Los recubrimientos curables por UV de alto rendimiento se han utilizado en la fabricación de pisos, muebles y gabinetes durante muchos años. Durante la mayor parte de este tiempo, los recubrimientos curables por UV 100% sólidos y a base de solventes han sido la tecnología dominante en el mercado. En los últimos años, la tecnología de recubrimientos curables por UV a base de agua ha experimentado un auge. Las resinas curables por UV a base de agua han demostrado ser una herramienta útil para los fabricantes por diversas razones, como la aprobación de la tinción KCMA, las pruebas de resistencia química y la reducción de COV. Para que esta tecnología continúe creciendo en este mercado, se han identificado varios factores clave que requieren mejoras. Estos factores llevarán a las resinas curables por UV a base de agua más allá de simplemente tener las características esenciales que la mayoría de las resinas poseen. Comenzarán a agregar propiedades valiosas al recubrimiento, aportando valor a cada etapa de la cadena de valor, desde el formulador del recubrimiento hasta el aplicador en fábrica, el instalador y, finalmente, el propietario.
Los fabricantes, especialmente hoy en día, buscan un recubrimiento que no solo cumpla con las especificaciones. También existen otras propiedades que ofrecen ventajas en la fabricación, el embalaje y la instalación. Un atributo deseable es la mejora de la eficiencia de la planta. En el caso del recubrimiento a base de agua, esto significa una liberación de agua más rápida y una mayor resistencia al bloqueo. Otro atributo deseable es mejorar la estabilidad de la resina para la captura/reutilización del recubrimiento y la gestión de su inventario. Para el usuario final y el instalador, los atributos deseados son una mejor resistencia al bruñido y la ausencia de marcas metálicas durante la instalación.
Este artículo analizará los nuevos desarrollos en poliuretanos de curado UV a base de agua que ofrecen una estabilidad de pintura a 50 °C significativamente mejorada, tanto en recubrimientos transparentes como pigmentados. También se explica cómo estas resinas satisfacen las necesidades del aplicador de recubrimientos, aumentando la velocidad de la línea mediante una rápida liberación de agua, una mejor resistencia al bloqueo y a los disolventes fuera de la línea, lo que optimiza las operaciones de apilado y empaquetado. Esto también reducirá los daños que a veces se producen fuera de la línea. Este artículo también analiza las mejoras demostradas en la resistencia a las manchas y a los productos químicos, importantes para instaladores y propietarios.
Fondo
El panorama de la industria de los recubrimientos está en constante evolución. El requisito indispensable de cumplir con la especificación a un precio razonable por milímetro aplicado simplemente no es suficiente. El panorama de los recubrimientos aplicados en fábrica para ebanistería, carpintería, pisos y muebles está cambiando rápidamente. Se les pide a los formuladores que suministran recubrimientos a las fábricas que los hagan más seguros para los empleados, que eliminen sustancias altamente preocupantes, que reemplacen los COV con agua e incluso que utilicen menos carbono fósil y más biocarbono. La realidad es que, a lo largo de la cadena de valor, cada cliente exige que el recubrimiento haga más que simplemente cumplir con la especificación.
Al ver la oportunidad de generar más valor para la fábrica, nuestro equipo comenzó a investigar a nivel de fábrica los desafíos que enfrentaban estos aplicadores. Tras numerosas entrevistas, empezamos a identificar algunos temas comunes:
- Permitir obstáculos está impidiendo mis objetivos de expansión;
- Los costos están aumentando y nuestros presupuestos de capital están disminuyendo;
- Los costes 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 dieron lugar 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 carpintería y ebanistería, como: "los fabricantes de carpintería y ebanistería buscan mejoras en la eficiencia de la fábrica" y "los fabricantes quieren la capacidad de expandir la producción en líneas de producción más cortas con menos daños por reprocesamiento debido a los recubrimientos con propiedades de liberación lenta de agua".
La Tabla 1 ilustra cómo, para el fabricante de materias primas para 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 ciertas características, como se indica en la Tabla 1, los fabricantes finales podrán satisfacer sus necesidades de mejora de la eficiencia de sus plantas. Esto les permitirá ser más competitivos y, potencialmente, ampliar su producción actual.
Resultados experimentales y discusión
Historia de las dispersiones de poliuretano curables por UV
En la década de 1990, comenzaron a utilizarse comercialmente dispersiones de poliuretano aniónico con grupos acrilato unidos al polímero en aplicaciones industriales.¹ Muchas de estas aplicaciones se encontraban en envases, tintas y recubrimientos para madera. La Figura 1 muestra la estructura genérica de un PUD curable por UV, que ilustra el diseño de estas materias primas para recubrimientos.
FIGURA 1 | Dispersión genérica de poliuretano funcional con 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 elaborar dispersiones de poliuretano. Los diisocianatos alifáticos reaccionan con los ésteres, dioles, grupos de hidrofilización y extensores de cadena típicos utilizados para elaborar dispersiones de poliuretano.² La diferencia radica en la adición de un éster con funcionalidad acrilato, un epoxi o éteres incorporados en la etapa de prepolímero durante la elaboración de la dispersión. La elección de los materiales utilizados como componentes básicos, así como la arquitectura y el procesamiento del polímero, determinan el rendimiento y las características de secado de una PUD. Estas elecciones en las materias primas y el procesamiento darán lugar a PUD curables por UV que pueden ser tanto filmógenos como no filmógenos.³ Los tipos de filmógenos o de secado son el tema de este artículo.
La formación de película, o secado como se le suele llamar, produce películas coalescidas secas al tacto antes del curado UV. Dado que los aplicadores desean limitar la contaminación atmosférica del recubrimiento debido a partículas, además de la necesidad de agilizar su proceso de producción, estas suelen secarse 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 por UV.
FIGURA 2 | Proceso para curar un PUD curable por UV.
El método de aplicación utilizado suele ser por aspersión. Sin embargo, también se han utilizado la aplicación con espátula sobre rodillo e incluso la aplicación por inundación. Una vez aplicado, el recubrimiento suele pasar por un proceso de cuatro pasos antes de volver a manipularse.
1. Flash: Esto se puede realizar a temperatura ambiente o elevada durante varios segundos o un par de minutos.
2. Secado en horno: Aquí es donde el agua y los cosolventes se eliminan del recubrimiento. Este paso es crítico y suele ser el que más tiempo consume en un proceso. Este paso suele realizarse a más de 60 °C y dura hasta 8 minutos. También se pueden utilizar hornos de secado multizona.
- Lámpara IR y movimiento de aire: La instalación de lámparas IR y ventiladores de movimiento de aire acelerarán la evaporación del agua aún más rápido.
3. Curado UV.
4. Enfriar: Una vez curado, el recubrimiento deberá curarse durante un tiempo para lograr la resistencia al bloqueo. Este paso puede tardar hasta 10 minutos antes de lograr la resistencia al bloqueo.
Experimental
Este estudio comparó dos PUD curables por UV (WB UV), actualmente utilizados en el mercado de ebanistería y carpintería, con nuestro nuevo desarrollo, el PUD n.° 65215A. En este estudio, comparamos los estándares n.° 1 y n.° 2 con el PUD n.° 65215A en cuanto a secado, bloqueo y resistencia química. También evaluamos la estabilidad del pH y la viscosidad, factores cruciales para la reutilización del exceso de pulverización y su vida útil. La Tabla 2 muestra las propiedades físicas de cada resina utilizada en este estudio. Los tres sistemas se formularon con niveles similares de fotoiniciador, COV y sólidos. Las tres resinas se formularon con un 3 % de codisolvente.
TABLA 2 | Propiedades de la resina PUD.
En nuestras entrevistas, nos informaron que la mayoría de los recubrimientos WB-UV en los sectores de la carpintería y ebanistería se secan en una línea de producción, lo que demora entre 5 y 8 minutos antes del curado UV. En cambio, una línea UV a base de solvente (SB-UV) seca en 3-5 minutos. Además, en este mercado, los recubrimientos se suelen aplicar con 4-5 milésimas de pulgada en húmedo. 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 tarda en evaporarse el agua en una línea de producción.4 Defectos en la película, como manchas blancas, se producirán si el agua no se ha evaporado correctamente 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 de productos a base de solventes curables por UV. La Figura 3 muestra el programa de aplicación, secado, curado y envasado que utilizamos. Este programa de secado representa una mejora de entre el 50 % y el 60 % en la velocidad general de la línea con respecto al estándar actual del mercado en aplicaciones de ebanistería y ebanistería.
FIGURA 3 | Programa de aplicación, secado, curado y envasado.
A continuación se muestran las condiciones de aplicación y curado que utilizamos para nuestro estudio:
●Aplicación en aerosol sobre chapa de arce con una capa base negra.
●Flash de temperatura ambiente de 30 segundos.
●Horno de secado a 140 °F durante 2,5 minutos (horno de convección).
●Curado UV: intensidad aproximadamente 800 mJ/cm2.
- Los recubrimientos transparentes se curaron utilizando una lámpara de Hg.
- Los recubrimientos pigmentados se curaron utilizando una lámpara combinada Hg/Ga.
●Dejar enfriar durante 1 minuto antes de apilar.
Para nuestro estudio, también pulverizamos tres espesores de película húmeda diferentes para comprobar si se obtenían otras ventajas, como un menor número de capas. 100 g (4 milésimas de pulgada) en húmedo es el espesor típico para WB UV. Para este estudio, también incluimos aplicaciones de recubrimiento húmedo de 152 y 203 mm (6 y 8 milésimas de pulgada).
Resultados del curado
Los resultados del estándar n.° 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 según el programa que se muestra en la Figura 3. A 4 milésimas de pulgada en húmedo, el recubrimiento pasa. Sin embargo, a 6 y 8 milésimas de pulgada en húmedo, el recubrimiento se agrietó, y 8 milésimas de pulgada se eliminaron fácilmente debido a la escasa liberación de agua antes del curado UV.
FIGURA 4 | Estándar #1.
Un resultado similar se observa también en el Estándar n.° 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 n.° 65215A demostró una mejora considerable en la liberación de agua y el secado. Con un espesor de película húmeda de 8 milésimas de pulgada, se observó un ligero agrietamiento en el borde inferior de la muestra.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Se realizaron pruebas adicionales de PUD# 65215A con 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, aplicada en húmedo a 5 y 7 milésimas de pulgada, liberó el agua y formó una buena película. Sin embargo, a 10 milésimas de pulgada, resultó demasiado espesa para liberar el agua según el programa de secado y curado de la Figura 3.
FIGURA 7 | PUD de bajo brillo #65215A.
En una fórmula pigmentada blanca, el PUD n.° 65215A tuvo un buen rendimiento en el mismo programa de secado y curado descrito en la Figura 3, excepto al aplicarlo a 8 milésimas de pulgada húmedas. Como se muestra en la Figura 8, la película se agrieta a 8 milésimas de pulgada debido a una deficiente liberación de agua. En general, en formulaciones transparentes, de bajo brillo y pigmentadas, el PUD n.° 65215A tuvo un buen rendimiento en la formación de película y el secado al aplicarlo hasta 7 milésimas de pulgada húmedas y curarlo según el programa de secado y curado acelerado descrito en la Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentado #65215A.
Bloqueo de resultados
La resistencia al bloqueo se refiere a la capacidad de un recubrimiento para no adherirse a otro artículo recubierto al apilarse. En la fabricación, esto suele ser un obstáculo si un recubrimiento curado tarda en alcanzar la resistencia al bloqueo. Para este estudio, se aplicaron formulaciones pigmentadas de la Norma n.° 1 y PUD n.° 65215A al vidrio a 5 milésimas de pulgada húmedas utilizando una barra de aplicación. Cada una de estas formulaciones se curó según el programa de curado de la Figura 3. Dos paneles de vidrio recubierto se curaron simultáneamente; 4 minutos después del curado, se sujetaron entre sí, como se muestra en la Figura 9. Permanecieron sujetos a temperatura ambiente durante 24 horas. Si los paneles se separaban fácilmente sin marcas ni daños en los paneles recubiertos, la prueba se consideró aprobada.
La Figura 10 ilustra la mejora en la resistencia al bloqueo del PUD n.º 65215A. Si bien tanto el Estándar n.º 1 como el PUD n.º 65215A lograron un curado completo en la prueba anterior, solo el PUD n.º 65215A demostró suficiente liberación de agua y curado para lograr la resistencia al bloqueo.
FIGURA 9 | Ilustración de prueba de resistencia de bloqueo.
FIGURA 10 | Resistencia de bloqueo del estándar n.° 1, seguido del PUD n.° 65215A.
Resultados de la mezcla de acrílico
Los fabricantes de recubrimientos suelen mezclar resinas de curado UV WB con acrílicos para reducir costos. En nuestro estudio, también analizamos la mezcla de PUD#65215A con NeoCryl® XK-12, un acrílico a base de agua, frecuentemente utilizado como componente para PUDs a base de agua de curado UV en el mercado de la ebanistería y la carpintería. Para este mercado, la prueba de tinción KCMA se considera el estándar. Dependiendo de la aplicación final, algunos productos químicos serán más importantes que otros para el fabricante del artículo recubierto. Una calificación de 5 es la mejor y una de 1 la peor.
Como se muestra en la Tabla 3, el PUD n.° 65215A presenta un rendimiento excepcional en las pruebas de tinción KCMA como barniz de alto brillo, barniz de bajo brillo y como recubrimiento pigmentado. Incluso al mezclarlo en proporción 1:1 con acrílico, la prueba de tinción KCMA no se ve afectada significativamente. Incluso al teñirlo con agentes como la mostaza, el recubrimiento se recuperó a un nivel aceptable después de 24 horas.
TABLA 3 | Resistencia química y a las manchas (la calificación 5 es la mejor).
Además de la prueba de tinción KCMA, los fabricantes también realizan pruebas de curado inmediatamente después del curado UV. A menudo, los efectos de la mezcla acrílica se notan inmediatamente después de la línea de curado en esta prueba. Se espera que no se produzcan perforaciones del recubrimiento después de 20 frotamientos dobles con alcohol isopropílico (20 IPA dr). Las muestras se analizan 1 minuto después del curado UV. En nuestras pruebas, observamos que una mezcla 1:1 de PUD# 65215A con acrílico no pasó esta prueba. Sin embargo, sí observamos que PUD # 65215A podía mezclarse con acrílico NeoCryl XK-12 al 25 % y aún 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 analizó la estabilidad del PUD n.° 65215A. Una formulación se considera estable si, tras 4 semanas a 40 °C, el pH no baja de 7 y la viscosidad se mantiene estable con respecto a la inicial. Para nuestras pruebas, decidimos someter las muestras a condiciones más rigurosas, hasta 6 semanas a 50 °C. En estas condiciones, los estándares n.° 1 y n.° 2 no fueron estables.
Para nuestras pruebas, analizamos las formulaciones de alto brillo transparente, de bajo brillo transparente 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 la estabilidad del PUD n.° 65215A consistió en evaluar nuevamente la resistencia a las manchas de KCMA de una formulación de recubrimiento envejecida durante 6 semanas a 50 °C y compararla con su resistencia inicial a las manchas de KCMA. Los recubrimientos que no muestran una buena estabilidad experimentarán una disminución en su resistencia a las manchas. Como se muestra en la Figura 14, el PUD n.° 65215A mantuvo el mismo nivel de rendimiento que en la prueba inicial de resistencia química/a las 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, la PUD n.° 65215A les permitirá cumplir con los estándares de rendimiento actuales en los mercados de la carpintería, la madera y la ebanistería. Además, permitirá que el proceso de recubrimiento experimente mejoras en la velocidad de la línea de producción superiores al 50-60 % con respecto a los recubrimientos a base de agua de curado UV estándar actuales. Para el aplicador, esto puede significar:
●Producción más rápida;
●El aumento del 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 pueden cumplir mejor sus objetivos de COV. Para los fabricantes que puedan tener problemas de expansión debido a problemas con los permisos, el PUD n.° 65215A de liberación rápida de agua les permitirá cumplir con mayor facilidad sus obligaciones regulatorias sin sacrificar el rendimiento.
Al principio de este artículo, citamos, a partir de nuestras entrevistas, que quienes aplican materiales curables por UV a base de solventes suelen secar y curar los recubrimientos en un proceso que tarda entre 3 y 5 minutos. En este estudio, demostramos que, según el proceso mostrado en la Figura 3, el PUD #65215A cura espesores de película húmeda de hasta 7 milésimas de pulgada en 4 minutos con una temperatura de horno de 140 °C. Esto se encuentra dentro del rango de la mayoría de los recubrimientos curables por UV a base de solventes. El PUD #65215A podría permitir a quienes aplican actualmente 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;
●Contar con una 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, la PUD #65215A ayudará a mejorar la eficiencia de fabricación de las líneas de recubrimientos curables por UV a través del alto rendimiento de las 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
