Los recubrimientos de alto rendimiento curables por UV se han utilizado durante muchos años en la fabricación de pisos, muebles y gabinetes. Durante la mayor parte de este tiempo, los recubrimientos curables por UV 100% sólidos y de base solvente han sido la tecnología dominante en el mercado. En los últimos años, ha crecido la tecnología de recubrimientos curables por UV a base de agua. Las resinas curables por UV a base de agua han demostrado ser una herramienta útil para los fabricantes por diversas razones, incluida la aprobación de tinciones KCMA, pruebas de resistencia química y reducción de COV. Para que esta tecnología siga creciendo en este mercado, se han identificado varios factores como áreas clave en las que es necesario realizar mejoras. Esto llevará a las resinas curables por UV a base de agua más allá de simplemente tener las “características imprescindibles” que poseen la mayoría de las resinas. Comenzarán a agregar propiedades valiosas al recubrimiento, aportando valor a cada posición a lo largo de la cadena de valor, desde el formulador de recubrimiento hasta el aplicador de fábrica, el instalador y, finalmente, el propietario.
Los fabricantes, especialmente hoy en día, desean un recubrimiento que haga más que simplemente cumplir con las especificaciones. También existen otras propiedades que brindan beneficios en la fabricación, embalaje e instalación. Un atributo deseado son las mejoras en la eficiencia de la planta. Para el recubrimiento a base de agua, esto significa una liberación de agua más rápida y una resistencia al bloqueo más rápida. Otro atributo deseado es mejorar la estabilidad de la resina para la captura/reutilización de un recubrimiento y la gestión de su inventario. Para el usuario final y el instalador, los atributos deseados son una mejor resistencia al bruñido y que no haya marcas metálicas durante la instalación.
Este artículo analizará nuevos desarrollos en poliuretanos curables por UV a base de agua que ofrecen una estabilidad de pintura a 50 °C muy mejorada en recubrimientos transparentes y pigmentados. También analiza cómo estas resinas abordan los atributos deseados del aplicador de recubrimiento al aumentar la velocidad de la línea a través de una rápida liberación de agua, una resistencia mejorada al bloqueo y una resistencia a los solventes fuera de la línea, lo que mejora la velocidad de las operaciones de apilamiento y empaque. Esto también mejorará los daños fuera de línea que a veces ocurren. Este artículo también analiza las mejoras demostradas en la resistencia a las manchas y a los productos químicos, importantes para los instaladores y propietarios.
Fondo
El panorama de la industria de los recubrimientos está en constante evolución. Lo “imprescindible” de simplemente pasar la especificación a un precio razonable por mil aplicado simplemente no es suficiente. El panorama de los recubrimientos aplicados en fábrica a gabinetes, ebanistería, pisos y muebles está cambiando rápidamente. A los formuladores que suministran recubrimientos a las fábricas se les pide que hagan que los recubrimientos sean más seguros para que los empleados los apliquen, eliminen sustancias de gran preocupación, reemplacen los COV con agua e incluso utilicen menos carbono fósil y más biocarbono. La realidad es que a lo largo de toda la cadena de valor, cada cliente pide al recubrimiento que haga algo más que cumplir las especificaciones.
Al ver una oportunidad de crear más valor para la fábrica, nuestro equipo comenzó a investigar a nivel de fábrica los desafíos que enfrentaban estos aplicadores. Después de muchas entrevistas empezamos a escuchar algunos temas en común:
- Los obstáculos de permisos están impidiendo mis objetivos de expansión;
- Los costos están aumentando y nuestros presupuestos de capital están disminuyendo;
- Los costos tanto de energía como de personal están aumentando;
- Pérdida de empleados experimentados;
- Nuestros objetivos corporativos de gastos de venta, generales y administrativos, así como los de mi cliente, deben cumplirse; y
- Competencia en el extranjero.
Estos temas llevaron a declaraciones de propuestas de valor que comenzaron a resonar entre los aplicadores de poliuretanos curables por UV a base de agua, especialmente en el mercado de la carpintería y ebanistería, tales como: "los fabricantes de carpintería y ebanistería están buscando mejoras en la eficiencia de las fábricas" y "los fabricantes "Quiero tener la capacidad de ampliar la producción en líneas de producción más cortas con menos daños por retrabajo debido a los recubrimientos con propiedades de liberación lenta de agua".
La Tabla 1 ilustra cómo, para el fabricante de materias primas de recubrimientos, las mejoras en ciertos atributos y propiedades físicas del recubrimiento conducen a eficiencias que el usuario final puede lograr.
TABLA 1 | Atributos y beneficios.
Al diseñar PUD curables por UV con ciertos atributos enumerados en la Tabla 1, los fabricantes de uso final podrán abordar las necesidades que tienen para mejorar la eficiencia de las plantas. Esto les permitirá ser más competitivos y potencialmente les permitirá ampliar la producción actual.
Resultados experimentales y discusión.
Historia de las dispersiones de poliuretano curables por UV
En la década de 1990, los usos comerciales de las dispersiones aniónicas de poliuretano que contenían grupos acrilato unidos al polímero comenzaron a utilizarse en aplicaciones industriales.1 Muchas de estas aplicaciones fueron en embalajes, tintas y revestimientos de madera. La Figura 1 muestra una estructura genérica de un PUD curable por UV, lo que demuestra cómo se diseñan estas materias primas de recubrimiento.
FIGURA 1 | Dispersión genérica de poliuretano funcional acrilato.3
Como se muestra en la Figura 1, las dispersiones de poliuretano curables por UV (PUD curables por UV) se componen de los componentes típicos utilizados para fabricar dispersiones de poliuretano. Los diisocianatos alifáticos se hacen reaccionar con los ésteres, dioles, grupos de hidrofilización y extensores de cadena típicos que se usan para fabricar dispersiones de poliuretano.2 La diferencia es la adición de un éster funcional de acrilato, epoxi o éteres incorporados en la etapa de prepolímero mientras se prepara la dispersión. . La elección de los materiales utilizados como bloques de construcción, así como la arquitectura y el procesamiento del polímero, dictan el rendimiento y las características de secado de un PUD. Estas elecciones en materias primas y procesamiento conducirán a PUD curables por UV que pueden no formar película, así como aquellas que sí forman película.3 Los tipos de formación de película o secado son el tema de este artículo.
La formación de película, o secado como se le suele llamar, producirá películas fusionadas que estarán secas al tacto antes del curado UV. Debido a que los aplicadores desean limitar la contaminación del recubrimiento en el aire debido a las partículas, así como la necesidad de velocidad en su proceso de producción, estas a menudo se secan en hornos como parte de un proceso continuo antes del curado UV. La Figura 2 muestra el proceso típico de secado y curado de un PUD curable con UV.
FIGURA 2 | Proceso para curar una PUD curable por UV.
El método de aplicación utilizado suele ser el de pulverización. Sin embargo, se han utilizado cuchillo sobre rollo e incluso capa inundada. Una vez aplicado, el recubrimiento normalmente pasará por un proceso de cuatro pasos antes de volver a manipularlo.
1.Flash: Esto se puede hacer a temperatura ambiente o elevada durante varios segundos a un par de minutos.
2. Secar en horno: Aquí es donde el agua y los cosolventes salen del recubrimiento. Este paso es fundamental y suele consumir la mayor parte del tiempo de un proceso. Este paso suele realizarse a >140 °F y dura hasta 8 minutos. También se pueden utilizar hornos de secado de zonas múltiples.
- Lámpara de infrarrojos y movimiento de aire: la instalación de lámparas de infrarrojos y ventiladores de movimiento de aire acelerará el destello de agua aún más rápido.
3. Curado UV.
4.Enfriar: Una vez curado, el recubrimiento deberá curarse durante un tiempo para lograr resistencia al bloqueo. Este paso puede tardar hasta 10 minutos antes de que se logre la resistencia de bloqueo.
Experimental
Este estudio comparó dos PUD curables por UV (WB UV), utilizados actualmente en el mercado de gabinetes y carpintería, con nuestro nuevo desarrollo, PUD # 65215A. En este estudio comparamos el Estándar #1 y el Estándar #2 con el PUD #65215A en cuanto a secado, bloqueo y resistencia química. También evaluamos la estabilidad del pH y la estabilidad de la viscosidad, que pueden ser críticas al considerar la reutilización del exceso de pulverización y la vida útil. A continuación, en la Tabla 2, se muestran las propiedades físicas de cada una de las resinas utilizadas en este estudio. Los tres sistemas se formularon con niveles de fotoiniciadores, COV y niveles de sólidos similares. Las tres resinas se formularon con un 3% de cosolvente.
TABLA 2 | Propiedades de la resina PUD.
En nuestras entrevistas nos dijeron que la mayoría de los recubrimientos WB-UV en los mercados de carpintería y ebanistería se secan en una línea de producción, lo que demora entre 5 y 8 minutos antes del curado UV. Por el contrario, una línea UV a base de disolvente (SB-UV) se seca en 3-5 minutos. Además, para este mercado, los recubrimientos generalmente se aplican entre 4 y 5 mils de humedad. Una desventaja importante de los recubrimientos curables por UV a base de agua en comparación con las alternativas a base de solventes curables por UV es el tiempo que lleva evaporar el agua en una línea de producción.4 Se producirán defectos en la película, como manchas blancas, si el agua no se ha evaporado adecuadamente del recubrimiento antes del curado UV. Esto también puede ocurrir si el espesor de la película húmeda es demasiado alto. Estas manchas blancas se crean cuando el agua queda atrapada dentro de la película durante el curado UV.5
Para este estudio elegimos un programa de curado similar al que se utilizaría en una línea a base de solvente curable con UV. La Figura 3 muestra nuestro programa de aplicación, secado, curado y envasado utilizado para nuestro estudio. Este programa de secado representa una mejora de entre un 50% y un 60% en la velocidad general de la línea con respecto al estándar actual del mercado en aplicaciones de carpintería y ebanistería.
FIGURA 3 | Calendario de aplicación, secado, curado y envasado.
A continuación se muestran las condiciones de aplicación y curado que utilizamos para nuestro estudio:
●Aplicación por aspersión sobre chapa de arce con una capa base negra.
●Parpadeo a temperatura ambiente de 30 segundos.
●Estufa de secado a 140 °F durante 2,5 minutos (horno de convección).
●Curado UV – intensidad aproximadamente 800 mJ/cm2.
- Los recubrimientos transparentes se curaron usando una lámpara de Hg.
- Los recubrimientos pigmentados se curaron usando una lámpara combinada de Hg/Ga.
●Enfriamiento de 1 minuto antes de apilar.
Para nuestro estudio también pulverizamos tres espesores diferentes de película húmeda para ver si también se obtendrían otras ventajas, como menos capas. 4 mils húmedo es lo típico para WB UV. Para este estudio también incluimos aplicaciones de recubrimiento húmedo de 6 y 8 mils.
Resultados de curado
Los resultados del estándar #1, un recubrimiento transparente de alto brillo, se muestran en la Figura 4. El recubrimiento transparente UV WB se aplicó a un tablero de fibra de densidad media (MDF) previamente recubierto con una capa base negra y curado de acuerdo con el programa que se muestra en la Figura 3. A 4 mils de humedad, el recubrimiento pasa. Sin embargo, con una aplicación húmeda de 6 y 8 mils, el recubrimiento se agrietó y 8 mils se eliminó fácilmente debido a la mala liberación de agua antes del curado UV.
FIGURA 4 | Estándar #1.
También se ve un resultado similar en el Estándar #2, que se muestra en la Figura 5.
FIGURA 5 | Estándar #2.
Como se muestra en la Figura 6, utilizando el mismo programa de curado que en la Figura 3, el PUD #65215A demostró una enorme mejora en la liberación de agua/secado. Con un espesor de película húmeda de 8 mils, se observó un ligero agrietamiento en el borde inferior de la muestra.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Se evaluaron pruebas adicionales de PUD# 65215A en un recubrimiento transparente de bajo brillo y un recubrimiento pigmentado sobre el mismo MDF con una capa base negra para evaluar las características de liberación de agua en otras formulaciones de recubrimiento típicas. Como se muestra en la Figura 7, la formulación de bajo brillo con una aplicación húmeda de 5 y 7 mils liberó el agua y formó una buena película. Sin embargo, a 10 mils de humedad, era demasiado espeso para liberar el agua según el programa de secado y curado de la Figura 3.
FIGURA 7 | PUD #65215A de bajo brillo.
En una fórmula pigmentada de color blanco, PUD #65215A tuvo un buen desempeño en el mismo programa de secado y curado descrito en la Figura 3, excepto cuando se aplicó a 8 mils de humedad. Como se muestra en la Figura 8, la película se agrieta a 8 mils debido a una mala liberación de agua. En general, en formulaciones transparentes, de bajo brillo y pigmentadas, PUD# 65215A tuvo un buen desempeño en la formación de películas y el secado cuando se aplicó hasta 7 mils húmedo y se curó con el programa de secado y curado acelerado descrito en la Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentado #65215A.
Resultados de bloqueo
La resistencia al bloqueo es la capacidad de un recubrimiento de no adherirse a otro artículo recubierto cuando se apila. En la fabricación, esto suele ser un cuello de botella si un recubrimiento curado tarda tiempo en lograr resistencia al bloqueo. Para este estudio, se aplicaron formulaciones pigmentadas del Estándar #1 y PUD #65215A al vidrio a 5 mils húmedos usando una barra de extensión. Cada uno de ellos se curó de acuerdo con el programa de curado de la Figura 3. Se curaron dos paneles de vidrio revestidos al mismo tiempo; 4 minutos después del curado, los paneles se sujetaron entre sí, como se muestra en la Figura 9. Permanecieron unidos a temperatura ambiente durante 24 horas. . Si los paneles se separaron fácilmente sin dejar huellas ni dañar los paneles recubiertos, entonces la prueba se consideró aprobada.
La Figura 10 ilustra la resistencia de bloqueo mejorada del PUD# 65215A. Aunque tanto el Estándar #1 como el PUD #65215A lograron un curado completo en la prueba anterior, solo el PUD #65215A demostró suficiente liberación de agua y curado para lograr una resistencia al bloqueo.
FIGURA 9 | Ilustración de prueba de resistencia de bloqueo.
FIGURA 10 | Resistencia de bloqueo del Estándar #1, seguido del PUD #65215A.
Resultados de la mezcla acrílica
Los fabricantes de recubrimientos suelen mezclar resinas curables por UV de WB con acrílicos para reducir los costos. Para nuestro estudio, también analizamos la mezcla de PUD#65215A con NeoCryl® XK-12, un acrílico a base de agua, que a menudo se utiliza como compañero de mezcla para PUD a base de agua curables por UV en el mercado de la carpintería y la ebanistería. Para este mercado, las pruebas de tinción KCMA se consideran el estándar. Dependiendo de la aplicación de uso final, algunos productos químicos serán más importantes que otros para el fabricante del artículo recubierto. Una calificación de 5 es la mejor y una calificación de 1 es la peor.
Como se muestra en la Tabla 3, PUD #65215A funciona excepcionalmente bien en las pruebas de tinción KCMA como recubrimiento transparente de alto brillo, transparente de bajo brillo y como recubrimiento pigmentado. Incluso cuando se mezcla 1:1 con un acrílico, la prueba de tinción KCMA no se ve afectada drásticamente. Incluso al teñir con agentes como la mostaza, el recubrimiento se recuperó a un nivel aceptable después de 24 horas.
TABLA 3 | Resistencia a productos químicos y manchas (la calificación 5 es la mejor).
Además de las pruebas de tinción de KCMA, los fabricantes también realizarán pruebas de curado inmediatamente después del curado UV fuera de línea. A menudo, los efectos de la mezcla acrílica se notarán inmediatamente después de la línea de curado en esta prueba. La expectativa es que el recubrimiento no se rompa después de 20 frotaciones dobles con alcohol isopropílico (20 IPA dr). Las muestras se analizan 1 minuto después del curado UV. En nuestras pruebas vimos que una mezcla 1:1 de PUD# 65215A con un acrílico no pasó esta prueba. Sin embargo, vimos que PUD #65215A se podía mezclar con un 25% de acrílico NeoCryl XK-12 y aun así pasar la prueba de 20 IPA dr (NeoCryl es una marca registrada del grupo Covestro).
FIGURA 11 | 20 frotaciones dobles con IPA, 1 minuto después del curado UV.
Estabilidad de la resina
También se probó la estabilidad de PUD #65215A. Una formulación se considera estable si después de 4 semanas a 40 °C, el pH no cae por debajo de 7 y la viscosidad se mantiene estable en comparación con la inicial. Para nuestras pruebas decidimos someter las muestras a condiciones más duras de hasta 6 semanas a 50 °C. En estas condiciones, los Estándares #1 y #2 no eran estables.
Para nuestras pruebas, analizamos las formulaciones transparentes de alto brillo, transparentes de bajo brillo y pigmentadas de bajo brillo utilizadas en este estudio. Como se muestra en la Figura 12, la estabilidad del pH de las tres formulaciones se mantuvo estable y por encima del umbral de pH de 7,0. La Figura 13 ilustra el cambio mínimo de viscosidad después de 6 semanas a 50 °C.
FIGURA 12 | Estabilidad del pH del PUD formulado #65215A.
FIGURA 13 | Estabilidad de la viscosidad del PUD formulado #65215A.
Otra prueba que demostró el desempeño de estabilidad de PUD #65215A fue probar nuevamente la resistencia a las manchas KCMA de una formulación de recubrimiento que ha sido envejecida durante 6 semanas a 50 °C y compararla con su resistencia inicial a las manchas KCMA. Los recubrimientos que no exhiben una buena estabilidad verán disminuciones en el rendimiento de tinción. Como se muestra en la Figura 14, PUD# 65215A mantuvo el mismo nivel de rendimiento que en la prueba inicial de resistencia a químicos/manchas del recubrimiento pigmentado que se muestra en la Tabla 3.
FIGURA 14 | Paneles de prueba química para PUD pigmentado #65215A.
Conclusiones
Para los aplicadores de recubrimientos a base de agua de curado UV, PUD #65215A les permitirá cumplir con los estándares de rendimiento actuales en los mercados de carpintería, madera y gabinetes y, además, permitirá que el proceso de recubrimiento experimente mejoras en la velocidad de la línea a más de 50 -60% sobre los recubrimientos a base de agua curables por UV estándar actuales. Para el aplicador esto puede significar:
●Producción más rápida;
●El mayor espesor de la película reduce la necesidad de capas adicionales;
●Líneas de secado más cortas;
●Ahorro de energía debido a la reducción de las necesidades de secado;
●Menos desechos debido a la rápida resistencia al bloqueo;
●Reducción del desperdicio de recubrimiento debido a la estabilidad de la resina.
Con COV inferiores a 100 g/L, los fabricantes también son más capaces de cumplir sus objetivos de COV. Para los fabricantes que puedan tener preocupaciones de expansión debido a problemas con los permisos, el PUD #65215A de liberación rápida de agua les permitirá cumplir más fácilmente con sus obligaciones regulatorias sin sacrificar el rendimiento.
Al comienzo de este artículo, citamos nuestras entrevistas que los aplicadores de materiales curables por UV a base de solventes generalmente secaban y curaban los recubrimientos en un proceso que tomaba entre 3 y 5 minutos. Hemos demostrado en este estudio que, según el proceso que se muestra en la Figura 3, el PUD #65215A curará espesores de película húmeda de hasta 7 mils en 4 minutos con una temperatura de horno de 140 °C. Esto está dentro del alcance de la mayoría de los recubrimientos curables por UV a base de solventes. El PUD #65215A podría potencialmente permitir a los aplicadores actuales de materiales curables por UV a base de solventes cambiar a un material curable por UV a base de agua con pocos cambios en su línea de recubrimiento.
Para los fabricantes que estén considerando expandir la producción, los recubrimientos basados en PUD #65215A les permitirán:
●Ahorre dinero mediante el uso de una línea de recubrimiento a base de agua más corta;
●Tener una huella de línea de recubrimiento más pequeña en las instalaciones;
●Tener un impacto reducido en el permiso VOC actual;
●Obtenga ahorros de energía debido a la reducción de las necesidades de secado.
En conclusión, PUD #65215A ayudará a mejorar la eficiencia de fabricación de las líneas de recubrimientos curables por UV a través del rendimiento de altas propiedades físicas y las características de rápida liberación de agua de la resina cuando se seca a 140 °C.
Hora de publicación: 14 de agosto de 2024
