I rivestimenti UV ad alte prestazioni sono utilizzati da molti anni nella produzione di pavimenti, mobili e armadi. Per la maggior parte di questo tempo, i rivestimenti UV a base di solvente e al 100% solidi sono stati la tecnologia dominante sul mercato. Negli ultimi anni, la tecnologia dei rivestimenti UV a base d'acqua si è sviluppata. Le resine UV a base d'acqua si sono dimostrate uno strumento utile per i produttori per una serie di motivi, tra cui il superamento dei test KCMA, della resistenza chimica e la riduzione dei COV. Affinché questa tecnologia continui a crescere in questo mercato, sono stati identificati diversi fattori chiave che richiedono miglioramenti. Questi fattori porteranno le resine UV a base d'acqua a non limitarsi a presentare i "must have" che la maggior parte delle resine possiede. Inizieranno ad aggiungere proprietà preziose al rivestimento, apportando valore a ogni ruolo lungo la catena del valore, dal formulatore del rivestimento all'applicatore in fabbrica, all'installatore e, infine, al proprietario.
I produttori, soprattutto oggi, desiderano un rivestimento che vada oltre il semplice rispetto delle specifiche. Esistono anche altre proprietà che offrono vantaggi in fase di produzione, confezionamento e installazione. Un attributo desiderato è il miglioramento dell'efficienza dell'impianto. Per il rivestimento a base d'acqua, questo significa un rilascio d'acqua più rapido e una maggiore resistenza al bloccaggio. Un altro attributo desiderato è il miglioramento della stabilità della resina per la cattura/riutilizzo del rivestimento e la gestione delle scorte. Per l'utente finale e l'installatore, gli attributi desiderati sono una migliore resistenza alla lucidatura e l'assenza di segni metallici durante l'installazione.
Questo articolo discuterà i nuovi sviluppi nei poliuretani a base d'acqua polimerizzabili tramite raggi UV, che offrono una stabilità della vernice a 50 °C notevolmente migliorata, sia nei rivestimenti trasparenti che in quelli pigmentati. Illustrerà inoltre come queste resine soddisfino le esigenze dell'applicatore di rivestimenti, aumentando la velocità della linea grazie al rapido rilascio dell'acqua, alla migliore resistenza al blocco e alla resistenza ai solventi fuori linea, il che a sua volta velocizza le operazioni di accatastamento e confezionamento. Ciò contribuirà anche a ridurre i danni fuori linea che talvolta si verificano. L'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 "must have" di soddisfare le specifiche a un prezzo ragionevole per millesimo applicato non è semplicemente sufficiente. Il panorama dei rivestimenti applicati in fabbrica su mobili, falegnameria, pavimenti e mobili sta cambiando rapidamente. Ai formulatori che forniscono i rivestimenti agli stabilimenti viene chiesto di renderli più sicuri da applicare per i dipendenti, rimuovere le sostanze altamente problematiche, sostituire i COV con acqua e persino utilizzare meno carbonio fossile e più biocarbone. La realtà è che lungo tutta la catena del valore, ogni cliente chiede al rivestimento di fare di più che semplicemente soddisfare le specifiche.
Vedendo l'opportunità di creare più valore per lo stabilimento, il nostro team ha iniziato a indagare a livello di stabilimento le sfide che questi applicatori stavano affrontando. Dopo numerose interviste, abbiamo iniziato a individuare alcuni temi comuni:
- Gli ostacoli al permesso impediscono il raggiungimento dei miei obiettivi di espansione;
- I costi stanno aumentando e i nostri budget di capitale stanno diminuendo;
- I costi sia dell'energia che del personale stanno aumentando;
- Perdita di dipendenti esperti;
- I nostri obiettivi aziendali SG&A, così come quelli del mio cliente, devono essere soddisfatti; e
- Concorrenza estera.
Questi temi hanno portato ad affermazioni sulla proposta di valore che hanno iniziato a trovare riscontro tra gli applicatori di poliuretani a base d'acqua polimerizzabili tramite raggi UV, in particolare nel mercato della falegnameria e dei mobili, come: "i produttori di falegnameria e mobili cercano di migliorare l'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 determinati attributi e proprietà fisiche del rivestimento portino a efficienze che possono essere realizzate dall'utente finale.
TABELLA 1 | Attributi e benefici.
Progettando PUD fotopolimerizzabili con UV dotati di determinate caratteristiche, come elencato nella Tabella 1, i produttori finali saranno in grado di soddisfare le proprie 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 poliuretaniche polimerizzabili tramite UV
Negli anni '90, le dispersioni poliuretaniche anioniche contenenti gruppi acrilici legati al polimero hanno iniziato a trovare impiego commerciale 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 polimerizzabile con raggi UV, che illustra come vengono progettate queste materie prime per rivestimenti.
FIGURA 1 | Dispersione poliuretanica funzionale acrilica generica.3
Come mostrato in Figura 1, le dispersioni poliuretaniche polimerizzabili a UV (UV-curable PUD) sono costituite dai componenti tipici utilizzati per la produzione di dispersioni poliuretaniche. I diisocianati alifatici vengono fatti reagire con i tipici esteri, dioli, gruppi idrofilizzatori ed estensori di catena utilizzati per la produzione di dispersioni poliuretaniche.2 La differenza consiste nell'aggiunta di un estere funzionale acrilato, di una resina epossidica o di un etere, incorporati nella fase di pre-polimero durante la produzione della dispersione. La scelta dei materiali utilizzati come elementi costitutivi, così come l'architettura e la lavorazione del polimero, determinano le prestazioni e le caratteristiche di essiccazione di un PUD. Queste scelte nelle materie prime e nella lavorazione porteranno a PUD polimerizzabili a UV che possono essere non filmogeni, così come filmogeni.3 Le tipologie filmogene, o di essiccazione, sono oggetto di questo articolo.
La formazione del film, o essiccazione come viene spesso chiamata, produrrà pellicole coalescenti asciutte al tatto prima della polimerizzazione UV. Poiché gli applicatori desiderano limitare la contaminazione del rivestimento dovuta al particolato presente nell'aria, nonché per esigenze di rapidità nel processo produttivo, queste vengono spesso essiccate 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 a UV.
FIGURA 2 | Processo di polimerizzazione di un PUD polimerizzabile tramite raggi UV.
Il metodo di applicazione utilizzato è solitamente a spruzzo. Tuttavia, sono stati utilizzati anche il rullo a spatola e persino la verniciatura a spruzzo. Una volta applicato, il rivestimento viene solitamente sottoposto a un processo in quattro fasi prima di essere nuovamente maneggiato.
1. Flash: può essere eseguito a temperatura ambiente o elevata per diversi secondi o un paio di minuti.
2. Essiccazione in forno: in questa fase, l'acqua e i cosolventi vengono espulsi dal rivestimento. Questa fase è critica e solitamente richiede la maggior parte del tempo di processo. Questa fase avviene solitamente a temperature superiori a 62 °C e dura fino a 8 minuti. Possono essere utilizzati anche forni di essiccazione multizona.
- Lampada a infrarossi e movimento dell'aria: l'installazione di lampade a infrarossi e ventilatori per il movimento dell'aria accelererà ulteriormente il flusso dell'acqua.
3. Polimerizzazione UV.
4. Raffreddamento: una volta indurito, il rivestimento dovrà essere lasciato indurire per un certo periodo di tempo per raggiungere la resistenza al blocco. Questa fase potrebbe richiedere fino a 10 minuti prima che la resistenza al blocco sia raggiunta.
Sperimentale
Questo studio ha confrontato due PUD a polimerizzazione UV (WB UV), attualmente utilizzati nel mercato dei mobili e della falegnameria, con il nostro nuovo sviluppo, il PUD n. 65215A. In questo studio confrontiamo lo Standard n. 1 e lo Standard n. 2 con il PUD n. 65215A in termini di essiccazione, bloccaggio e resistenza chimica. Valutiamo anche la stabilità del pH e della viscosità, che possono essere critici quando si considera il riutilizzo dell'overspray e la durata di conservazione. Nella Tabella 2 sono riportate le proprietà fisiche di ciascuna delle resine utilizzate in questo studio. Tutti e tre i sistemi sono stati formulati con livelli di fotoiniziatore, COV e solidi simili. Tutte e tre le resine sono state formulate con il 3% di cosolvente.
TABELLA 2 | Proprietà della resina PUD.
Nelle nostre interviste ci è stato detto che la maggior parte dei rivestimenti UV-WB utilizzati nel settore della falegnameria e dell'ebanisteria si asciuga su una linea di produzione, il che richiede dai 5 agli 8 minuti prima della polimerizzazione UV. Al contrario, una linea UV a base solvente (SB-UV) si asciuga in 3-5 minuti. Inoltre, per questo mercato, i rivestimenti vengono in genere applicati con uno spessore di 4-5 mil (100-130 mm) bagnato. Uno svantaggio importante dei rivestimenti UV a base acqua rispetto alle alternative UV a base solvente è il tempo necessario per la polimerizzazione dell'acqua su una linea di produzione.4 Difetti del film, come macchie bianche, si verificano se l'acqua non è stata adeguatamente eliminata dal rivestimento prima della polimerizzazione UV. Questo può verificarsi anche se lo spessore del film bagnato è troppo elevato. Queste macchie bianche si formano quando l'acqua rimane intrappolata all'interno del film durante la polimerizzazione UV.5
Per questo studio abbiamo scelto un programma di polimerizzazione simile a quello che verrebbe utilizzato su una linea di produzione a base solvente con polimerizzazione UV. La Figura 3 mostra il programma di applicazione, essiccazione, polimerizzazione e confezionamento utilizzato per il nostro studio. Questo programma di essiccazione rappresenta un miglioramento della velocità complessiva della linea dal 50% al 60% rispetto all'attuale standard di mercato nelle applicazioni di falegnameria e mobilio.
FIGURA 3 | Programma di applicazione, essiccazione, stagionatura e confezionamento.
Di seguito sono riportate le condizioni di applicazione e di polimerizzazione utilizzate per il nostro studio:
●Applicazione a spruzzo su impiallacciatura di acero con una mano di fondo nera.
●Lampeggio a temperatura ambiente di 30 secondi.
●Forno di essiccazione a 140 °F per 2,5 minuti (forno a convezione).
●Cura UV – intensità circa 800 mJ/cm2.
- I rivestimenti trasparenti sono stati polimerizzati utilizzando una lampada a Hg.
- I rivestimenti pigmentati sono stati polimerizzati utilizzando una lampada combinata Hg/Ga.
● Lasciare raffreddare per 1 minuto prima di impilare.
Per il nostro studio abbiamo anche spruzzato tre diversi spessori di film umido per verificare se si sarebbero ottenuti altri vantaggi, come un minor numero di mani. 4 mils umido è lo spessore tipico per la verniciatura UV a luce diffusa. Per questo studio abbiamo incluso anche applicazioni di rivestimento umido da 6 e 8 mils.
Risultati della polimerizzazione
I risultati dello Standard n. 1, un rivestimento trasparente ad alta brillantezza, sono mostrati nella Figura 4. Il rivestimento trasparente UV WB è stato applicato su un pannello di fibra a media densità (MDF) precedentemente rivestito con una mano di fondo nera e polimerizzato secondo il programma mostrato nella Figura 3. A 4 mil di umidità, il rivestimento è passato. Tuttavia, a 6 e 8 mil di umidità, il rivestimento si è crepato e 8 mil sono stati facilmente rimossi a causa dello scarso rilascio d'acqua prima della polimerizzazione UV.
FIGURA 4 | Standard n. 1.
Un risultato simile si riscontra anche nello Standard n. 2, illustrato nella Figura 5.
FIGURA 5 | Standard n. 2.
Come mostrato nella Figura 6, utilizzando lo stesso programma di polimerizzazione della Figura 3, il PUD n. 65215A ha dimostrato un notevole miglioramento nel rilascio dell'acqua/essiccazione. A uno spessore del film umido di 8 mil, è stata osservata una leggera fessurazione sul bordo inferiore del campione.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Sono stati condotti ulteriori test sul PUD# 65215A in un rivestimento trasparente a bassa lucentezza e in un rivestimento pigmentato sullo stesso MDF con una base nera per valutare le caratteristiche di rilascio dell'acqua in altre formulazioni di rivestimento tipiche. Come mostrato in Figura 7, la formulazione a bassa lucentezza a 5 e 7 mil di spessore bagnato ha rilasciato l'acqua e ha formato un buon film. Tuttavia, a 10 mil di spessore bagnato, era troppo densa per rilasciare l'acqua secondo il programma di essiccazione e polimerizzazione illustrato in Figura 3.
FIGURA 7 | PUD a bassa lucentezza n. 65215A.
In una formula pigmentata bianca, il PUD #65215A ha ottenuto buoni risultati seguendo lo stesso programma di essiccazione e polimerizzazione descritto in Figura 3, tranne quando applicato a 8 mil umidi. Come mostrato in Figura 8, il film si screpola a 8 mil a causa dello scarso rilascio d'acqua. Nel complesso, nelle formulazioni trasparenti, a bassa lucentezza e pigmentate, il PUD #65215A ha ottenuto buoni risultati in termini di formazione del film e essiccazione quando applicato fino a 7 mil umidi e polimerizzato seguendo il programma di essiccazione e polimerizzazione accelerato descritto in Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentato n. 65215A.
Risultati di blocco
La resistenza al blocco è la capacità di un rivestimento di non aderire a un altro articolo rivestito quando impilato. In produzione, questo rappresenta spesso un collo di bottiglia se il rivestimento polimerizzato impiega del tempo per raggiungere la resistenza al blocco. Per questo studio, le formulazioni pigmentate dello Standard n. 1 e del PUD n. 65215A sono state applicate al vetro a 5 mil umidi utilizzando una barra di pressaggio. Ciascuna di queste è stata polimerizzata secondo il programma di polimerizzazione illustrato 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 sono separati facilmente senza lasciare impronte o danni ai pannelli rivestiti, il test è stato considerato superato.
La Figura 10 illustra la migliorata resistenza al blocco del PUD# 65215A. Sebbene sia lo Standard #1 che il PUD #65215A abbiano raggiunto la completa polimerizzazione nel test precedente, solo il PUD #65215A ha dimostrato un rilascio d'acqua e una polimerizzazione sufficienti per ottenere la resistenza al blocco.
FIGURA 9 | Illustrazione del test di resistenza al blocco.
FIGURA 10 | Resistenza di blocco dello Standard n. 1, seguito da PUD n. 65215A.
Risultati della miscelazione acrilica
I produttori di rivestimenti spesso miscelano resine UV WB con resine acriliche per ridurre i costi. Per il nostro studio abbiamo anche esaminato la miscelazione di PUD#65215A con NeoCryl® XK-12, un acrilico a base d'acqua, spesso utilizzato come partner di miscelazione per PUD a base d'acqua UV-C nel mercato della falegnameria e dell'arredamento. Per questo mercato, il test di colorazione 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 pari a 5 è la migliore e una valutazione pari a 1 la peggiore.
Come mostrato nella Tabella 3, il PUD #65215A ha ottenuto risultati eccezionali nei test di colorazione KCMA come trasparente ad alta brillantezza, trasparente a bassa brillantezza e come rivestimento pigmentato. Anche se miscelato 1:1 con un acrilico, il test di colorazione KCMA non ne ha risentito in modo significativo. Anche dopo la colorazione con agenti come la senape, il rivestimento ha recuperato un livello accettabile dopo 24 ore.
TABELLA 3 | Resistenza chimica e alle macchie (il punteggio migliore è 5).
Oltre al test di colorazione KCMA, i produttori testano anche la polimerizzazione immediatamente dopo la polimerizzazione UV fuori dalla linea. Spesso, in questo test, gli effetti della miscelazione dell'acrilico si notano immediatamente fuori dalla linea di polimerizzazione. L'aspettativa è di non riscontrare alcuna 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 PUD# 65215A poteva essere miscelato con acrilico NeoCryl XK-12 al 25% e superare comunque il test di 20 IPA dr (NeoCryl è un marchio registrato del gruppo Covestro).
FIGURA 11 | 20 doppie passate di IPA, 1 minuto dopo la polimerizzazione UV.
Stabilità della resina
È stata testata anche la stabilità del PUD #65215A. Una formulazione è considerata stabile a scaffale se, dopo 4 settimane a 40 °C, il pH non scende sotto 7 e la viscosità rimane stabile rispetto al valore iniziale. Per i nostri test abbiamo deciso di sottoporre i campioni a condizioni più severe, 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 brillantezza e pigmentate a bassa brillantezza utilizzate in questo studio. Come mostrato in Figura 12, la stabilità del pH di tutte e tre le formulazioni è rimasta stabile e al di sopra della soglia di pH 7,0. La Figura 13 illustra la variazione minima di 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 la stabilità del PUD #65215A è stato quello di testare nuovamente la resistenza alle macchie KCMA di una formulazione di rivestimento invecchiata per 6 settimane a 50 °C, confrontandola con la sua resistenza iniziale alle macchie KCMA. I rivestimenti che non mostrano una buona stabilità subiranno cali nelle prestazioni di resistenza alle macchie. Come mostrato nella Figura 14, il PUD #65215A ha mantenuto lo stesso livello di prestazioni ottenuto nei test iniziali di resistenza chimica/alle macchie del rivestimento pigmentato riportati nella Tabella 3.
FIGURA 14 | Pannelli di prova chimici per PUD pigmentato n. 65215A.
Conclusioni
Per gli applicatori di vernici all'acqua a polimerizzazione UV, il PUD n. 65215A consentirà loro di soddisfare gli attuali standard prestazionali nei mercati della falegnameria, del legno e dell'arredamento e, inoltre, consentirà di migliorare la velocità di linea del processo di verniciatura di oltre il 50-60% rispetto agli attuali rivestimenti all'acqua a polimerizzazione UV standard. Per l'applicatore, ciò potrebbe significare:
●Produzione più rapida;
●L'aumento dello spessore della pellicola riduce la necessità di ulteriori strati;
●Linee di asciugatura più corte;
●Risparmio energetico grazie alla riduzione delle esigenze di asciugatura;
●Meno scarti grazie alla rapida resistenza al bloccaggio;
●Riduzione degli sprechi di rivestimento grazie alla stabilità della resina.
Con livelli di COV inferiori a 100 g/L, i produttori sono anche più in grado di rispettare i propri obiettivi di COV. Per i produttori che potrebbero avere problemi di espansione a causa di problemi di autorizzazione, il PUD #65215A a rilascio rapido in 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 a polimerizzazione UV a base solvente asciugavano e polimerizzavano i rivestimenti in un processo che richiedeva dai 3 ai 5 minuti. Abbiamo dimostrato in questo studio che, secondo il processo mostrato in Figura 3, il PUD #65215A polimerizza fino a 7 mil di spessore di film umido in 4 minuti con una temperatura del forno di 140 °C. Questo è ampiamente entro la finestra della maggior parte dei rivestimenti a polimerizzazione UV a base solvente. Il PUD #65215A potrebbe potenzialmente consentire agli attuali applicatori di materiali a polimerizzazione UV a base solvente di passare a un materiale a polimerizzazione UV a base acqua con poche modifiche alla loro linea di verniciatura.
Per i produttori che stanno considerando l'espansione della produzione, i rivestimenti basati su PUD #65215A consentiranno loro di:
●Risparmiare denaro utilizzando una linea di verniciatura a base d'acqua più corta;
● Avere un ingombro ridotto della linea di verniciatura nello stabilimento;
●Avere un impatto ridotto sull'attuale permesso VOC;
●Risparmio energetico grazie alla riduzione delle esigenze di asciugatura.
In conclusione, il PUD #65215A contribuirà a migliorare l'efficienza di produzione delle linee di rivestimenti fotoindurenti grazie alle elevate proprietà fisiche e alle caratteristiche di rapido rilascio dell'acqua della resina una volta essiccata a 140 °C.
Data di pubblicazione: 14-08-2024
