Los recubrimientos curables por UV de alto rendimiento 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, incluyendo la superación de las pruebas de 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. Estas mejoras permitirán que las resinas curables por UV a base de agua vayan más allá de simplemente poseer las características básicas que tienen la mayoría de las resinas. Comenzarán a agregar propiedades valiosas al recubrimiento, aportando valor a cada eslabón de la cadena de valor, desde el formulador del recubrimiento hasta el aplicador de fábrica, el instalador y, finalmente, el propietario.
Los fabricantes, especialmente hoy en día, buscan un recubrimiento que ofrezca más que solo cumplir con las especificaciones. Existen otras propiedades que brindan beneficios en la fabricación, el empaque y la instalación. Una característica deseada es la mejora de la eficiencia de la planta. Para el recubrimiento a base de agua, esto se traduce en una liberación de agua más rápida y una mayor resistencia al bloqueo. Otra característica deseada es la mejora de la estabilidad de la resina para la recuperación/reutilización del recubrimiento y la gestión de su inventario. Para el usuario final y el instalador, las características deseadas son una mayor resistencia al desgaste y la ausencia de marcas metálicas durante la instalación.
Este artículo analiza los nuevos avances en poliuretanos de base acuosa curables por UV que ofrecen una estabilidad de pintura a 50 °C significativamente mejorada, tanto en recubrimientos transparentes como pigmentados. También explica cómo estas resinas satisfacen las necesidades del aplicador de recubrimientos, aumentando la velocidad de la línea de producción gracias a una rápida liberación de agua, una mayor resistencia al bloqueo y una mayor resistencia a los disolventes fuera de la línea, lo que agiliza las operaciones de apilamiento y empaquetado. Esto también reduce los daños que a veces se producen fuera de la línea. Asimismo, este artículo aborda 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 simple hecho de cumplir con las especificaciones a un precio razonable por milímetro aplicado ya no es suficiente. El panorama de los recubrimientos aplicados en fábrica a gabinetes, carpintería, pisos y muebles está cambiando rápidamente. A los formuladores que suministran recubrimientos a las fábricas se les exige que los recubrimientos sean 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 toda la cadena de valor, cada cliente exige que el recubrimiento ofrezca más que solo cumplir con las especificaciones.
Al ver una oportunidad para generar más valor para la fábrica, nuestro equipo comenzó a investigar a nivel de fábrica los desafíos que enfrentaban estos aplicadores. Después de muchas entrevistas, comenzamos a escuchar algunos temas comunes:
- Los obstáculos que se están imponiendo impiden que logre 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 generales y administrativos, así como los de mi cliente, deben cumplirse; y
- Competencia en el extranjero.
Estos temas dieron lugar a propuestas de valor que empezaron a calar entre los aplicadores de poliuretanos curables por UV a base de agua, especialmente en el sector de la carpintería y la ebanistería, como por ejemplo: «los fabricantes de carpintería y ebanistería buscan mejorar la eficiencia de sus fábricas» y «los fabricantes desean poder ampliar la producción en líneas de producción más cortas con menos daños por retrabajo gracias 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 pueden ser aprovechadas por el usuario final.
TABLA 1 | Atributos y beneficios.
Al diseñar sistemas de poliuretano fotopolimerizables (PUD) con ciertas características, como se detalla en la Tabla 1, los fabricantes 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 una estructura genérica de una dispersión de poliuretano fotopolimerizable, lo que demuestra cómo se diseñan 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 (PUDs curables por UV) están compuestas por los componentes típicos utilizados para fabricar dispersiones de poliuretano. Los diisocianatos alifáticos reaccionan con los ésteres, dioles, grupos hidrófilos y extensores de cadena típicos utilizados para fabricar dispersiones de poliuretano.² La diferencia radica en la adición de un éster funcional de acrilato, epoxi o éteres incorporados en la etapa de prepolimerización durante la fabricación de la dispersión. La elección de los materiales utilizados como bloques de construcción, así como la arquitectura del polímero y el procesamiento, determinan el rendimiento y las características de secado de una PUD. Estas elecciones en materias primas y procesamiento darán lugar a PUDs curables por UV que pueden ser no formadoras de película, así como a aquellas que sí lo son.³ Los tipos formadores de película, o de secado, 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 el aire, así como la necesidad de rapidez en su proceso de producción, estas películas 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 recubrimiento PUD curable con UV.
FIGURA 2 | Proceso para curar un PUD curable con luz UV.
El método de aplicación más común es la pulverización. Sin embargo, también se han utilizado la aplicación con espátula sobre rodillo e incluso el recubrimiento 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 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 una temperatura superior a 60 °C (140 °F) y dura hasta 8 minutos. También se pueden utilizar hornos de secado multizona.
- Lámparas infrarrojas y ventilación: La instalación de lámparas infrarrojas y ventiladores acelerará aún más el proceso de secado del agua.
3. Curado UV.
4. Enfriamiento: Una vez curado, el recubrimiento necesitará un tiempo de curado para lograr resistencia al bloqueo. Este paso puede tardar hasta 10 minutos antes de que se alcance la resistencia al bloqueo.
Experimental
Este estudio comparó dos PUDs curables por UV (WB UV), actualmente utilizados 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 cruciales al considerar la reutilización del exceso de pulverización y la vida útil. La Tabla 2 muestra a continuación 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 informaron que la mayoría de los recubrimientos UV a base de agua en los mercados de carpintería y ebanistería se secan en una línea de producción, lo que tarda entre 5 y 8 minutos antes del curado UV. En cambio, una línea UV a base de solvente (SB-UV) se seca en 3 a 5 minutos. Además, para este mercado, los recubrimientos suelen aplicarse con un espesor de película húmeda de 4 a 5 mils. Una desventaja importante de los recubrimientos UV a base de agua, en comparación con las alternativas UV a base de solvente, es el tiempo que se tarda en eliminar el agua en una línea de producción.⁴ Si el agua no se ha eliminado correctamente del recubrimiento antes del curado UV, pueden aparecer defectos en la película, como manchas blancas. Esto también puede ocurrir si el espesor de la película húmeda es excesivo. Estas manchas blancas se crean cuando el agua queda atrapada dentro de la película durante el curado UV.⁵
Para este estudio, seleccionamos un programa de curado similar al que se utilizaría en una línea de curado UV con base solvente. La Figura 3 muestra el programa de aplicación, secado, curado y empaquetado que utilizamos en nuestro estudio. 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 envasado.
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.
●Destello a temperatura ambiente de 30 segundos.
●Horno de secado a 140 °F durante 2,5 minutos (horno de convección).
●Curado UV: intensidad aproximada de 800 mJ/cm2.
- Los recubrimientos transparentes se curaron utilizando una lámpara de mercurio.
- Los recubrimientos pigmentados se curaron utilizando una lámpara combinada de Hg/Ga.
●Enfriamiento de 1 minuto antes de apilar.
Para nuestro estudio, también aplicamos tres espesores diferentes de película húmeda para comprobar si se obtenían otras ventajas, como un menor número de capas. El espesor típico para la pintura UV a base de agua es de 4 milésimas de pulgada. En este estudio, también incluimos aplicaciones de recubrimiento húmedo de 6 y 8 milésimas de pulgada.
Resultados de la cura
Los resultados del estándar n.° 1, un recubrimiento transparente de alto brillo, se muestran en la figura 4. El recubrimiento transparente WB UV 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. Con un espesor de 4 milésimas de pulgada en húmedo, el recubrimiento cumple con los requisitos. Sin embargo, con un espesor de 6 y 8 milésimas de pulgada en húmedo, el recubrimiento se agrietó, y el de 8 milésimas de pulgada se eliminó fácilmente debido a la escasa liberación de agua antes del curado UV.
FIGURA 4 | Estándar n.° 1.
Un resultado similar se observa también en el Estándar n.º 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, el PUD n.° 65215A demostró una notable mejora 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 PUD# 65215A en un recubrimiento transparente de bajo brillo y en 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, con una aplicación húmeda de 10 mils, el espesor era demasiado grande para liberar el agua según el programa de secado y curado de la Figura 3.
FIGURA 7 | PUD de bajo brillo n.° 65215A.
En una fórmula con pigmento blanco, PUD #65215A tuvo un buen desempeño con el mismo programa de secado y curado descrito en la Figura 3, excepto cuando se aplicó a 8 mils húmedos. Como se muestra en la Figura 8, la película se agrieta a 8 mils debido a una liberación deficiente de agua. En general, en formulaciones transparentes, de bajo brillo y pigmentadas, PUD #65215A tuvo un buen desempeño en la formación de película y el secado cuando se aplicó hasta 7 mils húmedos 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 para no adherirse a otro artículo recubierto cuando se apilan. En la fabricación, esto suele ser un cuello de botella si el recubrimiento tarda en alcanzar la resistencia al bloqueo. Para este estudio, se aplicaron formulaciones pigmentadas de Standard #1 y PUD #65215A sobre vidrio a 5 mils húmedos utilizando una barra de extensión. Cada una se curó según el programa de curado de la Figura 3. Dos paneles de vidrio recubiertos se curaron al mismo tiempo; 4 minutos después del curado, los paneles se sujetaron juntos, como se muestra en la Figura 9. Permanecieron sujetos juntos a temperatura ambiente durante 24 horas. Si los paneles se separaban fácilmente sin dejar marcas ni daños en los paneles recubiertos, la prueba se consideraba superada.
La figura 10 ilustra la resistencia al bloqueo mejorada del PUD n.° 65215A. Aunque 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 resistencia al bloqueo.
FIGURA 9 | Ilustración de la prueba de resistencia al bloqueo.
FIGURA 10 | Resistencia de bloqueo del estándar n.° 1, seguido de PUD n.° 65215A.
Resultados de la mezcla de acrílicos
Los fabricantes de recubrimientos suelen mezclar resinas de curado UV a base de agua 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 de mezclas para recubrimientos PUD a base de agua de curado UV en el mercado de la carpintería y la ebanistería. 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 calificación de 1 es la peor.
Como se muestra en la Tabla 3, PUD #65215A ofrece un rendimiento excepcional en la prueba de tinción KCMA, tanto en su versión transparente de alto brillo como en la de bajo brillo, y también como recubrimiento pigmentado. Incluso al mezclarse en proporción 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 (una calificación de 5 es la mejor).
Además de la prueba de tinción KCMA, los fabricantes también prueban el curado inmediatamente después del curado UV fuera de la línea. A menudo, los efectos de la mezcla de acrílico se notan inmediatamente después del curado en esta prueba. Se espera que no haya penetración del recubrimiento después de 20 frotamientos dobles con alcohol isopropílico (20 IPA dr). Las muestras se prueban 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 podía mezclarse con un 25 % de acrílico NeoCryl XK-12 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 evaluó la estabilidad de PUD #65215A. Una formulación se considera estable a temperatura ambiente si, tras cuatro semanas a 40 °C, el pH no desciende por debajo 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 seis semanas a 50 °C. En estas condiciones, los estándares #1 y #2 no resultaron 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 #65215A formulado.
FIGURA 13 | Estabilidad de la viscosidad del PUD #65215A formulado.
Otra prueba que demostró la estabilidad del PUD n.° 65215A consistió en volver a evaluar la resistencia a las manchas de KCMA de una formulación de recubrimiento envejecida durante 6 semanas a 50 °C, comparándola con su resistencia inicial a las manchas de KCMA. Los recubrimientos que no presentan buena estabilidad muestran 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 n.° 65215A.
Conclusiones
Para los aplicadores de recubrimientos a base de agua curables por UV, la PUD n.° 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 de producción de más del 50-60 % con respecto a los recubrimientos a base de agua curables por UV estándar actuales. Para el aplicador, esto puede significar:
●Producción más rápida;
●Un mayor espesor de la película reduce la necesidad de aplicar capas adicionales;
●Cadenas de secado más cortas;
●Ahorro de energía gracias a la reducción de las necesidades de secado;
●Menos desperdicio debido a la rápida resistencia al bloqueo;
●Reducción de los residuos de recubrimiento gracias a la estabilidad de la resina.
Con niveles de COV inferiores a 100 g/L, los fabricantes también pueden cumplir mejor con sus objetivos de COV. Para aquellos fabricantes que puedan tener inquietudes sobre la expansión debido a problemas con los permisos, el sistema PUD #65215A de liberación rápida de agua les permitirá cumplir más fácilmente con sus obligaciones regulatorias sin sacrificar el rendimiento.
Al inicio de este artículo, citamos nuestras entrevistas indicando que los aplicadores de materiales curables por UV a base de solventes suelen secar y curar 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, PUD #65215A cura espesores de película húmeda de hasta 7 mils 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. PUD #65215A podría 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 ampliar su 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 menor superficie ocupada por la línea de recubrimiento en las instalaciones;
●Tienen un impacto reducido en el permiso actual de COV;
●Ahorre energía gracias a la reducción de las necesidades de secado.
En conclusión, el PUD #65215A contribuirá a mejorar la eficiencia de fabricación de las líneas de recubrimientos curables por UV gracias al alto rendimiento de sus 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
