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 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 crecimiento. Las resinas curables por UV a base de agua han demostrado ser una herramienta útil para los fabricantes por diversas razones, entre ellas, superar las pruebas de resistencia química y de manchas de la KCMA y reducir los COV. Para que esta tecnología continúe creciendo en este mercado, se han identificado varios factores clave que requieren mejoras. Estas mejoras permitirán que las resinas curables por UV a base de agua vayan más allá de simplemente cumplir con los requisitos básicos que poseen la mayoría de las resinas. 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 buscan otras propiedades que ofrezcan ventajas en la fabricación, el embalaje y la instalación. Una característica deseable es la mejora de la eficiencia de la planta. Para los recubrimientos a base de agua, esto se traduce en una liberación de agua más rápida y una mayor resistencia al bloqueo. Otra característica deseable es la mejora de la estabilidad de la resina para la captura y reutilización del recubrimiento, así como para la gestión del inventario. Para el usuario final y el instalador, las características deseadas son una mayor resistencia al bruñido y la ausencia de marcas en el metal durante la instalación.
Este artículo aborda los nuevos avances en poliuretanos de base acuosa curables por UV, que ofrecen una estabilidad de pintura a 50 °C muy superior, tanto en recubrimientos transparentes como pigmentados. También explica cómo estas resinas satisfacen las necesidades del aplicador, aumentando la velocidad de la línea de producción gracias a una rápida liberación de agua, una mayor resistencia al bloqueo y a los solventes, lo que agiliza las operaciones de apilamiento y empaquetado. Esto, además, reduce los daños que a veces se producen durante la aplicación. El artículo también analiza las mejoras demostradas en la resistencia a las manchas y a los productos químicos, aspectos importantes para instaladores y propietarios.
Fondo
El panorama de la industria de recubrimientos está en constante evolución. El mero cumplimiento de las especificaciones a un precio razonable por milésima de pulgada aplicada ya no es suficiente. El sector de los recubrimientos aplicados en fábrica para gabinetes, carpintería, pisos y muebles está cambiando rápidamente. Se exige a los formuladores que suministran recubrimientos a las fábricas que desarrollen productos más seguros para la aplicación por parte de los empleados, que eliminen sustancias de alta preocupación, que reemplacen los COV con agua e incluso que utilicen menos carbono fósil y más biocarbono. La realidad es que, a lo largo de toda la cadena de valor, cada cliente exige que el recubrimiento ofrezca más que el simple cumplimiento de las especificaciones.
Al ver una oportunidad para generar más valor para la fábrica, nuestro equipo comenzó a investigar, a nivel de fábrica, los desafíos a los que se enfrentaban estos aplicadores. Tras numerosas entrevistas, empezamos a identificar algunos temas comunes:
- Los obstáculos que existen están impidiendo mis objetivos de expansión;
- Los costes están aumentando y nuestros presupuestos de capital están disminuyendo;
- Los costes tanto de la energía como del personal están aumentando;
- Pérdida de empleados con experiencia;
- Nuestros objetivos corporativos de gastos generales y administrativos, así como los de mi cliente, deben cumplirse; y
- Competencia en el extranjero.
Estos temas dieron lugar a declaraciones de propuesta 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 la ebanistería, tales como: “los fabricantes de carpintería y ebanistería buscan mejoras en la eficiencia de la fábrica” y “los fabricantes desean la capacidad de expandir 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 para recubrimientos, las mejoras en ciertos atributos y propiedades físicas del recubrimiento generan eficiencias que pueden ser aprovechadas por el usuario final.
TABLA 1 | Atributos y beneficios.
Al diseñar poliuretanos fotocurables con UV con los atributos que se indican en la Tabla 1, los fabricantes de productos 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 en aplicaciones industriales dispersiones de poliuretano aniónico con grupos acrilato unidos al polímero.1 Muchas de estas aplicaciones se centraron en envases, tintas y recubrimientos para madera. La figura 1 muestra la estructura genérica de una dispersión de poliuretano (PUD) curable por UV, ilustrando el diseño de estas materias primas para recubrimientos.
FIGURA 1 | Dispersión genérica de poliuretano funcionalizado 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 hidrofílicos y extensores de cadena típicos empleados en la elaboración de dispersiones de poliuretano.² La diferencia radica en la adición de un éster funcional acrílico, epoxi o éteres, incorporados en la etapa de prepolímero durante la preparación 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 materias primas y procesamiento dan lugar a PUD curables por UV que pueden ser formadoras de película o no.³ Las PUD formadoras de película, o de secado rápido, son el tema de este artículo.
El proceso de formación de película, o secado, como se le suele llamar, produce películas coalescentes que están secas al tacto antes del curado UV. Dado que los aplicadores desean limitar la contaminación del recubrimiento por partículas en suspensión, así como agilizar el proceso de producción, estas películas suelen secarse en hornos como parte de un proceso continuo previo al curado UV. La figura 2 muestra el proceso típico de secado y curado de un poliuretano de curado UV.
FIGURA 2 | Proceso para curar un PUD curable por UV.
El método de aplicación más común es la pulverización. Sin embargo, también se han utilizado la aplicación con espátula sobre rodillo e incluso la aplicación por inundación. Una vez aplicada, la pintura suele someterse a un proceso de cuatro pasos antes de volver a manipularse.
1. Flash: Esto se puede hacer a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas durante varios segundos o un par de minutos.
2. Secado en horno: En esta etapa se eliminan el agua y los cosolventes del recubrimiento. Este paso es fundamental y suele ser el que más tiempo consume en el proceso. Generalmente se realiza a temperaturas superiores a 60 °C (140 °F) y dura hasta 8 minutos. También se pueden utilizar hornos de secado multizona.
- Lámpara infrarroja y circulación de aire: La instalación de lámparas infrarrojas y ventiladores acelerará aún más el destello del agua.
3. Curado UV.
4. Enfriamiento: Una vez curado, el recubrimiento necesitará reposar durante un tiempo para lograr la resistencia al bloqueo. Este paso puede tardar hasta 10 minutos.
Experimental
Este estudio comparó dos poliuretanos de curado UV (UV de cuerpo entero), actualmente utilizados en la industria de la ebanistería, con nuestro nuevo desarrollo, el poliuretano n.° 65215A. En este estudio, comparamos los estándares n.° 1 y n.° 2 con el poliuretano n.° 65215A en cuanto a secado, bloqueo y resistencia química. También evaluamos la estabilidad del pH y la estabilidad de la viscosidad, factores críticos para la reutilización del exceso de pulverización y la vida útil. La tabla 2 muestra las propiedades físicas de cada una de las resinas utilizadas 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 cosolvente.
TABLA 2 | Propiedades de la resina PUD.
En nuestras entrevistas, nos indicaron que la mayoría de los recubrimientos UV de base acuosa (WB-UV) para carpintería y ebanistería se secan en línea de producción, lo que tarda entre 5 y 8 minutos antes del curado UV. En cambio, una línea de recubrimientos UV de base solvente (SB-UV) seca en 3 a 5 minutos. Además, en este mercado, los recubrimientos se aplican generalmente con un espesor húmedo de 4 a 5 mils. Una desventaja importante de los recubrimientos UV de base acuosa, en comparación con las alternativas UV de base solvente, es el tiempo que tarda el agua en evaporarse en la línea de producción.⁴ Si el agua no se ha evaporado correctamente del recubrimiento antes del curado UV, se producirán defectos en la película, como manchas blancas. 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 curado UV con solventes. La figura 3 muestra el programa de aplicación, secado, curado y empaquetado 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 carpintería y ebanistería.
FIGURA 3 | Programa de aplicación, secado, curado y embalaje.
A continuación se detallan las condiciones de aplicación y curado que utilizamos para nuestro estudio:
●Aplicación por pulverización sobre chapa de arce con una capa base negra.
●Parpadeo a temperatura ambiente de 30 segundos.
●Horno de secado a 140 °F durante 2,5 minutos (horno de convección).
●Curado UV – intensidad de aproximadamente 800 mJ/cm2.
- Los barnices transparentes se curaron utilizando una lámpara de mercurio.
- Los recubrimientos pigmentados se curaron utilizando una lámpara combinada de Hg/Ga.
●Dejar enfriar durante 1 minuto antes de apilar.
Para nuestro estudio, también aplicamos tres espesores diferentes de película húmeda para comprobar si se obtendrían otras ventajas, como un menor número de capas. El espesor típico para la pintura UV de base acuosa es de 4 mils (10,16 mm). En este estudio también incluimos aplicaciones de recubrimiento húmedo de 6 y 8 mils (15,26 mm y 20,32 mm).
Resultados de la curación
Los resultados del estándar n.° 1, un barniz transparente de alto brillo, se muestran en la figura 4. El barniz transparente UV WB se aplicó a un tablero de fibra de densidad media (MDF) previamente recubierto con una base negra y curado según el programa mostrado en la figura 3. Con un espesor de 4 mils en húmedo, el barniz cumple con los requisitos. Sin embargo, con aplicaciones de 6 y 8 mils en húmedo, el barniz se agrietó, y el de 8 mils se eliminó fácilmente debido a una deficiente liberación de agua antes del curado UV.
FIGURA 4 | Estándar n.° 1.
Un resultado similar se observa también en el Estándar #2, que se muestra en la Figura 5.
FIGURA 5 | Estándar n.° 2.
Como se muestra en la Figura 6, utilizando el mismo programa de curado que en la Figura 3, la muestra PUD #65215A demostró una mejora considerable en la liberación de agua y el 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 realizaron pruebas adicionales del producto PUD# 65215A en una capa transparente de bajo brillo y en una capa pigmentada sobre el mismo MDF con una base negra para evaluar sus 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 con espesores de 5 y 7 mils, liberó el agua y formó una buena película. Sin embargo, con un espesor de 10 mils, la capa resultó demasiado gruesa para liberar el agua según el programa de secado y curado descrito en la Figura 3.
FIGURA 7 | PUD de bajo brillo #65215A.
En una fórmula pigmentada blanca, el PUD n.° 65215A tuvo un buen desempeño con el mismo programa de secado y curado descrito en la figura 3, excepto cuando se aplicó con un espesor húmedo de 8 mils. Como se muestra en la figura 8, la película se agrieta a 8 mils debido a una deficiente liberación de agua. En general, en formulaciones transparentes, de bajo brillo y pigmentadas, el PUD n.° 65215A tuvo un buen desempeño en la formación de película y en el secado cuando se aplicó hasta 7 mils húmedos y se curó con el programa acelerado de secado y curado descrito en la figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentado #65215A.
Resultados de bloqueo
La resistencia al bloqueo es la capacidad de un recubrimiento para no adherirse a otro artículo recubierto al apilarse. En la fabricación, esto suele ser un cuello de botella si el recubrimiento tarda en alcanzar dicha resistencia tras el curado. Para este estudio, se aplicaron formulaciones pigmentadas de Standard #1 y PUD #65215A sobre vidrio con un espesor de 5 mils húmedos mediante una barra de aplicación. Cada una se curó según el programa de curado de la Figura 3. Dos paneles de vidrio recubiertos se curaron simultáneamente; cuatro minutos después del curado, se sujetaron con abrazaderas, como se muestra en la Figura 9. Permanecieron sujetos a temperatura ambiente durante 24 horas. Si los paneles se separaban fácilmente sin dejar marcas ni dañar el recubrimiento, la prueba se consideraba superada.
La figura 10 ilustra la mayor resistencia al bloqueo del PUD n.° 65215A. Si bien tanto el estándar n.° 1 como el PUD n.° 65215A lograron un curado completo en la prueba anterior, solo el PUD n.° 65215A demostró suficiente liberación de agua y curado para lograr la resistencia al bloqueo.
FIGURA 9 | Ilustración de la prueba de resistencia al 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 de base acuosa con acrílicos para reducir costos. En nuestro estudio, también analizamos la mezcla de PUD#65215A con NeoCryl® XK-12, un acrílico de base acuosa que se utiliza frecuentemente para mezclar con PUDs de base acuosa de curado UV en el sector de carpintería y ebanistería. En este mercado, las pruebas de tinción KCMA se consideran 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 producto PUD #65215A presenta un rendimiento excepcional en las pruebas de tinción KCMA, tanto en acabados transparentes de alto brillo como de bajo brillo, y también como recubrimiento pigmentado. Incluso al mezclarse 1:1 con un acrílico, la prueba de tinción KCMA no se ve afectada drásticamente. Incluso al teñirse con agentes como la mostaza, el recubrimiento recuperó un nivel aceptable después de 24 horas.
TABLA 3 | Resistencia química y a las manchas (la calificación de 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 de acrílicos se observan inmediatamente después del curado en esta prueba. Se espera que no haya fugas en el recubrimiento después de 20 frotaciones dobles con alcohol isopropílico (20 IPA dr). Las muestras se prueban 1 minuto después del curado UV. En nuestras pruebas, observamos que una mezcla 1:1 de PUD n.° 65215A con un acrílico no superó esta prueba. Sin embargo, sí observamos que PUD n.° 65215A podía mezclarse con un 25 % de acrílico NeoCryl XK-12 y aun así superar 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 evaluó la estabilidad de la formulación PUD n.° 65215A. Se considera que una formulación es estable a temperatura ambiente si, tras 4 semanas a 40 °C, el pH no desciende 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 severas, 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 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 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 la tinción con KCMA de una formulación de recubrimiento envejecida durante 6 semanas a 50 °C, comparándola con su resistencia inicial a la tinción con KCMA. Los recubrimientos que no presentan buena estabilidad experimentan una disminución en su resistencia a la tinción. 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 la tinción 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 acuosos de curado UV, la PUD n.° 65215A les permitirá cumplir con los estándares de rendimiento actuales en los mercados de carpintería, madera y 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 acuosos de curado UV estándar actuales. Para el aplicador, esto puede significar:
●Producción más rápida;
●Un mayor espesor de la película reduce la necesidad de capas adicionales;
●Tiras de secado más cortas;
●Ahorro de energía debido a la reducción de las necesidades de secado;
●Menos desperdicio debido a la rápida resistencia al bloqueo;
●Reducción de residuos de recubrimiento gracias a la estabilidad de la resina.
Con un contenido de COV inferior a 100 g/L, los fabricantes pueden cumplir mejor sus objetivos en materia de COV. Para aquellos fabricantes que puedan tener dificultades para expandirse debido a problemas con los permisos, el sistema de liberación rápida de agua PUD n.° 65215A les permitirá cumplir más fácilmente con sus obligaciones normativas sin sacrificar el rendimiento.
Al inicio de este artículo, citamos nuestras entrevistas indicando que los aplicadores de materiales curables por UV con base solvente generalmente secan y curan los recubrimientos en un proceso que dura entre 3 y 5 minutos. En este estudio, hemos demostrado que, según el proceso mostrado en la Figura 3, el producto PUD #65215A cura películas húmedas de hasta 7 mils de espesor en 4 minutos a una temperatura de horno de 140 °C. Esto se encuentra dentro del rango de la mayoría de los recubrimientos curables por UV con base solvente. El producto PUD #65215A podría permitir a los aplicadores actuales de materiales curables por UV con base solvente cambiar a un material curable por UV con base acuosa con mínimas modificaciones en su línea de recubrimiento.
Para los fabricantes que estén considerando ampliar su producción, los recubrimientos basados en la PUD n.° 65215A les permitirán:
●Ahorre dinero utilizando una línea de recubrimiento a base de agua más corta;
●Contar con una línea de recubrimiento de menor tamaño en las instalaciones;
●Tienen un impacto reducido en el permiso actual de COV;
●Consiga ahorros de energía gracias a la reducción de las necesidades de secado.
En conclusión, el PUD #65215A ayudará a mejorar la eficiencia de fabricación de las líneas de recubrimientos curables por UV gracias a su alto rendimiento en propiedades físicas y a las características de rápida liberación de agua de la resina cuando se seca a 140 °C.
Fecha de publicación: 14 de agosto de 2024
