Põrandakatete, mööbli ja kappide tootmisel on aastaid kasutatud kõrgjõudlusega UV-kõvenevaid katteid. Suurema osa sellest ajast on turul domineerivaks tehnoloogiaks olnud 100% tahked ja lahustipõhised UV-kõvenevad katted. Viimastel aastatel on arenenud veepõhine UV-kõvenevate kattetehnoloogia. Veepõhised UV-kõvenevad vaigud on osutunud tootjatele kasulikuks tööriistaks mitmel põhjusel, sealhulgas KCMA värvikatsete läbimine, keemilise vastupidavuse testimine ja lenduvate orgaaniliste ühendite vähendamine. Selleks, et see tehnoloogia sellel turul jätkuvalt kasvaks, on tuvastatud mitu peamist valdkonda, kus on vaja teha parandusi. Need viivad veepõhised UV-kõvenevad vaigud kaugemale pelgalt enamiku vaikede „hädavajalikust“. Need hakkavad kattele lisama väärtuslikke omadusi, pakkudes väärtust igale positsioonile väärtusahelas, alates katte valmistajast kuni tehase paigaldajani, paigaldajani ja lõpuks omanikuni.
Tootjad, eriti tänapäeval, soovivad katet, mis teeb enamat kui lihtsalt vastab spetsifikatsioonidele. On ka teisi omadusi, mis pakuvad eeliseid tootmisel, pakkimisel ja paigaldamisel. Üks soovitud omadus on tehase efektiivsuse parandamine. Veepõhise katte puhul tähendab see kiiremat vee eraldumist ja kiiremat ummistuskindlust. Teine soovitud omadus on vaigu stabiilsuse parandamine katte püüdmiseks/taaskasutamiseks ning varude haldamiseks. Lõppkasutaja ja paigaldaja jaoks on soovitud omadused parem poleerimiskindlus ja metallimärkide puudumine paigaldamise ajal.
See artikkel käsitleb uusi arenguid veepõhiste UV-kõvenevate polüuretaanide valdkonnas, mis pakuvad oluliselt paremat värvi stabiilsust temperatuuril 50 °C nii läbipaistvate kui ka pigmenteeritud katete puhul. Samuti arutletakse, kuidas need vaigud vastavad katte pealekandja soovitud omadustele, suurendades liini kiirust kiire vee eraldumise, parema ummistuskindluse ja lahustikindluse kaudu pärast liini lõppu, mis parandab virnastamis- ja pakkimistoimingute kiirust. See vähendab ka mõnikord tekkida võivaid kahjustusi pärast liini lõppu. Artiklis käsitletakse ka pleki- ja kemikaalikindluse paranemist, mis on paigaldajatele ja omanikele oluline.
Taust
Kattetööstuse maastik on pidevas muutumises. Ainult spetsifikatsioonile vastavuse tagamisest mõistliku hinnaga pealekandmismiljoni kohta ei piisa. Tehastes pealekantavate katete maastik köögimööblile, puidutöötlemisele, põrandatele ja mööblile muutub kiiresti. Tehastele katteid tarnivatelt tootjatelt nõutakse, et nad muudaksid katted töötajate jaoks ohutumaks, eemaldaksid ohtlikke aineid, asendaksid lenduvaid orgaanilisi ühendeid veega ning kasutaksid isegi vähem fossiilset süsinikku ja rohkem biosüsinikku. Tegelikkus on see, et kogu väärtusahela ulatuses nõuab iga klient kattelt enamat kui lihtsalt spetsifikatsioonile vastavust.
Nähes võimalust tehasele rohkem väärtust luua, hakkas meie meeskond uurima tehase tasandil väljakutseid, millega need töötlejad silmitsi seisavad. Pärast mitmeid intervjuusid hakkasime kuulma mõningaid ühiseid teemasid:
- Takistuste lubamine ei lase mul laienemiseesmärkidel saavutada;
- Kulud kasvavad ja meie kapitalieelarved vähenevad;
- Nii energia- kui ka personalikulud suurenevad;
- Kogenud töötajate kaotus;
- Meie ettevõtte müügi-, üld- ja halduskulude eesmärgid, aga ka minu kliendi eesmärgid, peavad olema täidetud; ja
- Välismaine konkurents.
Need teemad viisid väärtuspakkumiste avaldusteni, mis hakkasid veepõhiste UV-kõvenevate polüuretaanide kasutajate seas, eriti puidu- ja mööblitööstuses, kõnetama, näiteks: „Puidu- ja mööblitootjad otsivad võimalusi tehase efektiivsuse parandamiseks“ ja „tootjad soovivad tootmist laiendada lühematel tootmisliinidel, kus on vähem ümbertöötlemiskahjustusi tänu aeglaselt vett imavatele omadustele.“
Tabel 1 illustreerib, kuidas kattekihtide tooraine tootja jaoks toob teatud kattekihtide omaduste ja füüsikaliste omaduste parandamine kaasa tõhususe kasvu, mida lõppkasutaja saab realiseerida.
TABEL 1 | Omadused ja eelised.
UV-kõvenevate PUD-ide kavandamine teatud omadustega, nagu on loetletud tabelis 1, võimaldab lõpptarbijatootjatel lahendada oma tehase efektiivsuse parandamise vajadusi. See võimaldab neil olla konkurentsivõimelisemad ja potentsiaalselt laiendada praegust tootmist.
Eksperimentaalsed tulemused ja arutelu
UV-kõvenevate polüuretaandispersioonide ajalugu
1990. aastatel hakati tööstuslikes rakendustes kasutama anioonseid polüuretaandispersioone, mis sisaldasid polümeerile kinnitatud akrülaatrühmi.1 Paljud neist rakendustest olid pakendites, trükivärvides ja puidukatetes. Joonis 1 näitab UV-kiirgusega kõveneva PUD-i üldist struktuuri, mis demonstreerib nende kattematerjalide disaini.
JOONIS 1 | Üldine akrülaatfunktsionaalne polüuretaandispersioon.3
Nagu joonisel 1 näidatud, koosnevad UV-kõvenevad polüuretaandispersioonid (UV-kõvenevad PUD-id) tüüpilistest polüuretaandispersioonide valmistamisel kasutatavatest komponentidest. Alifaatsed diisotsüanaadid reageerivad tüüpiliste estrite, dioolide, hüdrofiliseerivate rühmade ja ahela pikendajatega, mida kasutatakse polüuretaandispersioonide valmistamiseks.2 Erinevus seisneb akrülaatfunktsionaalse estri, epoksü või eetrite lisamises, mis lisatakse dispersiooni valmistamise ajal eelpolümeeri etappi. Ehitusplokkidena kasutatavate materjalide valik, samuti polümeeri arhitektuur ja töötlemine määravad PUD-i toimivuse ja kuivamisomadused. Need tooraine ja töötlemise valikud viivad UV-kõvenevate PUD-ideni, mis võivad olla nii kilet moodustavad kui ka mittekile moodustavad.3 Kilet moodustavad ehk kuivamistüübid on käesoleva artikli teema.
Kile moodustamine ehk kuivatamine, nagu seda sageli nimetatakse, annab kokkukleepunud kile, mis on enne UV-kõvendamist puudutuseks kuiv. Kuna pealekandjad soovivad piirata katte õhusaastet osakeste tõttu ja samuti on vaja kiirust tootmisprotsessis, kuivatatakse neid enne UV-kõvendamist sageli ahjudes pideva protsessi osana. Joonis 2 näitab UV-kõveneva PUD-i tüüpilist kuivamis- ja kõvenemisprotsessi.
JOONIS 2 | UV-kõveneva PUD-i kõvenemise protsess.
Kasutatav pealekandmismeetod on tavaliselt pihustamine. Siiski on kasutatud ka rullimist ja isegi pealekandmist. Pärast pealekandmist läbib kate tavaliselt neljaastmelise protsessi, enne kui seda uuesti käsitseda saab.
1. Välk: Seda saab teha toatemperatuuril või kõrgendatud temperatuuril mõne sekundi kuni paari minuti jooksul.
2. Ahjukuivatus: See on etapp, mil vesi ja kaaslahustid eemaldatakse kattekihist. See etapp on kriitilise tähtsusega ja võtab tavaliselt protsessis kõige rohkem aega. See etapp toimub tavaliselt temperatuuril üle 70 °C ja kestab kuni 8 minutit. Kasutada võib ka mitmetsoonilisi kuivatusahjusid.
- IR-lamp ja õhu liikumine: IR-lampide ja õhu liikumise ventilaatorite paigaldamine kiirendab veevälgatust veelgi.
3.UV-kõvendamine.
4. Jahutamine: Pärast kõvenemist peab kate teatud aja kõvenema, et saavutada blokeerimiskindlus. See etapp võib enne blokeerimiskindluse saavutamist võtta kuni 10 minutit.
Eksperimentaalne
Selles uuringus võrreldi kahte UV-kõvenevat PUD-i (WB UV), mida praegu kasutatakse kappide ja puidutöötlemise turul, meie uue arendusega PUD #65215A. Selles uuringus võrdleme standardit nr 1 ja standardit nr 2 PUD-iga #65215A kuivamise, blokeerimise ja keemilise vastupidavuse osas. Samuti hindame pH stabiilsust ja viskoossuse stabiilsust, mis võivad olla kriitilise tähtsusega ülepihustamise korduvkasutamise ja säilivusaja kaalumisel. Allpool tabelis 2 on toodud iga selles uuringus kasutatud vaigu füüsikalised omadused. Kõik kolm süsteemi formuleeriti sarnase fotoinitsiaatori taseme, lenduvate orgaaniliste ühendite ja tahkete ainete tasemega. Kõik kolm vaiku formuleeriti 3% kaaslahustiga.
TABEL 2 | PUD-vaigu omadused.
Intervjuudes öeldi meile, et enamik puidu- ja mööblitööstuses kasutatavaid WB-UV-katteid kuivab tootmisliinil, mis enne UV-kõvenemist võtab aega 5–8 minutit. Seevastu lahustipõhine UV-liin (SB-UV) kuivab 3–5 minutiga. Lisaks kantakse sellel turul katted tavaliselt märjana peale 4–5 millimeetrit. Veepõhise UV-kõvenevate katete peamine puudus võrreldes UV-kõvenevate lahustipõhiste alternatiividega on aeg, mis kulub vee eraldumiseks tootmisliinil.4 Kile defektid, näiteks valged laigud, tekivad siis, kui vesi pole enne UV-kõvenemist kattekihist korralikult eraldunud. See võib juhtuda ka siis, kui märgkile paksus on liiga suur. Need valged laigud tekivad siis, kui vesi jääb UV-kõvenemise ajal kile sisse lõksu.5
Selle uuringu jaoks valisime sarnase kõvenemisgraafiku, mida kasutataks UV-kiirgusega kõveneva lahustipõhise liini puhul. Joonis 3 näitab meie uuringus kasutatud pealekandmis-, kuivatamis-, kõvenemis- ja pakendamise graafikut. See kuivamisgraafik kujutab endast 50–60% suurust paranemist liini üldises kiiruses võrreldes praeguse turustandardiga puidu- ja mööblitööstuses.
JOONIS 3 | Pealekandmise, kuivamise, kõvenemise ja pakendamise ajakava.
Allpool on toodud meie uuringus kasutatud pealekandmis- ja kõvenemistingimused:
●Pihustage pealekandmine musta alusvärviga vahtraspoonile.
●30-sekundiline toatemperatuuril välgatus.
● 140 °F kuivatusahjus 2,5 minutit (konvektsioonahi).
●UV-kõvenemine – intensiivsus umbes 800 mJ/cm2.
- Läbipaistvad katted kõvendati elavhõbedalambi abil.
- Pigmenteeritud katted kõvendati kombineeritud Hg/Ga lambi abil.
● Enne virnastamist laske 1 minut jahtuda.
Meie uuringus pihustasime ka kolme erineva paksusega märgkihti, et näha, kas sellega saavutatakse ka muid eeliseid, näiteks vähem kihte. WB UV puhul on tüüpiline 4 millimeetrit märgkihti. Selles uuringus kasutasime ka 6 ja 8 millimeetrit märgkatte pealekandmisi.
Kõvenemise tulemused
Standardi nr 1, kõrgläikega läbipaistva katte, tulemused on näidatud joonisel 4. WB UV-läbipaistev kate kanti keskmise tihedusega puitkiudplaadile (MDF), mis oli eelnevalt kaetud musta aluskihiga ja kõvendatud vastavalt joonisel 3 näidatud ajakavale. 4 millimeetri märja kihi korral läbis kate. 6 ja 8 millimeetri märja kihi korral aga kate pragunes ja 8 millimeetrit oli enne UV-kõvendamist halva veeeralduse tõttu kergesti eemaldatav.
JOONIS 4 | Standard nr 1.
Sarnast tulemust on näha ka standardis nr 2, mis on näidatud joonisel 5.
JOONIS 5 | Standard nr 2.
Joonisel 6 on näidatud, et PUD #65215A, kasutades sama kõvenemisgraafikut nagu joonisel 3, näitas vee eraldumise/kuivamise märkimisväärset paranemist. 8 millimeetrise märja kihi paksuse juures täheldati proovi alumisel serval kerget pragunemist.
JOONIS 6 | PUD #65215A.
Sama MDF-plaadi ja musta alusvärvi peal tehti PUD# 65215A täiendavad testid madala läikega läbipaistva ja pigmenteeritud kattekihina, et hinnata vee eraldumise omadusi teistes tüüpilistes katteformulatsioonides. Nagu joonisel 7 näidatud, vabastas madala läikega koostis 5 ja 7 millimeetri märgkihi korral vett ja moodustas hea kile. 10 millimeetri märgkihi korral oli see aga joonisel 3 kujutatud kuivamis- ja kõvenemisgraafiku kohaselt vee eraldamiseks liiga paks.
JOONIS 7 | Madala läikega PUD #65215A.
Valge pigmendiga koostises toimis PUD #65215A hästi joonisel 3 kirjeldatud kuivamis- ja kõvenemisgraafiku järgi, välja arvatud 8 märgmilli paksusel pealekandmisel. Nagu joonisel 8 näidatud, praguneb kile 8 milli paksusel paksusel halva vee eraldumise tõttu. Üldiselt toimis PUD# 65215A läbipaistvate, madala läikega ja pigmenteeritud koostiste puhul hästi kile moodustamisel ja kuivamisel, kui seda peale kanda kuni 7 milli paksuse märgkihina ja kõvendada joonisel 3 kirjeldatud kiirendatud kuivamis- ja kõvenemisgraafiku järgi.
JOONIS 8 | Pigmenteerunud PUD #65215A.
Tulemuste blokeerimine
Blokeerimiskindlus on katte võime mitte kleepuda teise kaetud eseme külge virnastamisel. Tootmises on see sageli pudelikaelaks, kui kõvenenud katte blokeerimiskindluse saavutamine võtab aega. Selle uuringu jaoks kanti standardi nr 1 ja PUD nr 65215A pigmenteeritud koostisi klaasile 5 märgmilli kiirusega, kasutades tõmbevarda. Neid kõvendati vastavalt joonisel 3 kujutatud kõvenemisgraafikule. Kaks kaetud klaaspaneeli kõvendati samaaegselt – 4 minutit pärast kõvenemist kinnitati paneelid kokku, nagu on näidatud joonisel 9. Need jäid toatemperatuuril kokku kinnitatuks 24 tunniks. Kui paneele oli lihtne eraldada ilma, et kaetud paneelidele jääks jälgi või neid oleks kahjustatud, loeti test sooritatuks.
Joonis 10 illustreerib PUD#65215A paranenud blokeerimiskindlust. Kuigi nii standard nr 1 kui ka PUD#65215A saavutasid eelmises katses täieliku kõvenemise, näitas ainult PUD#65215A piisavat vee eraldumist ja kõvenemist blokeerimiskindluse saavutamiseks.
JOONIS 9 | Blokeerimiskindluse testi illustratsioon.
JOONIS 10 | Standardi nr 1, millele järgneb PUD nr 65215A blokeerimistakistus.
Akrüüli segamise tulemused
Kattetootjad segavad WB UV-kõvenevaid vaike sageli akrüülidega, et kulusid vähendada. Meie uuringus vaatlesime ka PUD#65215A segamist NeoCryl® XK-12-ga, mis on veepõhine akrüül, mida sageli kasutatakse UV-kõvenevate veepõhiste PUD-de segamispartnerina puidu- ja mööblitööstuses. Sellel turul peetakse standardiks KCMA peitsikatset. Sõltuvalt lõppkasutusest muutuvad mõned kemikaalid kaetud eseme tootja jaoks teistest olulisemaks. Hinnang 5 on parim ja hinnang 1 on halvim.
Nagu tabelis 3 näidatud, toimib PUD #65215A KCMA peitsitestimisel erakordselt hästi nii kõrgläikelise läbipaistva, madalläikelise läbipaistva kui ka pigmenteeritud kattekihina. Isegi akrüülvärviga 1:1 segamisel ei mõjuta see KCMA peitsitesti oluliselt. Isegi selliste ainetega nagu sinep värvimisel taastus kate 24 tunni pärast vastuvõetavale tasemele.
TABEL 3 | Keemiline vastupidavus ja plekikindlus (parim hinnang 5).
Lisaks KCMA peitsikatsetele testivad tootjad kõvenemist ka kohe pärast UV-kõvendamist tootmisliinil. Sageli on selles testis akrüüli segunemise mõjusid märgata kohe pärast kõvenemisliini. Oodatakse, et pärast 20 isopropüülalkoholi topelthõõrumist (20 IPA dr) ei toimu katte läbimurret. Proove testitakse 1 minut pärast UV-kõvendamist. Meie testis nägime, et PUD#65215A ja akrüüli 1:1 segu seda testi ei läbinud. Siiski nägime, et PUD#65215A võib segada 25% NeoCryl XK-12 akrüüliga ja ikkagi läbida 20 IPA dr testi (NeoCryl on Covestro grupi registreeritud kaubamärk).
JOONIS 11 | 20 IPA topelthõõrumist, 1 minut pärast UV-kõvendamist.
Vaigu stabiilsus
Samuti testiti PUD #65215A stabiilsust. Formulatsiooni peetakse säilivusajaks, kui pH ei lange 4 nädala möödudes temperatuuril 40 °C alla 7 ja viskoossus jääb algväärtusega võrreldes stabiilseks. Meie testimiseks otsustasime proove hoida karmimates tingimustes kuni 6 nädalat temperatuuril 50 °C. Nendes tingimustes ei olnud standardid nr 1 ja #2 stabiilsed.
Meie testides vaatlesime selles uuringus kasutatud kõrgläikega läbipaistvat, madalläikega läbipaistvat ja madalläikega pigmenteeritud koostisi. Nagu joonisel 12 näidatud, püsis kõigi kolme koostise pH stabiilsus stabiilsena ja üle pH läve 7,0. Joonis 13 illustreerib minimaalset viskoossuse muutust pärast 6 nädalat temperatuuril 50 °C.
JOONIS 12 | Valmistatud PUD #65215A pH stabiilsus.
JOONIS 13 | Valmistatud PUD #65215A viskoossuse stabiilsus.
Teine PUD #65215A stabiilsust demonstreeriv test oli 6 nädalat temperatuuril 50 °C laagerdunud katte koostise KCMA plekikindluse testimine ja selle võrdlemine selle esialgse KCMA plekikindlusega. Katetel, millel pole head stabiilsust, plekikindlus langeb. Nagu joonisel 14 näidatud, säilitas PUD#65215A sama jõudlustaseme kui pigmenteeritud katte esialgses keemilise/plekikindluse testis, mis on näidatud tabelis 3.
JOONIS 14 | Pigmenteerunud PUD #65215A keemilise testi paneelid.
Järeldused
UV-kõvenevate veepõhiste katete pealekandjatele võimaldab PUD #65215A neil täita puidu-, puidu- ja kapitööstuses kehtivaid toimivusstandardeid ning lisaks kiirendada katmisprotsessi liini kiirust enam kui 50–60% võrreldes praeguste standardsete UV-kõvenevate veepõhiste katetega. Pealekandja jaoks võib see tähendada järgmist:
●Kiirem tootmine;
●Suurenenud kihipaksus vähendab vajadust täiendavate kihtide järele;
● Lühemad kuivatusnöörid;
●Energiasääst tänu väiksemale kuivatamisvajadusele;
●Vähem praaki kiire blokeerimiskindluse tõttu;
●Vaigu stabiilsuse tõttu väheneb kattekihtide jääk.
Kui lenduvate orgaaniliste ühendite (LOÜ) sisaldus on alla 100 g/l, suudavad tootjad oma LOÜ eesmärke paremini täita. Tootjatel, kellel võib lubadega seotud probleemide tõttu olla laienemisega probleeme, võimaldab kiirelt veega eralduv PUD #65215A neil oma regulatiivseid kohustusi hõlpsamini täita ilma jõudlust ohverdamata.
Selle artikli alguses tsiteerisime oma intervjuudest, et lahustipõhiste UV-kõvenevate materjalide pealekandjad kuivatavad ja kõvendavad katteid tavaliselt 3–5 minuti jooksul. Selles uuringus näitasime, et joonisel 3 kujutatud protsessi kohaselt kõvendab PUD #65215A kuni 7 millimeetri paksuse märja kihi 4 minutiga ahju temperatuuril 140 °C. See on enamiku lahustipõhiste UV-kõvenevate katete jaoks piisavalt hea. PUD #65215A võiks potentsiaalselt võimaldada praegustel lahustipõhiste UV-kõvenevate materjalide pealekandjatel üle minna veepõhisele UV-kõvenevale materjalile ilma oma katmisliini vähe muutmata.
Tootjatele, kes kaaluvad tootmise laiendamist, võimaldavad PUD #65215A-l põhinevad katted:
● Säästa raha lühema veepõhise katmisliini abil;
● Väiksem katmisliini jalajälg ettevõttes;
● Vähendab mõju kehtivale lenduvate orgaaniliste ühendite loale;
● Säästa energiat tänu vähenenud kuivatamisvajadusele.
Kokkuvõtteks aitab PUD #65215A parandada UV-kõvenevate katete tootmisliinide tootmistõhusust tänu vaigu kõrgetele füüsikalistele omadustele ja kiirele veeeraldusvõimele 140 °C juures kuivatamisel.
Postituse aeg: 14. august 2024
