e polimerizzazione che abbiamo utilizzato per il nostro studio:
●Applicazione a spruzzo su impiallacciatura di acero con base nera.
●Flash della temperatura ambiente per 30 secondi.
●Forno di essiccazione a 140 °F per 2,5 minuti (forno a convezione).
●Indurimento UV – intensità circa 800 mJ/cm2.
- I rivestimenti trasparenti sono stati polimerizzati utilizzando una lampada al mercurio.
- I rivestimenti pigmentati sono stati polimerizzati utilizzando una lampada combinata Hg/Ga.
●1 minuto di raffreddamento prima dell'impilamento.
Per il nostro studio abbiamo anche spruzzato tre diversi spessori di film umido per vedere se si sarebbero ottenuti anche altri vantaggi come un minor numero di mani. 4 mil bagnati è il valore tipico per WB UV. Per questo studio abbiamo incluso anche applicazioni di rivestimento a umido da 6 e 8 mil.
Risultati della polimerizzazione
Standard n. 1, un rivestimento trasparente ad alta brillantezza, i risultati sono mostrati nella Figura 4. Il rivestimento trasparente UV WB è stato applicato su pannelli di fibra a media densità (MDF) precedentemente rivestiti con uno strato di base nero e polimerizzato secondo il programma mostrato nella Figura 3. A 4 mil di umidità il rivestimento passa. Tuttavia, con un'applicazione a umido di 6 e 8 mil, il rivestimento si è rotto e 8 mil sono stati facilmente rimossi a causa dello scarso rilascio di acqua prima dell'indurimento UV.
FIGURA 4 | Norma n. 1.
Un risultato simile si vede anche nello Standard n. 2, mostrato nella Figura 5.
FIGURA 5 | Norma n.2.
Come illustrato nella Figura 6, utilizzando lo stesso programma di polimerizzazione della Figura 3, il PUD n. 65215A ha dimostrato un enorme miglioramento nel rilascio/asciugatura dell'acqua. Ad uno spessore della pellicola bagnata di 8 mil, è stata osservata una leggera fessurazione sul bordo inferiore del campione.
FIGURA 6 | PUD n. 65215A.
Sono stati valutati ulteriori test del PUD# 65215A in un rivestimento trasparente a bassa brillantezza e un rivestimento pigmentato sullo stesso MDF con un rivestimento di base nero per valutare le caratteristiche di rilascio dell'acqua in altre tipiche formulazioni di rivestimento. Come mostrato nella Figura 7, la formulazione a bassa brillantezza con applicazione a umido da 5 e 7 mil ha rilasciato l'acqua e ha formato una buona pellicola. Tuttavia, a 10 mil di umidità, era troppo denso per rilasciare l'acqua secondo il programma di asciugatura e polimerizzazione illustrato nella Figura 3.
FIGURA 7 | PUD poco lucido n. 65215A.
In una formula pigmentata di bianco, il PUD n. 65215A ha funzionato bene con lo stesso programma di asciugatura e polimerizzazione descritto nella Figura 3, tranne quando applicato a 8 mil umidi. Come mostrato nella Figura 8, la pellicola si rompe a 8 mil a causa dello scarso rilascio di acqua. Nel complesso nelle formulazioni trasparenti, poco lucide e pigmentate, PUD# 65215A ha ottenuto buoni risultati nella formazione della pellicola e nell'asciugatura quando applicato fino a 7 mil bagnati e polimerizzato secondo il programma di asciugatura e polimerizzazione accelerato descritto nella Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentato n. 65215A.
Blocco dei risultati
La resistenza al bloccaggio è la capacità di un rivestimento di non aderire ad un altro articolo rivestito quando impilato. Nella produzione questo rappresenta spesso un collo di bottiglia se occorre tempo affinché un rivestimento indurito raggiunga la resistenza al bloccaggio. Per questo studio, le formulazioni pigmentate dello Standard n. 1 e PUD n. 65215A sono state applicate al vetro a 5 mil umidi utilizzando una barra di prelievo. Ciascuno di essi è stato polimerizzato secondo il programma di polimerizzazione riportato nella Figura 3. Due pannelli di vetro rivestiti sono stati polimerizzati contemporaneamente: 4 minuti dopo la polimerizzazione i pannelli sono stati fissati insieme, come mostrato nella Figura 9. Sono rimasti fissati insieme a temperatura ambiente per 24 ore . Se i pannelli si separavano facilmente senza impronte o danni ai pannelli rivestiti, il test veniva considerato superato.
La Figura 10 illustra la migliore resistenza al blocco del PUD# 65215A. Sebbene sia lo Standard n. 1 che il PUD n. 65215A abbiano ottenuto una polimerizzazione completa nel test precedente, solo il PUD n. 65215A ha dimostrato un rilascio di acqua e una polimerizzazione sufficienti per ottenere una resistenza al bloccaggio.
FIGURA 9 | Illustrazione del test di resistenza al blocco.
FIGURA 10 | Resistenza al blocco dello Standard n. 1, seguita dal PUD n. 65215A.
Risultati della miscelazione acrilica
I produttori di rivestimenti spesso mescolano le resine WB polimerizzabili ai raggi UV con gli acrilici per ridurre i costi. Per il nostro studio abbiamo anche esaminato la miscelazione del PUD#65215A con NeoCryl® XK-12, un acrilico a base d'acqua, spesso utilizzato come partner di miscelazione per PUD a base d'acqua polimerizzabili con raggi UV nel mercato della falegnameria e dell'ebanisteria. Per questo mercato, il test delle macchie KCMA è considerato lo standard. A seconda dell'applicazione finale, alcune sostanze chimiche diventeranno più importanti di altre per il produttore dell'articolo rivestito. Una valutazione di 5 è la migliore e una valutazione di 1 è la peggiore.
Come mostrato nella Tabella 3, il PUD n. 65215A offre prestazioni eccezionalmente buone nei test delle macchie KCMA come trasparente ad alta lucentezza, trasparente a bassa lucentezza e come rivestimento pigmentato. Anche se miscelato 1:1 con un acrilico, il test delle macchie KCMA non viene influenzato in modo significativo. Anche nella colorazione con agenti come la senape, il rivestimento è tornato ad un livello accettabile dopo 24 ore.
TABELLA 3 | Resistenza agli agenti chimici e alle macchie (la valutazione migliore è 5).
Oltre al test delle macchie KCMA, i produttori testeranno anche la polimerizzazione immediatamente dopo la polimerizzazione UV fuori linea. Spesso in questo test gli effetti della miscelazione acrilica si notano immediatamente fuori dalla linea di polimerizzazione. L'aspettativa è di non ottenere una rottura del rivestimento dopo 20 doppi sfregamenti con alcol isopropilico (20 IPA dr). I campioni vengono testati 1 minuto dopo la polimerizzazione UV. Nei nostri test abbiamo visto che una miscela 1:1 di PUD# 65215A con un acrilico non ha superato questo test. Tuttavia, abbiamo visto che il PUD #65215A poteva essere miscelato con il 25% di acrilico NeoCryl XK-12 e superare comunque il test IPA 20 dr (NeoCryl è un marchio registrato del gruppo Covestro).
FIGURA 11 | 20 doppi strofinamenti con IPA, 1 minuto dopo la polimerizzazione UV.
Stabilità della resina
È stata testata anche la stabilità del PUD #65215A. Una formulazione è considerata stabile se dopo 4 settimane a 40°C il pH non scende sotto 7 e la viscosità rimane stabile rispetto a quella iniziale. Per i nostri test abbiamo deciso di sottoporre i campioni alle condizioni più difficili fino a 6 settimane a 50 °C. In queste condizioni gli Standard #1 e #2 non erano stabili.
Per i nostri test abbiamo esaminato le formulazioni trasparenti ad alta brillantezza, trasparenti a bassa lucidità e anche le formulazioni pigmentate a bassa lucidità utilizzate in questo studio. Come mostrato nella Figura 12, la stabilità del pH di tutte e tre le formulazioni è rimasta stabile e al di sopra della soglia del pH di 7,0. La Figura 13 illustra la variazione minima della viscosità dopo 6 settimane a 50 °C.
FIGURA 12 | Stabilità del pH del PUD formulato n. 65215A.
FIGURA 13 | Stabilità della viscosità del PUD formulato n. 65215A.
Un altro test che ha dimostrato le prestazioni di stabilità del PUD n. 65215A è stato quello di testare nuovamente la resistenza alle macchie KCMA di una formulazione di rivestimento che è stata invecchiata per 6 settimane a 50 °C e confrontarla con la sua resistenza alle macchie KCMA iniziale. I rivestimenti che non presentano una buona stabilità vedranno cali nelle prestazioni di colorazione. Come mostrato nella Figura 14, il PUD# 65215A ha mantenuto lo stesso livello di prestazioni del test iniziale di resistenza chimica/macchia del rivestimento pigmentato mostrato nella Tabella 3.
FIGURA 14 | Pannelli per test chimici per PUD pigmentato #65215A.
Conclusioni
Per gli applicatori di rivestimenti a base acqua polimerizzabili con raggi UV, il PUD n. 65215A consentirà loro di soddisfare gli attuali standard prestazionali nei mercati della falegnameria, del legno e degli armadietti e, inoltre, consentirà al processo di rivestimento di vedere miglioramenti della velocità della linea superiori a 50 -60% rispetto agli attuali rivestimenti standard a base acqua UV-reticolabili. Per l’applicatore questo può significare:
●produzione più veloce;
●L'aumento dello spessore del film riduce la necessità di strati aggiuntivi;
●linee di asciugatura più corte;
●Risparmio energetico dovuto alle ridotte esigenze di asciugatura;
●Meno scarti grazie alla rapida resistenza al bloccaggio;
●Riduzione degli sprechi di rivestimento grazie alla stabilità della resina.
Con COV inferiori a 100 g/L, i produttori sono anche più in grado di raggiungere i loro obiettivi di COV. Per i produttori che potrebbero avere preoccupazioni di espansione a causa di problemi di autorizzazione, il PUD n. 65215A a rilascio rapido di acqua consentirà loro di soddisfare più facilmente i propri obblighi normativi senza sacrificare le prestazioni.
All'inizio di questo articolo abbiamo citato dalle nostre interviste che gli applicatori di materiali polimerizzabili con raggi UV a base solvente normalmente asciugano e polimerizzano i rivestimenti in un processo che richiede dai 3 ai 5 minuti. In questo studio abbiamo dimostrato che, secondo il processo mostrato nella Figura 3, il PUD n. 65215A polimerizzerà spessori di pellicola bagnata fino a 7 mil in 4 minuti con una temperatura del forno di 140 °C. Questo valore rientra ampiamente nei limiti della maggior parte dei rivestimenti UV a base solvente. Il PUD n. 65215A potrebbe potenzialmente consentire agli attuali applicatori di materiali polimerizzabili tramite UV a base solvente di passare a un materiale polimerizzabile tramite UV a base acqua con poche modifiche alla loro linea di rivestimento.
Per i produttori che intendono espandere la produzione, i rivestimenti basati su PUD #65215A consentiranno loro di:
●Risparmia denaro grazie all'uso di una linea di verniciatura a base acqua più corta;
●Avere un ingombro ridotto della linea di rivestimento nello stabilimento;
●Avere un impatto ridotto sull'attuale permesso COV;
●Realizzare risparmi energetici grazie alla riduzione delle esigenze di asciugatura.
In conclusione, il PUD n. 65215A contribuirà a migliorare l'efficienza produttiva delle linee di rivestimenti polimerizzabili con raggi UV attraverso elevate prestazioni in termini di proprietà fisiche e caratteristiche di rilascio rapido dell'acqua della resina quando essiccata a 140 °C.
Orario di pubblicazione: 14 agosto 2024
