Bei der Herstellung von Fußböden, Möbeln und Schränken werden seit vielen Jahren leistungsstarke UV-härtende Lacke eingesetzt. Die meiste Zeit waren 100 % feste und lösungsmittelbasierte UV-härtende Beschichtungen die dominierende Technologie auf dem Markt. In den letzten Jahren hat sich die wasserbasierte UV-härtende Beschichtungstechnologie weiterentwickelt. UV-härtbare Harze auf Wasserbasis haben sich aus verschiedenen Gründen als nützliches Werkzeug für Hersteller erwiesen, darunter das Bestehen der KCMA-Färbung, Tests zur Chemikalienbeständigkeit und die Reduzierung von VOCs. Damit diese Technologie in diesem Markt weiter wachsen kann, wurden mehrere Treiber als Schlüsselbereiche identifiziert, in denen Verbesserungen vorgenommen werden müssen. Dadurch werden UV-härtende Harze auf Wasserbasis über die „Must-Haves“ hinausgehen, die die meisten Harze besitzen. Sie werden damit beginnen, der Beschichtung wertvolle Eigenschaften zu verleihen und damit jeder Position entlang der Wertschöpfungskette einen Mehrwert zu verleihen, vom Beschichtungsformulierer über den Fabrikanwender bis hin zum Installateur und schließlich zum Eigentümer.
Besonders heute wünschen sich Hersteller eine Beschichtung, die mehr kann, als nur die Spezifikationen zu erfüllen. Es gibt auch andere Eigenschaften, die Vorteile bei der Herstellung, Verpackung und Installation bieten. Ein gewünschtes Merkmal sind Verbesserungen der Anlageneffizienz. Für die wasserbasierte Beschichtung bedeutet dies eine schnellere Wasserabgabe und eine schnellere Blockfestigkeit. Eine weitere gewünschte Eigenschaft ist die Verbesserung der Harzstabilität zur Erfassung/Wiederverwendung einer Beschichtung und zur Verwaltung ihres Bestands. Für den Endbenutzer und Installateur sind die gewünschten Eigenschaften eine bessere Polierbeständigkeit und keine Metallmarkierungen während der Installation.
In diesem Artikel werden neue Entwicklungen bei wasserbasierten UV-härtbaren Polyurethanen erörtert, die eine deutlich verbesserte Lackstabilität bei 50 °C in klaren und pigmentierten Beschichtungen bieten. Außerdem wird erörtert, wie diese Harze die gewünschten Eigenschaften des Beschichtungsapplikators erfüllen, indem sie die Liniengeschwindigkeit durch schnelle Wasserabgabe, verbesserte Blockfestigkeit und Lösungsmittelbeständigkeit außerhalb der Linie erhöhen, was die Geschwindigkeit bei Stapel- und Verpackungsvorgängen verbessert. Dadurch werden auch manchmal auftretende Offline-Schäden verbessert. In diesem Artikel werden auch Verbesserungen der Flecken- und Chemikalienbeständigkeit besprochen, die für Installateure und Eigentümer wichtig sind.
Hintergrund
Die Landschaft der Beschichtungsindustrie entwickelt sich ständig weiter. Das „Must-have“, die Spezifikation nur zu einem angemessenen Preis pro aufgebrachtem Mil zu erfüllen, reicht einfach nicht aus. Die Landschaft für werkseitig aufgetragene Beschichtungen für Möbel, Tischlerei, Fußböden und Möbel verändert sich schnell. Von den Formulierern, die Beschichtungen an die Fabriken liefern, wird verlangt, die Beschichtungen für die Mitarbeiter sicherer zu machen, besorgniserregende Stoffe zu entfernen, VOCs durch Wasser zu ersetzen und sogar weniger fossilen Kohlenstoff und mehr Biokohlenstoff zu verwenden. Die Realität ist, dass jeder Kunde entlang der gesamten Wertschöpfungskette mehr von der Beschichtung verlangt, als nur die Spezifikation zu erfüllen.
Da unser Team die Möglichkeit sah, mehr Wert für die Fabrik zu schaffen, begann es, die Herausforderungen, mit denen diese Applikatoren konfrontiert waren, auf Fabrikebene zu untersuchen. Nach vielen Interviews hörten wir einige gemeinsame Themen:
- Zulassende Hindernisse behindern meine Expansionsziele;
- Die Kosten steigen und unsere Kapitalbudgets sinken;
- Sowohl die Energie- als auch die Personalkosten steigen;
- Verlust erfahrener Mitarbeiter;
- Unsere unternehmensweiten VVG-Ziele und die meiner Kunden müssen erreicht werden; Und
- Konkurrenz aus Übersee.
Diese Themen führten zu Wertversprechensaussagen, die bei Anwendern wasserbasierter UV-härtbarer Polyurethane Anklang fanden, insbesondere im Markt für Tischler- und Möbelbau, wie zum Beispiel: „Hersteller von Tischler- und Möbelbauarbeiten streben nach Verbesserungen der Fabrikeffizienz“ und „Hersteller wollen die Möglichkeit haben, die Produktion auf kürzere Produktionslinien mit weniger Nacharbeitsschäden aufgrund der Beschichtungen mit langsam wasserabgebenden Eigenschaften auszudehnen.“
Tabelle 1 zeigt, wie Verbesserungen bestimmter Beschichtungseigenschaften und physikalischer Eigenschaften für den Hersteller von Beschichtungsrohstoffen zu Effizienzsteigerungen führen, die vom Endverbraucher realisiert werden können.
TABELLE 1 | Eigenschaften und Vorteile.
Durch die Entwicklung UV-härtbarer PUDs mit bestimmten, in Tabelle 1 aufgeführten Eigenschaften können Endverbraucher ihren Bedarf an der Verbesserung der Anlageneffizienz decken. Dadurch werden sie wettbewerbsfähiger und können möglicherweise ihre aktuelle Produktion ausweiten.
Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
Geschichte der UV-härtbaren Polyurethan-Dispersionen
In den 1990er Jahren begann die kommerzielle Nutzung anionischer Polyurethandispersionen, die an das Polymer gebundene Acrylatgruppen enthielten, in industriellen Anwendungen.1 Viele dieser Anwendungen fanden in Verpackungen, Tinten und Holzbeschichtungen statt. Abbildung 1 zeigt eine generische Struktur eines UV-härtbaren PUD und zeigt, wie diese Beschichtungsrohstoffe konzipiert sind.
ABBILDUNG 1 | Generische Acrylat-funktionale Polyurethan-Dispersion.3
Wie in Abbildung 1 dargestellt, bestehen UV-härtbare Polyurethan-Dispersionen (UV-härtbare PUDs) aus den typischen Komponenten, die zur Herstellung von Polyurethan-Dispersionen verwendet werden. Aliphatische Diisocyanate werden mit den typischen Estern, Diolen, Hydrophilisierungsgruppen und Kettenverlängerern umgesetzt, die zur Herstellung von Polyurethan-Dispersionen verwendet werden.2 Der Unterschied besteht in der Zugabe eines Acrylat-funktionellen Esters, eines Epoxids oder von Ethern, die während der Herstellung der Dispersion in den Vorpolymerschritt eingearbeitet werden . Die Wahl der als Bausteine verwendeten Materialien sowie die Polymerarchitektur und -verarbeitung bestimmen die Leistung und Trocknungseigenschaften eines PUD. Diese Auswahl an Rohstoffen und Verarbeitung führt zu UV-härtbaren PUDs, die nicht filmbildend sein können, aber auch zu solchen, die filmbildend sind.3 Die filmbildenden oder trocknenden Arten sind Gegenstand dieses Artikels.
Durch die Filmbildung oder Trocknung, wie sie oft genannt wird, entstehen koaleszierte Filme, die sich vor der UV-Härtung trocken anfühlen. Da Anwender die durch Partikel verursachte Kontamination der Beschichtung in der Luft begrenzen möchten und ihr Produktionsprozess schnell sein muss, werden diese vor der UV-Härtung häufig in Öfen als Teil eines kontinuierlichen Prozesses getrocknet. Abbildung 2 zeigt den typischen Trocknungs- und Aushärtungsprozess eines UV-härtbaren PUD.
ABBILDUNG 2 | Verfahren zur Aushärtung eines UV-härtbaren PUD.
Als Auftragungsmethode kommt typischerweise das Sprühen zum Einsatz. Allerdings wurden auch Messer-über-Rollen-Verfahren und sogar Flutbeschichtungen verwendet. Nach dem Auftragen durchläuft die Beschichtung in der Regel einen vierstufigen Prozess, bevor sie erneut bearbeitet wird.
1.Flash: Dies kann bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur für einige Sekunden bis einige Minuten erfolgen.
2. Ofentrocknung: Hier werden Wasser und Hilfslösungsmittel aus der Beschichtung ausgetrieben. Dieser Schritt ist kritisch und nimmt normalerweise die meiste Zeit in einem Prozess in Anspruch. Dieser Schritt findet normalerweise bei >140 °F statt und dauert bis zu 8 Minuten. Es können auch Trockenöfen mit mehreren Zonen verwendet werden.
- IR-Lampe und Luftbewegung: Durch den Einbau von IR-Lampen und Luftbewegungsventilatoren wird der Wasserstrahl noch schneller beschleunigt.
3. UV-Härtung.
4. Abkühlen: Nach dem Aushärten muss die Beschichtung einige Zeit aushärten, um Blockfestigkeit zu erreichen. Dieser Schritt kann bis zu 10 Minuten dauern, bis der Blockierwiderstand erreicht ist
Experimental
In dieser Studie wurden zwei UV-härtbare PUDs (WB UV), die derzeit im Schrank- und Schreinereimarkt verwendet werden, mit unserer Neuentwicklung, PUD # 65215A, verglichen. In dieser Studie vergleichen wir Standard Nr. 1 und Standard Nr. 2 mit PUD Nr. 65215A hinsichtlich Trocknung, Blockierung und chemischer Beständigkeit. Wir bewerten auch die pH-Stabilität und Viskositätsstabilität, die bei der Wiederverwendung von Overspray und der Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung sein können. Unten in Tabelle 2 sind die physikalischen Eigenschaften jedes der in dieser Studie verwendeten Harze aufgeführt. Alle drei Systeme wurden auf einen ähnlichen Photoinitiator-, VOC- und Feststoffgehalt formuliert. Alle drei Harze wurden mit 3 % Co-Lösungsmittel formuliert.
TABELLE 2 | Eigenschaften des PUD-Harzes.
In unseren Interviews wurde uns gesagt, dass die meisten WB-UV-Beschichtungen im Schreinerei- und Möbelbausektor in einer Produktionslinie trocknen, was zwischen 5 und 8 Minuten dauert, bevor sie UV-härtend aushärten. Im Gegensatz dazu trocknet eine lösungsmittelbasierte UV-Linie (SB-UV) in 3–5 Minuten. Darüber hinaus werden Beschichtungen für diesen Markt typischerweise 4–5 mil nass aufgetragen. Ein großer Nachteil wasserbasierter UV-härtender Beschichtungen im Vergleich zu UV-härtenden, lösungsmittelbasierten Alternativen ist die Zeit, die zum Ablüften des Wassers in einer Produktionslinie benötigt wird.4 Filmdefekte wie weiße Flecken treten auf, wenn das Wasser nicht ordnungsgemäß aus der Anlage abgelassen wird Beschichtung vor der UV-Härtung. Dies kann auch auftreten, wenn die Nassfilmdicke zu hoch ist. Diese weißen Flecken entstehen, wenn während der UV-Härtung Wasser im Film eingeschlossen wird.5
Für diese Studie haben wir einen Härtungsplan gewählt, der dem ähnelt, der auf einer UV-härtbaren, lösungsmittelbasierten Linie verwendet wird. Abbildung 3 zeigt unseren Anwendungs-, Trocknungs-, Aushärtungs- und Verpackungsplan, der für unsere Studie verwendet wurde. Dieser Trocknungsplan bedeutet eine Verbesserung der Gesamtliniengeschwindigkeit um 50 bis 60 % gegenüber dem aktuellen Marktstandard für Tischlerei- und Möbelbauanwendungen.
ABBILDUNG 3 | Anwendungs-, Trocknungs-, Aushärtungs- und Verpackungsplan.
Nachfolgend sind die Anwendungs- und Aushärtungsbedingungen aufgeführt, die wir für unsere Studie verwendet haben:
●Spritzauftrag auf Ahornfurnier mit schwarzem Grundanstrich.
●30-sekündiger Raumtemperatur-Blinklicht.
● 140 °F Trockenofen für 2,5 Minuten (Konvektionsofen).
●UV-Härtung – Intensität etwa 800 mJ/cm2.
- Klarlacke wurden mit einer Hg-Lampe ausgehärtet.
- Pigmentierte Beschichtungen wurden mit einer Hg/Ga-Kombinationslampe ausgehärtet.
●1 Minute Abkühlen vor dem Stapeln.
Für unsere Studie haben wir außerdem drei verschiedene Nassfilmstärken gesprüht, um zu prüfen, ob sich auch andere Vorteile wie weniger Schichten realisieren lassen. 4 mil nass ist der typische Wert für WB UV. In diese Studie haben wir auch Nassbeschichtungsanwendungen mit einer Dicke von 6 und 8 Mil einbezogen.
Aushärtungsergebnisse
Die Ergebnisse von Standard Nr. 1, einem hochglänzenden Klarlack, sind in Abbildung 4 dargestellt. Der WB-UV-Klarlack wurde auf mitteldichte Faserplatten (MDF) aufgetragen, die zuvor mit einem schwarzen Grundlack beschichtet und gemäß dem in Abbildung 3 gezeigten Zeitplan ausgehärtet wurden. Bei 4 mil ist die Beschichtung nass. Allerdings riss die Beschichtung bei 6 und 8 mil Nassauftrag, und 8 mil ließ sich aufgrund der schlechten Wasserabgabe vor der UV-Härtung leicht entfernen.
ABBILDUNG 4 | Standard Nr. 1.
Ein ähnliches Ergebnis ist auch in Standard Nr. 2 zu sehen, siehe Abbildung 5.
ABBILDUNG 5 | Standard Nr. 2.
Wie in Abbildung 6 gezeigt, zeigte PUD Nr. 65215A unter Verwendung des gleichen Aushärtungsplans wie in Abbildung 3 eine enorme Verbesserung der Wasserabgabe/Trocknung. Bei einer Nassfilmdicke von 8 mil wurden leichte Risse am unteren Rand der Probe beobachtet.
ABBILDUNG 6 | PUD-Nr. 65215A.
Zusätzliche Tests von PUD# 65215A in einer klaren Beschichtung mit geringem Glanz und einer pigmentierten Beschichtung auf demselben MDF mit einem schwarzen Basislack wurden ausgewertet, um die Wasserabgabeeigenschaften in anderen typischen Beschichtungsformulierungen zu bewerten. Wie in Abbildung 7 dargestellt, gab die Formulierung mit geringem Glanz bei Nassauftrag in einer Dicke von 5 und 7 Mil das Wasser ab und bildete einen guten Film. Bei einer Nassdicke von 10 Mil war es jedoch zu dick, um das Wasser im Rahmen des Trocknungs- und Aushärtungsplans in Abbildung 3 abzugeben.
ABBILDUNG 7 | PUD mit niedrigem Glanz #65215A.
In einer weißpigmentierten Formel zeigte PUD Nr. 65215A eine gute Leistung im gleichen Trocknungs- und Aushärtungsplan wie in Abbildung 3 beschrieben, außer bei einer Auftragung mit 8 Mils nass. Wie in Abbildung 8 dargestellt, reißt der Film aufgrund der schlechten Wasserabgabe bei 8 mil. Insgesamt zeigte PUD# 65215A in klaren, glanzarmen und pigmentierten Formulierungen eine gute Filmbildung und Trocknung, wenn es bis zu 7 mil nass aufgetragen und nach dem in Abbildung 3 beschriebenen beschleunigten Trocknungs- und Aushärtungsplan ausgehärtet wurde.
ABBILDUNG 8 | Pigmentiertes PUD #65215A.
Blockierungsergebnisse
Unter Blockfestigkeit versteht man die Fähigkeit einer Beschichtung, beim Stapeln nicht an einem anderen beschichteten Gegenstand zu haften. Bei der Herstellung stellt dies oft einen Engpass dar, wenn es einige Zeit dauert, bis eine ausgehärtete Beschichtung Blockfestigkeit erreicht. Für diese Studie wurden pigmentierte Formulierungen von Standard Nr. 1 und PUD Nr. 65215A mit einer Abziehstange mit einer Nassdicke von 5 Mil auf Glas aufgetragen. Diese wurden jeweils gemäß dem Aushärtungsplan in Abbildung 3 ausgehärtet. Zwei beschichtete Glasplatten wurden gleichzeitig ausgehärtet – 4 Minuten nach der Aushärtung wurden die Platten zusammengeklemmt, wie in Abbildung 9 dargestellt. Sie blieben 24 Stunden lang bei Raumtemperatur zusammengeklemmt . Wenn sich die Platten ohne Abdrücke oder Schäden an den beschichteten Platten leicht trennen ließen, galt der Test als bestanden.
Abbildung 10 veranschaulicht die verbesserte Blockfestigkeit von PUD# 65215A. Obwohl sowohl Standard Nr. 1 als auch PUD Nr. 65215A im vorherigen Test eine vollständige Aushärtung erreichten, zeigte nur PUD Nr. 65215A eine ausreichende Wasserabgabe und Aushärtung, um Blockfestigkeit zu erreichen.
ABBILDUNG 9 | Illustration des Blockierwiderstandstests.
ABBILDUNG 10 | Blockfestigkeit von Standard Nr. 1, gefolgt von PUD Nr. 65215A.
Ergebnisse beim Mischen von Acryl
Beschichtungshersteller mischen häufig UV-härtende WB-Harze mit Acrylharzen, um die Kosten zu senken. Für unsere Studie haben wir uns auch mit der Mischung von PUD#65215A mit NeoCryl® Für diesen Markt gilt der KCMA-Fleckentest als Standard. Abhängig von der Endanwendung werden einige Chemikalien für den Hersteller des beschichteten Artikels wichtiger als andere. Eine Bewertung von 5 ist die beste und eine Bewertung von 1 die schlechteste.
Wie in Tabelle 3 gezeigt, schneidet PUD #65215A im KCMA-Fleckentest als hochglänzender Klarlack, niedrigglänzender Klarlack und als pigmentierte Beschichtung außergewöhnlich gut ab. Selbst bei einer 1:1-Mischung mit einem Acryl wird die KCMA-Fleckenprüfung nicht wesentlich beeinträchtigt. Selbst bei Flecken mit Mitteln wie Senf erholte sich die Beschichtung nach 24 Stunden auf ein akzeptables Niveau.
TABELLE 3 | Chemikalien- und Fleckenbeständigkeit (Bewertung 5 ist am besten).
Zusätzlich zu den KCMA-Fleckentests testen die Hersteller auch die Aushärtung unmittelbar nach der UV-Härtung vom Band. Bei diesem Test werden die Auswirkungen der Acrylmischung oft sofort nach der Aushärtung sichtbar. Es ist zu erwarten, dass die Beschichtung nach 20 Doppelgängen mit Isopropylalkohol (20 IPA Dr.) nicht durchbricht. Die Proben werden 1 Minute nach der UV-Härtung getestet. Bei unseren Tests haben wir festgestellt, dass eine 1:1-Mischung von PUD# 65215A mit einem Acryl diesen Test nicht bestanden hat. Wir haben jedoch festgestellt, dass PUD #65215A mit 25 % NeoCryl
ABBILDUNG 11 | 20 IPA-Doppelhübe, 1 Minute nach der UV-Härtung.
Harzstabilität
Die Stabilität von PUD #65215A wurde ebenfalls getestet. Eine Formulierung gilt als lagerstabil, wenn nach 4 Wochen bei 40 °C der pH-Wert nicht unter 7 fällt und die Viskosität im Vergleich zum Ausgangswert stabil bleibt. Für unsere Tests haben wir uns entschieden, die Proben den härteren Bedingungen von bis zu 6 Wochen bei 50 °C auszusetzen. Unter diesen Bedingungen waren die Standards Nr. 1 und Nr. 2 nicht stabil.
Für unsere Tests haben wir uns die hochglänzenden klaren, niedrigglänzenden klaren sowie die niedrigglänzenden pigmentierten Formulierungen angesehen, die in dieser Studie verwendet wurden. Wie in Abbildung 12 dargestellt, blieb die pH-Stabilität aller drei Formulierungen stabil und lag über dem pH-Schwellenwert von 7,0. Abbildung 13 zeigt 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, der die Stabilitätsleistung von PUD Nr. 65215A demonstrierte, bestand darin, die KCMA-Fleckenbeständigkeit einer Beschichtungsformulierung, die 6 Wochen lang bei 50 °C gealtert wurde, erneut zu testen und diese mit der anfänglichen KCMA-Fleckenbeständigkeit zu vergleichen. Bei Beschichtungen, die keine gute Stabilität aufweisen, sinkt die Färbeleistung. Wie in Abbildung 14 dargestellt, behielt PUD# 65215A das gleiche Leistungsniveau bei wie beim ersten Chemikalien-/Fleckenbeständigkeitstest der in Tabelle 3 gezeigten pigmentierten Beschichtung.
ABBILDUNG 14 | Chemische Testplatten für pigmentiertes PUD #65215A.
Schlussfolgerungen
Anwender von UV-härtbaren Beschichtungen auf Wasserbasis können mit PUD Nr. 65215A die aktuellen Leistungsstandards in den Bereichen Schreinerei, Holz und Möbelbau erfüllen und darüber hinaus beim Beschichtungsprozess eine Verbesserung der Liniengeschwindigkeit auf über 50 erreichen -60 % gegenüber aktuellen Standard-UV-härtenden Beschichtungen auf Wasserbasis. Für den Applikator kann dies bedeuten:
●Schnellere Produktion;
●Eine erhöhte Filmdicke reduziert die Notwendigkeit zusätzlicher Schichten;
●Kürzere Trocknungslinien;
●Energieeinsparung durch geringeren Trocknungsbedarf;
●Weniger Ausschuss durch schnellen Blockwiderstand;
●Reduzierter Beschichtungsabfall aufgrund der Harzstabilität.
Mit VOC-Werten von weniger als 100 g/L sind Hersteller auch besser in der Lage, ihre VOC-Ziele zu erreichen. Für Hersteller, die aufgrund von Genehmigungsproblemen möglicherweise Expansionsbedenken haben, ermöglicht ihnen das PUD Nr. 65215A mit schneller Wasserfreisetzung eine einfachere Erfüllung ihrer gesetzlichen Verpflichtungen ohne Leistungseinbußen.
Am Anfang dieses Artikels haben wir aus unseren Interviews zitiert, dass Anwender von lösungsmittelbasierten UV-härtbaren Materialien Beschichtungen typischerweise in einem Prozess trocknen und aushärten, der zwischen 3 und 5 Minuten dauert. Wir haben in dieser Studie gezeigt, dass PUD #65215A gemäß dem in Abbildung 3 gezeigten Verfahren bei einer Ofentemperatur von 140 °C in 4 Minuten bis zu 7 mil Nassfilmdicke aushärten kann. Dies liegt deutlich innerhalb des Fensters der meisten lösungsmittelbasierten UV-härtenden Beschichtungen. PUD #65215A könnte es derzeitigen Anwendern lösungsmittelbasierter UV-härtbarer Materialien möglicherweise ermöglichen, auf ein wasserbasiertes UV-härtbares Material umzusteigen, ohne ihre Beschichtungslinie geringfügig zu ändern.
Für Hersteller, die eine Produktionserweiterung in Betracht ziehen, ermöglichen Beschichtungen auf Basis von PUD #65215A Folgendes:
●Sparen Sie Geld durch den Einsatz einer kürzeren wasserbasierten Beschichtungslinie;
●Eine kleinere Fläche der Beschichtungslinie in der Anlage haben;
●Eine geringere Auswirkung auf die aktuelle VOC-Genehmigung haben;
●Erzielen Sie Energieeinsparungen aufgrund des geringeren Trocknungsbedarfs.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PUD #65215A dazu beitragen wird, die Produktionseffizienz von UV-härtbaren Beschichtungslinien durch hohe physikalische Eigenschaften und schnelle Wasserfreisetzungseigenschaften des Harzes beim Trocknen bei 140 °C zu verbessern.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. August 2024
