Da molti anni, i rivestimenti ad alte prestazioni polimerizzabili ai raggi UV vengono utilizzati nella produzione di pavimenti, mobili e armadi. Per la maggior parte di questo periodo, i rivestimenti polimerizzabili ai raggi UV a base di solvente e al 100% solidi hanno rappresentato la tecnologia dominante sul mercato. Negli ultimi anni, la tecnologia dei rivestimenti polimerizzabili ai raggi UV a base d'acqua ha registrato una crescita. Le resine polimerizzabili ai raggi 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 di resistenza alle macchie e agli agenti chimici KCMA e la riduzione dei VOC (composti organici volatili). Affinché questa tecnologia continui a crescere in questo mercato, sono stati identificati diversi fattori chiave che richiedono miglioramenti. Questi miglioramenti consentiranno alle resine polimerizzabili ai raggi UV a base d'acqua di andare oltre le semplici caratteristiche "indispensabili" che la maggior parte delle resine possiede. Inizieranno ad aggiungere proprietà preziose al rivestimento, apportando valore a ogni fase della catena del valore, dal formulatore del rivestimento all'applicatore in fabbrica, all'installatore e, infine, al proprietario.
Oggigiorno, i produttori desiderano rivestimenti che offrano qualcosa di più del semplice rispetto delle specifiche. Sono necessarie anche altre proprietà che apportino vantaggi in fase di produzione, confezionamento e installazione. Un attributo ricercato è il miglioramento dell'efficienza dell'impianto. Per i rivestimenti a base d'acqua, ciò si traduce in un rilascio dell'acqua più rapido e in una maggiore resistenza al bloccaggio. Un altro attributo ricercato è il miglioramento della stabilità della resina per il recupero/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 sul metallo durante l'installazione.
Questo articolo tratterà i nuovi sviluppi nel campo dei poliuretani a base d'acqua polimerizzabili ai raggi UV, che offrono una stabilità della vernice a 50 °C notevolmente migliorata, sia per le vernici trasparenti che per quelle pigmentate. Verrà inoltre illustrato come queste resine soddisfino le esigenze degli applicatori di vernici, aumentando la velocità di linea grazie al rapido rilascio dell'acqua, migliorando la resistenza al bloccaggio e la resistenza ai solventi al di fuori della linea di produzione, il che velocizza le operazioni di impilamento e imballaggio. Ciò contribuirà anche a ridurre i danni che talvolta si verificano al di fuori della linea di produzione. L'articolo discuterà infine i miglioramenti dimostrati in termini di resistenza alle macchie e agli agenti chimici, aspetti importanti per installatori e proprietari.
Sfondo
Il panorama del settore dei rivestimenti è in continua evoluzione. I requisiti minimi, come il semplice rispetto delle specifiche a un prezzo ragionevole per millimetro applicato, non sono più sufficienti. Il settore dei rivestimenti applicati in fabbrica su mobili, serramenti, pavimenti e arredi sta cambiando rapidamente. Ai formulisti che forniscono rivestimenti alle fabbriche viene richiesto di rendere i rivestimenti più sicuri per i dipendenti durante l'applicazione, di eliminare le sostanze altamente problematiche, di sostituire i VOC (composti organici volatili) con l'acqua e persino di utilizzare meno carbonio fossile e più carbonio biologico. La realtà è che, lungo tutta la catena del valore, ogni cliente richiede al rivestimento di fare molto di più che semplicemente soddisfare le specifiche.
Intravedendo l'opportunità di creare maggiore valore per lo stabilimento, il nostro team ha iniziato a indagare a livello di fabbrica sulle difficoltà che questi applicatori si trovavano ad affrontare. Dopo numerose interviste, abbiamo iniziato a riscontrare alcuni temi ricorrenti:
- Gli ostacoli burocratici mi impediscono di raggiungere i miei obiettivi di espansione;
- I costi sono in aumento e i nostri budget per gli investimenti sono in diminuzione;
- I costi sia dell'energia che del personale sono in aumento;
- Perdita di dipendenti esperti;
- I nostri obiettivi aziendali in materia di spese generali e amministrative, così come quelli del mio cliente, devono essere raggiunti; e
- Competizione estera.
Questi temi hanno portato a dichiarazioni di valore che hanno iniziato a trovare riscontro tra gli applicatori di poliuretani a base d'acqua polimerizzabili ai raggi UV, soprattutto nel settore della falegnameria e dell'arredamento, come ad esempio: "i produttori di falegnameria e arredamento cercano di migliorare l'efficienza produttiva" e "i produttori desiderano la possibilità di espandere la produzione su linee di produzione più corte con minori danni da rilavorazione grazie ai rivestimenti con proprietà di lento rilascio 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 sfruttate dall'utente finale.
TABELLA 1 | Attributi e vantaggi.
Progettando PUD polimerizzabili ai raggi UV con 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 di poliuretano polimerizzabili ai raggi UV
Negli anni '90, le dispersioni poliuretaniche anioniche contenenti gruppi acrilati legati al polimero hanno iniziato a trovare impiego in applicazioni industriali.1 Molte di queste applicazioni riguardavano imballaggi, inchiostri e rivestimenti per legno. La Figura 1 mostra una struttura generica di una dispersione poliuretanica polimerizzabile ai raggi UV, illustrando come vengono progettate queste materie prime per rivestimenti.
FIGURA 1 | Dispersione generica di poliuretano funzionale acrilato.3
Come illustrato nella Figura 1, le dispersioni di poliuretano polimerizzabili ai raggi UV (UV-curable PUD) sono costituite dai componenti tipici utilizzati per la produzione di dispersioni di poliuretano. I diisocianati alifatici reagiscono con i tipici esteri, dioli, gruppi idrofilizzanti ed estensori di catena impiegati nella produzione di dispersioni di poliuretano.² La differenza risiede nell'aggiunta di un estere funzionale acrilato, epossidico o eteri incorporati nella fase di pre-polimerizzazione durante la preparazione della dispersione. La scelta dei materiali utilizzati come elementi costitutivi, così come l'architettura e il processo di polimerizzazione, determinano le prestazioni e le caratteristiche di essiccazione di una PUD. Queste scelte in termini di materie prime e processi di lavorazione porteranno alla produzione di PUD polimerizzabili ai raggi UV che possono essere non filmogene o filmogene.³ Le tipologie filmogene, o di essiccazione, sono l'oggetto di questo articolo.
La formazione del film, o essiccazione come viene spesso chiamata, produce pellicole coalescenti asciutte al tatto prima della polimerizzazione UV. Poiché gli applicatori desiderano limitare la contaminazione del rivestimento da parte di particelle presenti nell'aria, nonché la necessità di velocizzare il processo produttivo, queste pellicole 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 UV.
FIGURA 2 | Processo di polimerizzazione di un PUD fotopolimerizzabile.
Il metodo di applicazione utilizzato è tipicamente la spruzzatura. Tuttavia, sono stati utilizzati anche la spatola su rullo e persino la stesura a colata. Una volta applicato, il rivestimento viene solitamente sottoposto a un processo in quattro fasi prima di essere maneggiato nuovamente.
1. Flash: Questa operazione può essere eseguita a temperatura ambiente o a temperature elevate per un periodo che va da pochi secondi a un paio di minuti.
2. Asciugatura in forno: In questa fase l'acqua e i co-solventi vengono eliminati dal rivestimento. Questa fase è fondamentale e solitamente richiede la maggior parte del tempo. Di solito viene eseguita a temperature superiori a 60 °C e dura fino a 8 minuti. Possono essere utilizzati anche forni di asciugatura multizona.
- Lampada a infrarossi e ventilazione: l'installazione di lampade a infrarossi e ventilatori per la circolazione dell'aria accelererà ulteriormente il processo di vaporizzazione dell'acqua.
3. Polimerizzazione UV.
4. Raffreddamento: Una volta indurito, il rivestimento dovrà polimerizzare per un certo periodo di tempo per raggiungere la resistenza al bloccaggio. Questa fase può richiedere fino a 10 minuti prima che si raggiunga la resistenza al bloccaggio.
Sperimentale
Questo studio ha confrontato due PUD fotopolimerizzabili (WB UV), attualmente utilizzati nel mercato della falegnameria e dei mobili, con il nostro nuovo prodotto, PUD n. 65215A. In questo studio abbiamo confrontato gli Standard n. 1 e n. 2 con il PUD n. 65215A in termini di essiccazione, bloccaggio e resistenza chimica. Abbiamo anche valutato la stabilità del pH e la stabilità della viscosità, che possono essere critiche quando si considera il riutilizzo dell'overspray e la durata di conservazione. La Tabella 2 riporta le proprietà fisiche di ciascuna delle resine utilizzate in questo studio. Tutti e tre i sistemi sono stati formulati con livelli simili di fotoiniziatore, VOC e solidi. Tutte e tre le resine sono state formulate con il 3% di co-solvente.
TABELLA 2 | Proprietà della resina PUD.
Nelle nostre interviste ci è stato riferito che la maggior parte dei rivestimenti UV a base d'acqua (WB-UV) utilizzati nei settori della falegnameria e dell'arredamento si asciugano su una linea di produzione, impiegando 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 tipicamente applicati con uno spessore di 4-5 mil (10-12,5 mm) da bagnati. Un grave svantaggio dei rivestimenti UV a base d'acqua, rispetto alle alternative a base solvente, è il tempo necessario per far evaporare l'acqua su una linea di produzione.4 Difetti del film, come macchie bianche, si verificano se l'acqua non viene eliminata correttamente dal rivestimento prima della polimerizzazione UV. Questo può accadere anche se lo spessore del film bagnato è eccessivo. 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 a base di solventi polimerizzabili con raggi UV. La Figura 3 mostra il nostro programma di applicazione, asciugatura, polimerizzazione 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 allo standard di mercato attuale nelle applicazioni di falegnameria e arredamento.
FIGURA 3 | Programma di applicazione, asciugatura, polimerizzazione 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 base nera.
●Flash a temperatura ambiente di 30 secondi.
●Forno di asciugatura a 60 °C per 2,5 minuti (forno ventilato).
● Polimerizzazione UV – intensità di circa 800 mJ/cm2.
- I rivestimenti trasparenti sono stati polimerizzati utilizzando una lampada a mercurio.
- 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 anche altri vantaggi, come un minor numero di mani. 4 mils di spessore umido è quello tipico per la verniciatura UV a base d'acqua. Per questo studio abbiamo incluso anche applicazioni di rivestimento umido con spessori di 6 e 8 mils.
Risultati della guarigione
I risultati dello standard n. 1, un rivestimento trasparente ad alta brillantezza, sono mostrati nella Figura 4. Il rivestimento trasparente WB UV è stato applicato su pannelli di fibra a media densità (MDF) precedentemente rivestiti con una base nera e polimerizzati secondo il programma mostrato nella Figura 3. Con uno spessore di 4 mil (circa 100 grammi) a umido, il rivestimento supera il test. Tuttavia, con uno spessore di 6 e 8 mil (circa 150 grammi) a umido, il rivestimento si è crepato e quello da 8 mil è stato facilmente rimosso a causa dello scarso rilascio di acqua prima della polimerizzazione UV.
FIGURA 4 | Standard n. 1.
Un risultato simile si osserva anche nello Standard n. 2, illustrato nella Figura 5.
FIGURA 5 | Standard n. 2.
Come mostrato in Figura 6, utilizzando lo stesso programma di polimerizzazione della Figura 3, il PUD #65215A ha dimostrato un notevole miglioramento nel rilascio/asciugatura dell'acqua. Con uno spessore del film umido di 8 mil, è stata osservata una leggera fessurazione sul bordo inferiore del campione.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Ulteriori test del PUD# 65215A in una vernice trasparente a bassa lucentezza e in una vernice pigmentata sullo stesso MDF con una base nera sono stati valutati per valutare le caratteristiche di rilascio dell'acqua in altre formulazioni di rivestimento tipiche. Come mostrato nella Figura 7, la formulazione a bassa lucentezza con applicazione a umido di 5 e 7 mil ha rilasciato l'acqua e formato una buona pellicola. Tuttavia, con uno spessore di 10 mil, era troppo spessa per rilasciare l'acqua secondo il programma di asciugatura e polimerizzazione mostrato nella Figura 3.
FIGURA 7 | PUD a bassa lucentezza #65215A.
In una formulazione bianca pigmentata, il PUD #65215A ha dato buoni risultati con lo stesso programma di essiccazione e polimerizzazione descritto nella Figura 3, tranne quando applicato a 8 mils di spessore umido. Come mostrato nella Figura 8, il film si screpola a 8 mils a causa dello scarso rilascio di acqua. Nel complesso, nelle formulazioni trasparenti, a bassa lucentezza e pigmentate, il PUD #65215A ha dato buoni risultati in termini di formazione del film e di essiccazione quando applicato fino a 7 mils di spessore umido e polimerizzato con il programma di essiccazione e polimerizzazione accelerato descritto nella Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentato n. 65215A.
Risultati del blocco
La resistenza al bloccaggio è la capacità di un rivestimento di non aderire a un altro articolo rivestito quando vengono sovrapposti. Nella produzione, questo rappresenta spesso un collo di bottiglia se il tempo necessario affinché un rivestimento polimerizzato raggiunga la resistenza al bloccaggio è eccessivo. Per questo studio, sono state applicate al vetro formulazioni pigmentate di Standard #1 e PUD #65215A con uno spessore di 5 mils umidi utilizzando una barra di stesura. Ciascuna è stata polimerizzata secondo il programma di polimerizzazione riportato in Figura 3. Due pannelli di vetro rivestiti sono stati polimerizzati contemporaneamente: 4 minuti dopo la polimerizzazione, i pannelli sono stati serrati insieme, come mostrato in Figura 9. Sono rimasti serrati insieme a temperatura ambiente per 24 ore. Se i pannelli si separavano facilmente senza lasciare impronte o danni ai pannelli rivestiti, il test veniva considerato superato.
La Figura 10 illustra la migliore resistenza al bloccaggio 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 bloccaggio.
FIGURA 9 | Illustrazione del test di resistenza al bloccaggio.
FIGURA 10 | Resistenza di blocco dello standard n. 1, seguito dal PUD n. 65215A.
Risultati della miscelazione acrilica
I produttori di vernici spesso miscelano resine acriliche a base d'acqua (WB) polimerizzabili ai raggi UV 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 componente di miscelazione per PUD a base d'acqua polimerizzabili ai raggi UV nel settore della falegnameria e dell'arredamento. Per questo mercato, il test di resistenza alle macchie KCMA è considerato lo standard. A seconda dell'applicazione finale, alcune sostanze chimiche diventano più importanti di altre per il produttore dell'articolo verniciato. Un punteggio di 5 è il migliore e un punteggio di 1 è il peggiore.
Come mostrato nella Tabella 3, il PUD #65215A ha ottenuto risultati eccezionali nei test di resistenza alle macchie KCMA, sia come trasparente lucido, sia come trasparente opaco, sia come rivestimento pigmentato. Anche miscelato in rapporto 1:1 con un acrilico, il test di resistenza alle macchie KCMA non ha subito alterazioni significative. Persino in presenza di agenti come la senape, il rivestimento ha recuperato un livello accettabile dopo 24 ore.
TABELLA 3 | Resistenza agli agenti chimici e alle macchie (il punteggio di 5 è il migliore).
Oltre al test di colorazione KCMA, i produttori eseguono anche un test di polimerizzazione immediatamente dopo la polimerizzazione UV, direttamente sulla linea di produzione. Spesso, gli effetti della miscelazione con acrilici si notano subito dopo la polimerizzazione, in questo test. L'obiettivo è che non si verifichi la fuoriuscita del rivestimento dopo 20 passaggi con alcol isopropilico (20 IPA dr). I campioni vengono testati 1 minuto dopo la polimerizzazione UV. Nei nostri test abbiamo osservato che una miscela 1:1 di PUD# 65215A con un acrilico non superava questo test. Tuttavia, abbiamo constatato che PUD #65215A poteva essere miscelato con il 25% di acrilico NeoCryl XK-12 e superare comunque il test 20 IPA dr (NeoCryl è un marchio registrato del gruppo Covestro).
FIGURA 11 | 20 Doppi sfregamenti 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 a temperatura ambiente se, dopo 4 settimane a 40 °C, il pH non scende al di sotto di 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 sono risultati 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 nella 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 minima variazione 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 dimostra la stabilità del PUD #65215A è stato quello di testare nuovamente la resistenza alla macchia KCMA di una formulazione di rivestimento invecchiata per 6 settimane a 50 °C, confrontandola con la sua resistenza iniziale alla macchia KCMA. I rivestimenti che non mostrano una buona stabilità presentano un calo delle prestazioni di resistenza alla macchia. 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 mostrato nella Tabella 3.
FIGURA 14 | Pannelli di test chimici per PUD pigmentato n. 65215A.
Conclusioni
Per gli applicatori di vernici a base d'acqua polimerizzabili ai raggi UV, la norma PUD #65215A consentirà loro di soddisfare gli attuali standard prestazionali nei mercati della falegnameria, del legno e degli armadi, e inoltre permetterà di ottenere miglioramenti della velocità di linea del processo di verniciatura superiori al 50-60% rispetto agli attuali standard di vernici a base d'acqua polimerizzabili ai raggi UV. Per l'applicatore questo può significare:
●Produzione più rapida;
●L'aumento dello spessore del film 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 concentrazioni di VOC inferiori a 100 g/L, i produttori sono anche in grado di raggiungere più facilmente i propri obiettivi in materia di VOC. Per i produttori che potrebbero avere preoccupazioni riguardo all'espansione a causa di problemi di autorizzazione, il PUD a rilascio rapido di acqua n. 65215A consentirà loro di adempiere più facilmente ai propri obblighi normativi senza compromettere le prestazioni.
All'inizio di questo articolo abbiamo citato, sulla base delle nostre interviste, che gli applicatori di materiali a polimerizzazione UV a base solvente solitamente asciugano e polimerizzano i rivestimenti in un processo che richiede dai 3 ai 5 minuti. In questo studio abbiamo dimostrato che, secondo il processo illustrato nella Figura 3, PUD #65215A polimerizza spessori di film umido fino a 7 mil in 4 minuti con una temperatura del forno di 140 °C. Questo valore rientra ampiamente nell'intervallo di tempo della maggior parte dei rivestimenti a polimerizzazione UV a base solvente. 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 d'acqua con modifiche minime alla loro linea di rivestimento.
Per i produttori che prendono in considerazione l'espansione della produzione, i rivestimenti basati su PUD #65215A consentiranno loro di:
●Risparmia denaro grazie all'utilizzo di una linea di verniciatura a base d'acqua più corta;
●Avere una linea di rivestimento di dimensioni ridotte all'interno dello stabilimento;
●Avere un impatto ridotto sull'attuale autorizzazione per i VOC;
●Risparmia energia grazie alla riduzione delle esigenze di asciugatura.
In conclusione, il PUD #65215A contribuirà a migliorare l'efficienza produttiva delle linee di rivestimenti fotopolimerizzabili grazie alle elevate proprietà fisiche e alla rapida capacità di rilascio dell'acqua della resina quando essiccata a 140 °C.
Data di pubblicazione: 14 agosto 2024
