Verbesserung der Fertigungseffizienz durch den Einsatz von wasserbasierten, UV-härtbaren Polyurethanen

Hochleistungsfähige UV-härtende Beschichtungen werden seit vielen Jahren in der Herstellung von Fußböden, Möbeln und Schränken eingesetzt. Lange Zeit dominierten dabei 100%ige, lösemittelbasierte UV-härtende Beschichtungen den Markt. In den letzten Jahren hat sich die Technologie wasserbasierter UV-härtender Beschichtungen jedoch weiterentwickelt. Wasserbasierte UV-härtende Harze haben sich aus verschiedenen Gründen als nützliches Werkzeug für Hersteller erwiesen, unter anderem aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber Flecken und Chemikalien (KCMA) sowie der Reduzierung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs). Um das weitere Wachstum dieser Technologie zu sichern, wurden mehrere Schlüsselfaktoren identifiziert, in denen Verbesserungen notwendig sind. Diese Verbesserungen werden dazu beitragen, dass wasserbasierte UV-härtende Harze über die grundlegenden Eigenschaften herkömmlicher Harze hinausgehen. Sie werden der Beschichtung wertvolle Eigenschaften verleihen und so in jeder Phase der Wertschöpfungskette – vom Beschichtungsentwickler über den Werksverarbeiter und Installateur bis hin zum Endkunden – einen Mehrwert schaffen.

Hersteller wünschen sich heutzutage Beschichtungen, die mehr leisten, als nur die Spezifikationen zu erfüllen. Sie sollen darüber hinaus Vorteile bei der Fertigung, Verpackung und Installation bieten. Eine erwünschte Eigenschaft ist die Steigerung der Anlageneffizienz. Bei wasserbasierten Beschichtungen bedeutet dies eine schnellere Wasserabgabe und eine höhere Beständigkeit gegen Verstopfungen. Eine weitere erwünschte Eigenschaft ist die verbesserte Harzstabilität für die Gewinnung und Wiederverwendung der Beschichtung sowie für ein optimiertes Bestandsmanagement. Für Endanwender und Installateure sind eine höhere Abriebfestigkeit und die Vermeidung von Metallspuren bei der Installation von Vorteil.

Dieser Artikel behandelt neue Entwicklungen bei wasserbasierten, UV-härtenden Polyurethanen, die eine deutlich verbesserte Lackstabilität bei 50 °C sowohl bei transparenten als auch bei pigmentierten Beschichtungen bieten. Er erläutert außerdem, wie diese Harze die gewünschten Eigenschaften für den Beschichtungsauftrag verbessern, indem sie die Produktionsgeschwindigkeit durch schnelle Wasserabgabe, verbesserte Verstopfungsbeständigkeit und Lösemittelbeständigkeit außerhalb der Produktionslinie erhöhen. Dies beschleunigt Stapel- und Verpackungsvorgänge und reduziert gleichzeitig Beschädigungen außerhalb der Produktionslinie. Darüber hinaus werden die für Verarbeiter und Eigentümer wichtigen Verbesserungen hinsichtlich Flecken- und Chemikalienbeständigkeit beschrieben.

Hintergrund

Die Beschichtungsindustrie befindet sich im ständigen Wandel. Die bloße Einhaltung der Spezifikationen zu einem angemessenen Preis pro aufgetragenem Mil reicht nicht mehr aus. Die Anforderungen an werkseitig aufgetragene Beschichtungen für Schränke, Tischlerarbeiten, Fußböden und Möbel verändern sich rasant. Beschichtungshersteller, die die Fabriken beliefern, sind gefordert, die Beschichtungen sicherer für die Mitarbeiter zu gestalten, bedenkliche Stoffe zu entfernen, VOCs durch Wasser zu ersetzen und sogar weniger fossilen und mehr biologischen Kohlenstoff zu verwenden. Fakt ist: Entlang der gesamten Wertschöpfungskette verlangt jeder Kunde von der Beschichtung mehr, als nur die Spezifikationen zu erfüllen.

Da wir eine Chance sahen, den Wert des Werks zu steigern, begann unser Team, die Herausforderungen der Anwender vor Ort zu untersuchen. Nach zahlreichen Interviews kristallisierten sich einige wiederkehrende Themen heraus:

• Genehmigungshindernisse verhindern meine Expansionsziele;
• Die Kosten steigen und unsere Investitionsbudgets sinken;
• Die Kosten für Energie und Personal steigen;
• Verlust erfahrener Mitarbeiter;
• Unsere unternehmensweiten Vertriebs- und Verwaltungskostenziele sowie die meines Kunden müssen erreicht werden; und
• Übersee-Wettbewerb.

Diese Themen führten zu Wertversprechen, die bei Anwendern von wasserbasierten, UV-härtenden Polyurethanen Anklang fanden, insbesondere im Bereich der Tischlerei und des Möbelbaus, wie zum Beispiel: „Hersteller von Tischlerei- und Möbelprodukten streben nach Verbesserungen der Fabrikeffizienz“ und „Hersteller wünschen sich die Möglichkeit, die Produktion auf kürzeren Produktionslinien mit weniger Nachbearbeitungsschäden aufgrund der Beschichtungen mit langsam wasserabgebenden Eigenschaften auszuweiten.“

Tabelle 1 veranschaulicht, wie für den Hersteller von Beschichtungsrohstoffen Verbesserungen bestimmter Beschichtungseigenschaften und physikalischer Merkmale zu Effizienzsteigerungen führen, die vom Endverbraucher realisiert werden können.

TABELLE 1 | Eigenschaften und Vorteile.

Durch die Entwicklung UV-härtbarer PUDs mit den in Tabelle 1 aufgeführten Eigenschaften können Endanwender ihre Anforderungen an die Verbesserung der Anlageneffizienz erfüllen. Dies ermöglicht ihnen eine höhere Wettbewerbsfähigkeit und potenziell eine Erweiterung ihrer Produktion.

Experimentelle Ergebnisse und Diskussion

Geschichte von UV-härtbaren Polyurethan-Dispersionen

In den 1990er Jahren begannen anionische Polyurethandispersionen mit Acrylatgruppen im Polymer industriell eingesetzt zu werden.¹ Viele dieser Anwendungen betrafen Verpackungen, Druckfarben und Holzbeschichtungen. Abbildung 1 zeigt die generische Struktur einer UV-härtbaren Polyurethandispersion und veranschaulicht den Aufbau dieser Beschichtungsrohstoffe.

ABBILDUNG 1 | Generische Acrylat-funktionelle Polyurethan-Dispersion.3

Wie in Abbildung 1 dargestellt, bestehen UV-härtbare Polyurethandispersionen (UV-härtbare PUDs) aus den typischen Komponenten für Polyurethandispersionen. Aliphatische Diisocyanate reagieren mit den üblicherweise verwendeten Estern, Diolen, Hydrophilierungsgruppen und Kettenverlängerern.² Der Unterschied liegt in der Zugabe eines Acrylat-funktionalisierten Esters, Epoxids oder Ethers im Präpolymerisationsschritt während der Dispersionsherstellung. Die Wahl der Bausteine ​​sowie die Polymerarchitektur und -verarbeitung bestimmen die Leistungsfähigkeit und das Trocknungsverhalten einer PUD. Diese Wahl der Rohstoffe und der Verarbeitung führt zu UV-härtbaren PUDs, die sowohl filmbildend als auch nicht-filmbildend sind.³ Die filmbildenden bzw. trocknenden Typen sind Gegenstand dieses Artikels.

Die Filmbildung, oft auch Trocknung genannt, führt zu zusammenhängenden Filmen, die sich vor der UV-Härtung trocken anfühlen. Da Anwender die Kontamination der Beschichtung durch Partikel aus der Luft minimieren und einen schnellen Produktionsprozess gewährleisten möchten, werden diese Filme häufig im Rahmen eines kontinuierlichen Prozesses in Öfen getrocknet, bevor sie UV-härten. Abbildung 2 zeigt den typischen Trocknungs- und Härtungsprozess eines UV-härtbaren PUD.

ABBILDUNG 2 | Verfahren zur Aushärtung eines UV-härtbaren PUD.

Das übliche Auftragsverfahren ist das Sprühen. Es kommen aber auch Verfahren wie Rakelauftrag über Walze und Flächenauftrag zum Einsatz. Nach dem Auftragen durchläuft die Beschichtung in der Regel vier Arbeitsschritte, bevor sie erneut bearbeitet wird.

1. Blitzen: Dies kann bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur für einige Sekunden bis zu ein paar Minuten erfolgen.
2. Ofentrocknung: Hierbei werden Wasser und Co-Lösungsmittel aus der Beschichtung entfernt. Dieser Schritt ist entscheidend und beansprucht in der Regel die meiste Zeit des Prozesses. Er findet üblicherweise bei über 60 °C statt und dauert bis zu 8 Minuten. Es können auch Mehrzonen-Trockenöfen eingesetzt werden.

• IR-Lampe und Luftbewegung: Die Installation von IR-Lampen und Luftbewegungsventilatoren beschleunigt den Wasserblitz noch weiter.

3. UV-Härtung.
4. Abkühlen: Nach dem Aushärten muss die Beschichtung eine gewisse Zeit aushärten, um Blockfestigkeit zu erreichen. Dieser Schritt kann bis zu 10 Minuten dauern, bis die Blockfestigkeit erreicht ist.

Experimental

Diese Studie vergleicht zwei UV-härtende Polyurethanlacke (WB UV), die derzeit im Möbel- und Tischlerbereich eingesetzt werden, mit unserer Neuentwicklung PUD Nr. 65215A. Wir vergleichen die Standardlacke Nr. 1 und Nr. 2 mit PUD Nr. 65215A hinsichtlich Trocknung, Blockierung und Chemikalienbeständigkeit. Zudem bewerten wir die pH- und Viskositätsstabilität, die für die Wiederverwendung von Sprühnebel und die Lagerfähigkeit entscheidend sein können. Tabelle 2 zeigt die physikalischen Eigenschaften der in dieser Studie verwendeten Harze. Alle drei Systeme wurden mit einem ähnlichen Gehalt an Photoinitiator, VOCs und Feststoffen formuliert. Alle drei Harze enthielten 3 % Co-Lösungsmittel.

TABELLE 2 | Eigenschaften des PUD-Harzes.

In unseren Interviews wurde uns mitgeteilt, dass die meisten wasserbasierten UV-Lackierungen im Bereich Tischlerei und Möbelbau auf einer Produktionslinie trocknen, was 5–8 Minuten bis zur UV-Aushärtung dauert. Im Gegensatz dazu trocknet eine lösemittelbasierte UV-Lackierung (SB-UV) in 3–5 Minuten. Zudem werden die Lacke in diesem Markt typischerweise mit einer Nassfilmdicke von 4–5 mils aufgetragen. Ein wesentlicher Nachteil wasserbasierter UV-härtender Lacke im Vergleich zu lösemittelbasierten UV-härtenden Alternativen ist die Zeit, die zum Verdunsten des Wassers auf einer Produktionslinie benötigt wird.⁴ Filmfehler wie weiße Flecken entstehen, wenn das Wasser vor der UV-Aushärtung nicht vollständig aus dem Lack entfernt wurde. Dies kann auch bei zu hoher Nassfilmdicke auftreten. Diese weißen Flecken entstehen, wenn während der UV-Aushärtung Wasser im Lack eingeschlossen wird.⁵

Für diese Studie wählten wir ein Aushärtungsschema, das dem einer UV-härtenden, lösemittelbasierten Produktionslinie ähnelt. Abbildung 3 zeigt unser für die Studie verwendetes Applikations-, Trocknungs-, Aushärtungs- und Verpackungsschema. Dieses Trocknungsschema ermöglicht eine Steigerung der Gesamtliniengeschwindigkeit um 50 % bis 60 % gegenüber dem aktuellen Marktstandard im Bereich Tischlerei und Möbelbau.

ABBILDUNG 3 | Zeitplan für Auftragen, Trocknen, Aushärten und Verpacken.

Nachfolgend sind die Anwendungs- und Aushärtungsbedingungen aufgeführt, die wir für unsere Studie verwendet haben:

●Sprühapplikation auf Ahornfurnier mit schwarzer Grundierung.
●30 Sekunden Blitzlicht bei Raumtemperatur.
●2,5 Minuten im Trockenschrank bei 140 °F (Umluftofen) trocknen.
●UV-Härtung – Intensität ca. 800 mJ/cm2.

• Die Klarlacke wurden mit einer Quecksilberdampflampe ausgehärtet.
• Die pigmentierten Beschichtungen wurden mit einer kombinierten Hg/Ga-Lampe ausgehärtet.

●1 Minute abkühlen lassen, bevor die Platten gestapelt werden.

Für unsere Studie haben wir drei verschiedene Nassfilmdicken aufgesprüht, um zu prüfen, ob sich weitere Vorteile wie beispielsweise eine geringere Anzahl an Anstrichen ergeben. 4 mils Nassfilmdicke ist typisch für UV-beständigen Nasslack. In dieser Studie haben wir zusätzlich Nassfilmdicken von 6 und 8 mils untersucht.

Ausheilungsergebnisse

Die Ergebnisse für Standard Nr. 1, eine hochglänzende Klarlackierung, sind in Abbildung 4 dargestellt. Die WB-UV-Klarlackierung wurde auf mitteldichte Faserplatten (MDF) aufgetragen, die zuvor mit einer schwarzen Grundierung versehen und gemäß dem in Abbildung 3 dargestellten Zeitplan ausgehärtet worden waren. Bei einer Nassschichtdicke von 4 mils war die Beschichtung unempfindlich. Bei 6 und 8 mils traten jedoch Risse auf, und die 8 mils dicke Beschichtung ließ sich aufgrund der unzureichenden Wasserabweisung vor der UV-Härtung leicht entfernen.

ABBILDUNG 4 | Standard Nr. 1.

Ein ähnliches Ergebnis zeigt sich auch bei Standard Nr. 2, dargestellt in Abbildung 5.

ABBILDUNG 5 | Standard Nr. 2.

Wie in Abbildung 6 dargestellt, zeigte PUD #65215A bei Anwendung des gleichen Aushärtungsprogramms wie in Abbildung 3 eine deutliche Verbesserung der Wasserabgabe/Trocknung. Bei einer Nassfilmdicke von 8 mils war an der Unterkante der Probe eine leichte Rissbildung zu beobachten.

ABBILDUNG 6 | PUD #65215A.

Zusätzliche Tests von PUD# 65215A als seidenmatte Klarlackierung und pigmentierte Beschichtung auf derselben MDF-Platte mit schwarzer Grundierung wurden durchgeführt, um die Wasserabweisungseigenschaften in anderen typischen Beschichtungsformulierungen zu bewerten. Wie in Abbildung 7 dargestellt, gab die seidenmatte Formulierung bei Nassauftragsstärken von 5 und 7 mils das Wasser ab und bildete einen guten Film. Bei einer Nassauftragsstärke von 10 mils war die Beschichtung jedoch zu dick, um unter den in Abbildung 3 dargestellten Trocknungs- und Aushärtungsbedingungen Wasser abzugeben.

ABBILDUNG 7 | Mattglanz PUD #65215A.

In einer weiß pigmentierten Formulierung zeigte PUD #65215A im gleichen Trocknungs- und Aushärtungsprogramm wie in Abbildung 3 beschrieben gute Ergebnisse, außer bei einer Nassschichtdicke von 8 mils. Wie in Abbildung 8 dargestellt, riss der Film bei 8 mils aufgrund unzureichender Wasserabgabe. Insgesamt zeigte PUD #65215A in klaren, matten und pigmentierten Formulierungen gute Ergebnisse hinsichtlich Filmbildung und Trocknung, wenn es bis zu einer Nassschichtdicke von 7 mils aufgetragen und gemäß dem in Abbildung 3 beschriebenen beschleunigten Trocknungs- und Aushärtungsprogramm ausgehärtet wurde.

ABBILDUNG 8 | Pigmentiertes PUD #65215A.

Blockierungsergebnisse

Die Blockfestigkeit beschreibt die Fähigkeit einer Beschichtung, beim Stapeln anderer beschichteter Gegenstände nicht aneinander zu haften. In der Fertigung stellt dies oft einen Engpass dar, wenn die Aushärtung einer Beschichtung Zeit benötigt, um die Blockfestigkeit zu erreichen. Für diese Studie wurden pigmentierte Formulierungen von Standard #1 und PUD #65215A mit einem Rakel in einer Nassschichtstärke von 5 mils auf Glas aufgetragen. Die Aushärtung erfolgte jeweils gemäß dem Aushärtungsplan in Abbildung 3. Zwei beschichtete Glasscheiben wurden gleichzeitig ausgehärtet. Vier Minuten nach der Aushärtung wurden die Scheiben, wie in Abbildung 9 dargestellt, zusammengeklemmt. Sie blieben 24 Stunden lang bei Raumtemperatur zusammengeklemmt. Wenn sich die Scheiben ohne Abdrücke oder Beschädigungen der Beschichtung leicht trennen ließen, galt der Test als bestanden.
Abbildung 10 veranschaulicht die verbesserte Blockierungsbeständigkeit von PUD# 65215A. Obwohl sowohl Standard #1 als auch PUD #65215A im vorherigen Test eine vollständige Aushärtung erreichten, zeigte nur PUD #65215A eine ausreichende Wasserabgabe und Aushärtung, um Blockierungsbeständigkeit zu erzielen.

ABBILDUNG 9 | Illustration des Blockierwiderstandstests.

ABBILDUNG 10 | Blockierwiderstand von Standard #1, gefolgt von PUD #65215A.

Acryl-Mischungsergebnisse

Lackhersteller mischen UV-härtende WB-Harze häufig mit Acrylaten, um die Kosten zu senken. In unserer Studie untersuchten wir auch die Mischung von PUD#65215A mit NeoCryl® XK-12, einem wasserbasierten Acrylat, das häufig als Mischpartner für UV-härtende, wasserbasierte PUDs im Bereich Tischlerei und Möbelbau verwendet wird. Für diesen Markt gilt die KCMA-Fleckenprüfung als Standard. Je nach Endanwendung sind manche Chemikalien für den Hersteller des beschichteten Artikels wichtiger als andere. Eine Bewertung von 5 ist die beste, eine von 1 die schlechteste.

Wie Tabelle 3 zeigt, erzielt PUD #65215A im KCMA-Färbetest sowohl als hochglänzender Klarlack als auch als mattierter Klarlack und als pigmentierte Beschichtung hervorragende Ergebnisse. Selbst bei einer 1:1-Mischung mit Acryl wird das Ergebnis im KCMA-Färbetest nicht wesentlich beeinträchtigt. Auch nach Verfärbungen mit Substanzen wie Senf erreichte die Beschichtung nach 24 Stunden wieder ein akzeptables Niveau.

TABELLE 3 | Beständigkeit gegen Chemikalien und Flecken (Bewertung von 5 ist die beste).

Zusätzlich zur KCMA-Fleckenprüfung testen Hersteller die Aushärtung direkt nach der UV-Härtung. Oftmals werden die Auswirkungen der Acrylbeimischung in diesem Test unmittelbar nach der Aushärtung sichtbar. Erwartet wird, dass die Beschichtung nach 20 Doppelreibungen mit Isopropylalkohol (20 IPA dr) nicht durchschlägt. Die Proben werden 1 Minute nach der UV-Härtung geprüft. Unsere Tests ergaben, dass eine 1:1-Mischung von PUD #65215A mit einem Acryl diesen Test nicht bestand. Wir stellten jedoch fest, dass PUD #65215A mit 25 % NeoCryl XK-12 Acryl gemischt werden konnte und den 20-IPA-dr-Test dennoch bestand (NeoCryl ist eine eingetragene Marke der Covestro-Gruppe).

ABBILDUNG 11 | 20 IPA-Doppelreibungen, 1 Minute nach UV-Aushärtung.

Harzstabilität

Die Stabilität von PUD #65215A wurde ebenfalls geprüft. Eine Formulierung gilt als lagerstabil, wenn der pH-Wert nach 4 Wochen bei 40 °C nicht unter 7 sinkt und die Viskosität im Vergleich zum Ausgangswert stabil bleibt. Für unsere Tests entschieden wir uns, die Proben den anspruchsvolleren Bedingungen von bis zu 6 Wochen bei 50 °C auszusetzen. Unter diesen Bedingungen erwiesen sich die Standards #1 und #2 als nicht stabil.

Für unsere Tests untersuchten wir die in dieser Studie verwendeten hochglänzenden und matten Klarlacke sowie die matten, pigmentierten Formulierungen. Wie Abbildung 12 zeigt, blieb die pH-Stabilität aller drei Formulierungen stabil und lag über dem pH-Schwellenwert von 7,0. Abbildung 13 veranschaulicht die minimale Viskositätsänderung nach 6 Wochen bei 50 °C.

ABBILDUNG 12 | pH-Stabilität des formulierten PUD #65215A.

ABBILDUNG 13 | Viskositätsstabilität des formulierten PUD #65215A.

Ein weiterer Test zur Demonstration der Stabilität von PUD #65215A bestand darin, die KCMA-Fleckenbeständigkeit einer Beschichtungsformulierung, die 6 Wochen bei 50 °C gealtert war, erneut zu prüfen und mit ihrer anfänglichen KCMA-Fleckenbeständigkeit zu vergleichen. Beschichtungen mit mangelnder Stabilität weisen eine verminderte Fleckenbeständigkeit auf. Wie Abbildung 14 zeigt, behielt PUD #65215A die gleiche Leistungsfähigkeit wie bei der anfänglichen Prüfung der Chemikalien-/Fleckenbeständigkeit der in Tabelle 3 dargestellten pigmentierten Beschichtung bei.

ABBILDUNG 14 | Chemische Testtafeln für pigmentiertes PUD #65215A.

Schlussfolgerungen

Für Anwender von UV-härtenden, wasserbasierten Beschichtungen ermöglicht die PUD #65215A die Erfüllung der aktuellen Leistungsstandards im Bereich Tischlerei, Holzverarbeitung und Möbelbau. Darüber hinaus ermöglicht sie eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit um mehr als 50–60 % gegenüber herkömmlichen UV-härtenden, wasserbasierten Beschichtungen. Für den Anwender bedeutet dies unter anderem:

●Schnellere Produktion;
●Durch die erhöhte Filmdicke verringert sich der Bedarf an zusätzlichen Anstrichen;
●Kürzere Trockenleinen;
●Energieeinsparung durch reduzierten Trocknungsbedarf;
●Weniger Ausschuss dank schneller Blockierbeständigkeit;
●Reduzierter Beschichtungsabfall dank Harzstabilität.

Mit VOC-Werten unter 100 g/l können Hersteller ihre VOC-Zielvorgaben leichter einhalten. Für Hersteller, die aufgrund von Genehmigungsproblemen möglicherweise Bedenken hinsichtlich einer Expansion haben, ermöglicht die Schnellwasser-Freisetzungs-PUD #65215A die einfachere Erfüllung ihrer regulatorischen Auflagen ohne Leistungseinbußen.

Zu Beginn dieses Artikels zitierten wir aus unseren Interviews, dass Anwender lösemittelbasierter UV-härtender Materialien Beschichtungen üblicherweise in einem Prozess trocknen und aushärten, der 3–5 Minuten dauert. In dieser Studie haben wir gezeigt, dass PUD #65215A gemäß dem in Abbildung 3 dargestellten Prozess Nassfilmdicken von bis zu 7 mils bei einer Ofentemperatur von 140 °C in 4 Minuten aushärtet. Dies liegt deutlich innerhalb des Bereichs der meisten lösemittelbasierten UV-härtenden Beschichtungen. PUD #65215A könnte es den derzeitigen Anwendern lösemittelbasierter UV-härtender Materialien potenziell ermöglichen, mit geringfügigen Änderungen an ihrer Beschichtungsanlage auf ein wasserbasiertes UV-härtendes Material umzusteigen.

Für Hersteller, die eine Produktionserweiterung erwägen, bieten Beschichtungen auf Basis von PUD #65215A folgende Vorteile:

● Kosten sparen durch den Einsatz einer kürzeren wasserbasierten Beschichtungsanlage;
●Eine kleinere Stellfläche für die Beschichtungslinie in der Anlage benötigen;
●Reduzierte Auswirkungen auf die bestehende VOC-Genehmigung;
●Energieeinsparungen durch reduzierten Trocknungsbedarf realisieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PUD #65215A durch die hohe Leistungsfähigkeit der physikalischen Eigenschaften und die schnelle Wasserabgabe des Harzes beim Trocknen bei 140 °C zur Verbesserung der Fertigungseffizienz von UV-härtenden Beschichtungslinien beitragen wird.