Revestimentos curáveis por UV de alto desempenho têm sido usados na fabricação de pisos, móveis e armários há muitos anos. Durante a maior parte desse tempo, os revestimentos curáveis por UV 100% sólidos e à base de solvente têm sido a tecnologia dominante no mercado. Nos últimos anos, a tecnologia de revestimento curável por UV à base de água cresceu. As resinas curáveis por UV à base de água provaram ser uma ferramenta útil para os fabricantes por vários motivos, incluindo aprovação na coloração KCMA, testes de resistência química e redução de VOCs. Para que esta tecnologia continue a crescer neste mercado, vários fatores foram identificados como áreas-chave onde é necessário fazer melhorias. Isso levará as resinas curáveis por UV à base de água além de simplesmente ter os itens “obrigatórios” que a maioria das resinas possui. Eles começarão a agregar propriedades valiosas ao revestimento, agregando valor a cada posição ao longo da cadeia de valor, do formulador do revestimento ao aplicador da fábrica, ao instalador e, finalmente, ao proprietário.
Os fabricantes, especialmente hoje, desejam um revestimento que faça mais do que apenas atender às especificações. Existem também outras propriedades que proporcionam benefícios na fabricação, embalagem e instalação. Um atributo desejado são melhorias na eficiência da planta. Para o revestimento à base de água, isso significa uma liberação mais rápida de água e uma resistência ao bloqueio mais rápida. Outro atributo desejado é melhorar a estabilidade da resina para captura/reutilização de um revestimento e gerenciamento de seu estoque. Para o usuário final e instalador, os atributos desejados são melhor resistência ao polimento e nenhuma marcação metálica durante a instalação.
Este artigo discutirá novos desenvolvimentos em poliuretanos curáveis por UV à base de água que oferecem estabilidade de tinta muito melhorada a 50 °C em revestimentos transparentes e pigmentados. Ele também discute como essas resinas atendem aos atributos desejados do aplicador de revestimento no aumento da velocidade da linha por meio da rápida liberação de água, maior resistência ao bloqueio e resistência a solventes fora da linha, o que melhora a velocidade nas operações de empilhamento e embalagem. Isso também melhorará os danos off-line que às vezes ocorrem. Este artigo também discute melhorias demonstradas na resistência a manchas e produtos químicos, importantes para instaladores e proprietários.
Fundo
O cenário da indústria de revestimentos está em constante evolução. O “must have” de apenas passar a especificação a um preço razoável por mil aplicado simplesmente não é suficiente. O cenário para revestimentos aplicados em fábrica em armários, marcenaria, pisos e móveis está mudando rapidamente. Solicita-se aos formuladores que fornecem revestimentos às fábricas que tornem os revestimentos mais seguros para os funcionários aplicarem, removam substâncias altamente preocupantes, substituam os COV por água e até utilizem menos carbono fóssil e mais biocarbono. A realidade é que ao longo de toda a cadeia de valor, cada cliente pede ao revestimento que faça mais do que apenas cumprir as especificações.
Vendo uma oportunidade de criar mais valor para a fábrica, nossa equipe começou a investigar no nível da fábrica os desafios que esses aplicadores enfrentavam. Depois de muitas entrevistas começamos a ouvir alguns temas comuns:
- Permitir obstáculos está impedindo meus objetivos de expansão;
- Os custos estão a aumentar e os nossos orçamentos de capital estão a diminuir;
- Os custos de energia e de pessoal estão a aumentar;
- Perda de funcionários experientes;
- Nossas metas corporativas de SG&A, bem como as do meu cliente, devem ser cumpridas; e
- Competição no exterior.
Esses temas levaram a declarações de propostas de valor que começaram a repercutir entre os aplicadores de poliuretanos curáveis por UV à base de água, especialmente no mercado de marcenaria e marcenaria, como: “os fabricantes de marcenaria e marcenaria estão buscando melhorias na eficiência da fábrica” e “os fabricantes queremos a capacidade de expandir a produção em linhas de produção mais curtas com menos danos de retrabalho devido aos revestimentos com propriedades de liberação lenta de água.”
A Tabela 1 ilustra como, para o fabricante de matérias-primas de revestimentos, melhorias em determinados atributos e propriedades físicas do revestimento levam a eficiências que podem ser obtidas pelo usuário final.
TABELA 1 | Atributos e benefícios.
Ao projetar PUDs curáveis por UV com determinados atributos listados na Tabela 1, os fabricantes de uso final serão capazes de atender às suas necessidades de melhoria da eficiência da planta. Isto lhes permitirá ser mais competitivos e potencialmente permitir-lhes expandir a produção atual.
Resultados Experimentais e Discussão
História das dispersões de poliuretano curáveis por UV
Na década de 1990, os usos comerciais de dispersões aniônicas de poliuretano contendo grupos acrilato ligados ao polímero começaram a ser utilizados em aplicações industriais.1 Muitas dessas aplicações foram em embalagens, tintas e revestimentos de madeira. A Figura 1 mostra uma estrutura genérica de um PUD curável por UV, demonstrando como essas matérias-primas de revestimento são projetadas.
FIGURA 1 | Dispersão genérica de poliuretano funcional de acrilato.3
Conforme mostrado na Figura 1, as dispersões de poliuretano curáveis por UV (PUDs curáveis por UV) são compostas de componentes típicos usados para fazer dispersões de poliuretano. Os diisocianatos alifáticos reagem com os ésteres, dióis, grupos de hidrofilização e extensores de cadeia típicos usados para fazer dispersões de poliuretano.2 A diferença é a adição de um éster funcional de acrilato, epóxi ou éteres incorporados na etapa de pré-polímero enquanto se faz a dispersão . A escolha dos materiais usados como blocos de construção, bem como a arquitetura e o processamento do polímero determinam o desempenho e as características de secagem de um PUD. Essas escolhas de matérias-primas e processamento levarão a PUDs curáveis por UV que podem não formar filme, bem como aqueles que formam filme.3 Os tipos formadores de filme, ou tipos de secagem, são o assunto deste artigo.
A formação de filme, ou secagem, como é frequentemente chamada, produzirá filmes coalescidos que ficam secos ao toque antes da cura UV. Como os aplicadores desejam limitar a contaminação do revestimento pelo ar devido a partículas, bem como a necessidade de rapidez no seu processo de produção, estes são frequentemente secos em fornos como parte de um processo contínuo antes da cura UV. A Figura 2 mostra o processo típico de secagem e cura de um PUD curável por UV.
FIGURA 2 | Processo para curar um PUD curável por UV.
O método de aplicação utilizado é normalmente spray. No entanto, foram utilizados faca sobre rolo e até mesmo revestimento de inundação. Uma vez aplicado, o revestimento geralmente passa por um processo de quatro etapas antes de ser manuseado novamente.
1.Flash: Isso pode ser feito em temperatura ambiente ou elevada por vários segundos a alguns minutos.
2. Secagem no forno: É aqui que a água e os co-solventes são eliminados do revestimento. Esta etapa é crítica e geralmente consome mais tempo em um processo. Esta etapa geralmente ocorre a >140 °F e dura até 8 minutos. Fornos de secagem multizonas também podem ser utilizados.
- Lâmpada IR e movimento do ar: A instalação de lâmpadas IR e ventiladores de movimento do ar acelerará o flash da água ainda mais rápido.
3. Cura UV.
4.Frio: Uma vez curado, o revestimento precisará curar por algum tempo para obter resistência ao bloqueio. Esta etapa pode levar até 10 minutos antes que a resistência de bloqueio seja alcançada
Experimental
Este estudo comparou dois PUDs curáveis por UV (WB UV), atualmente utilizados no mercado de marcenaria e marcenaria, com nosso novo desenvolvimento, PUD # 65215A. Neste estudo comparamos o Padrão nº 1 e o Padrão nº 2 com o PUD nº 65215A em termos de secagem, bloqueio e resistência química. Também avaliamos a estabilidade do pH e a estabilidade da viscosidade, o que pode ser crítico ao considerar a reutilização do excesso de pulverização e o prazo de validade. Abaixo são mostradas na Tabela 2 as propriedades físicas de cada uma das resinas utilizadas neste estudo. Todos os três sistemas foram formulados para nível de fotoiniciador, VOCs e nível de sólidos semelhantes. Todas as três resinas foram formuladas com 3% de co-solvente.
TABELA 2 | Propriedades da resina PUD.
Fomos informados em nossas entrevistas que a maioria dos revestimentos WB-UV nos mercados de marcenaria e marcenaria secam em uma linha de produção, o que leva de 5 a 8 minutos antes da cura UV. Por outro lado, uma linha UV à base de solvente (SB-UV) seca em 3-5 minutos. Além disso, para este mercado, os revestimentos são normalmente aplicados a 4-5 mils úmidos. Uma grande desvantagem dos revestimentos curáveis por UV à base de água quando comparados com alternativas à base de solvente curáveis por UV é o tempo que leva para a água borbulhar em uma linha de produção.4 Defeitos no filme, como manchas brancas, ocorrerão se a água não tiver sido borrifada adequadamente do revestimento antes da cura UV. Isto também pode ocorrer se a espessura da película úmida for muito alta. Essas manchas brancas são criadas quando a água fica presa dentro do filme durante a cura UV.5
Para este estudo escolhemos um cronograma de cura semelhante ao que seria utilizado em uma linha à base de solvente curável por UV. A Figura 3 mostra nosso cronograma de aplicação, secagem, cura e embalagem usado em nosso estudo. Este cronograma de secagem representa uma melhoria de 50% a 60% na velocidade geral da linha em relação ao padrão atual do mercado em aplicações de marcenaria e marcenaria.
FIGURA 3 | Cronograma de aplicação, secagem, cura e embalagem.
Abaixo estão as condições de aplicação e cura que usamos em nosso estudo:
●Aplicação por pulverização sobre folheado de bordo com base preta.
● Flash de temperatura ambiente de 30 segundos.
● Estufa de secagem a 140 °F por 2,5 minutos (forno de convecção).
●Cura UV – intensidade de cerca de 800 mJ/cm2.
- Os revestimentos transparentes foram curados usando uma lâmpada de Hg.
- Os revestimentos pigmentados foram curados usando uma lâmpada combinada de Hg/Ga.
●1 minuto de resfriamento antes de empilhar.
Para o nosso estudo também pulverizamos três espessuras diferentes de película úmida para ver se outras vantagens, como menos demãos, também seriam obtidas. 4 mils úmido é o típico para WB UV. Para este estudo também incluímos aplicações de revestimento úmido de 6 e 8 mils.
Resultados de cura
Padrão nº 1, um revestimento transparente de alto brilho, os resultados são mostrados na Figura 4. O revestimento transparente WB UV foi aplicado em placa de fibra de média densidade (MDF) previamente revestida com uma camada de base preta e curada de acordo com o cronograma mostrado na Figura 3. A 4 mils molhado o revestimento passa. No entanto, na aplicação úmida de 6 e 8 mils, o revestimento rachou e 8 mils foi facilmente removido devido à fraca liberação de água antes da cura UV.
FIGURA 4 | Padrão nº 1.
Um resultado semelhante também é visto no Padrão #2, mostrado na Figura 5.
FIGURA 5 | Padrão nº 2.
Mostrado na Figura 6, usando o mesmo cronograma de cura da Figura 3, o PUD #65215A demonstrou uma tremenda melhoria na liberação/secagem de água. A uma espessura de película húmida de 8 mils, foram observadas ligeiras fissuras na borda inferior da amostra.
FIGURA 6 | PUD #65215A.
Testes adicionais de PUD# 65215A em um revestimento transparente de baixo brilho e revestimento pigmentado sobre o mesmo MDF com uma camada de base preta foram avaliados para avaliar as características de liberação de água em outras formulações de revestimento típicas. Conforme mostrado na Figura 7, a formulação de baixo brilho na aplicação úmida de 5 e 7 mils liberou a água e formou uma boa película. No entanto, a 10 mils de umidade, era muito espesso para liberar a água no cronograma de secagem e cura da Figura 3.
FIGURA 7 | PUD de baixo brilho nº 65215A.
Em uma fórmula pigmentada de branco, o PUD #65215A teve um bom desempenho no mesmo cronograma de secagem e cura descrito na Figura 3, exceto quando aplicado a 8 mils úmidos. Conforme mostrado na Figura 8, o filme racha a 8 mils devido à fraca liberação de água. No geral, em formulações transparentes, de baixo brilho e pigmentadas, o PUD# 65215A teve um bom desempenho na formação de filme e na secagem quando aplicado até 7 mils úmido e curado no cronograma de secagem e cura acelerada descrito na Figura 3.
FIGURA 8 | PUD pigmentado #65215A.
Bloqueio de resultados
A resistência ao bloqueio é a capacidade de um revestimento não aderir a outro artigo revestido quando empilhado. Na fabricação, isso costuma ser um gargalo se levar tempo para que um revestimento curado atinja resistência ao bloqueio. Para este estudo, as formulações pigmentadas do Padrão #1 e PUD #65215A foram aplicadas ao vidro a 5 mils úmidos usando uma barra de rebaixamento. Cada um deles foi curado de acordo com o cronograma de cura na Figura 3. Dois painéis de vidro revestidos foram curados ao mesmo tempo - 4 minutos após a cura, os painéis foram fixados juntos, conforme mostrado na Figura 9. Eles permaneceram presos juntos à temperatura ambiente por 24 horas . Se os painéis fossem facilmente separados sem marcas ou danos nos painéis revestidos, o teste era considerado aprovado.
A Figura 10 ilustra a resistência de bloqueio aprimorada do PUD# 65215A. Embora tanto o Padrão #1 quanto o PUD #65215A tenham alcançado a cura completa no teste anterior, apenas o PUD #65215A demonstrou liberação de água e cura suficientes para alcançar resistência ao bloqueio.
FIGURA 9 | Ilustração do teste de resistência de bloqueio.
FIGURA 10 | Resistência de bloqueio do Padrão #1, seguido pelo PUD #65215A.
Resultados de mistura acrílica
Os fabricantes de revestimentos costumam misturar resinas WB curáveis por UV com acrílicos para reduzir custos. Para nosso estudo, também analisamos a mistura de PUD#65215A com NeoCryl® XK-12, um acrílico à base de água, frequentemente usado como parceiro de mistura para PUDs à base de água curáveis por UV no mercado de marcenaria e marcenaria. Para este mercado, o teste de coloração KCMA é considerado o padrão. Dependendo da aplicação final, alguns produtos químicos tornar-se-ão mais importantes do que outros para o fabricante do artigo revestido. Uma classificação de 5 é a melhor e uma classificação de 1 é a pior.
Conforme mostrado na Tabela 3, o PUD #65215A tem um desempenho excepcionalmente bom nos testes de coloração KCMA como um verniz de alto brilho, um verniz de baixo brilho e como um revestimento pigmentado. Mesmo quando misturado 1:1 com acrílico, o teste de coloração KCMA não é drasticamente afetado. Mesmo na coloração com agentes como a mostarda, o revestimento recuperou a um nível aceitável após 24 horas.
TABELA 3 | Resistência química e a manchas (classificação 5 é a melhor).
Além do teste de mancha KCMA, os fabricantes também testarão a cura imediatamente após a cura UV sair da linha. Freqüentemente, os efeitos da mistura acrílica serão notados imediatamente fora da linha de cura neste teste. A expectativa é não haver ruptura do revestimento após 20 fricções duplas com álcool isopropílico (20 IPA dr). As amostras são testadas 1 minuto após a cura UV. Em nossos testes, vimos que uma mistura 1:1 de PUD# 65215A com acrílico não passou neste teste. No entanto, vimos que o PUD #65215A poderia ser misturado com 25% de acrílico NeoCryl XK-12 e ainda assim passar no teste 20 IPA dr (NeoCryl é uma marca registrada do grupo Covestro).
FIGURA 11 | 20 fricções duplas de IPA, 1 minuto após a cura UV.
Estabilidade da Resina
A estabilidade do PUD #65215A também foi testada. Uma formulação é considerada estável em armazenamento se após 4 semanas a 40°C, o pH não cair abaixo de 7 e a viscosidade permanecer estável quando comparada com a inicial. Para nossos testes, decidimos submeter as amostras a condições mais severas de até 6 semanas a 50 °C. Nestas condições os Padrões #1 e #2 não eram estáveis.
Para nossos testes, analisamos o transparente de alto brilho e o transparente de baixo brilho, bem como as formulações pigmentadas de baixo brilho usadas neste estudo. Como mostrado na Figura 12, a estabilidade do pH de todas as três formulações permaneceu estável e acima do limite de pH de 7,0. A Figura 13 ilustra a alteração mínima da viscosidade após 6 semanas a 50°C.
FIGURA 12 | Estabilidade de pH do PUD #65215A formulado.
FIGURA 13 | Estabilidade de viscosidade do PUD #65215A formulado.
Outro teste que demonstrou o desempenho de estabilidade do PUD #65215A foi testar novamente a resistência a manchas KCMA de uma formulação de revestimento que foi envelhecida por 6 semanas a 50°C e compará-la com sua resistência inicial a manchas KCMA. Os revestimentos que não apresentam boa estabilidade sofrerão quedas no desempenho da coloração. Conforme mostrado na Figura 14, o PUD# 65215A manteve o mesmo nível de desempenho que no teste inicial de resistência química/manchas do revestimento pigmentado mostrado na Tabela 3.
FIGURA 14 | Painéis de teste químico para PUD pigmentado #65215A.
Conclusões
Para aplicadores de revestimentos à base de água com cura UV, o PUD #65215A lhes permitirá atender aos padrões atuais de desempenho nos mercados de marcenaria, madeira e gabinetes e, além disso, permitirá que o processo de revestimento obtenha melhorias na velocidade da linha para mais de 50 -60% em relação aos revestimentos à base de água curáveis por UV padrão atuais. Para o aplicador isso pode significar:
●Produção mais rápida;
●O aumento da espessura do filme reduz a necessidade de demãos adicionais;
●Linhas de secagem mais curtas;
●Economia de energia devido à redução das necessidades de secagem;
●Menos sucata devido à rápida resistência ao bloqueio;
●Redução do desperdício de revestimento devido à estabilidade da resina.
Com COVs inferiores a 100 g/L, os fabricantes também são mais capazes de cumprir suas metas de COV. Para os fabricantes que podem estar tendo preocupações de expansão devido a questões de licença, o PUD #65215A de liberação rápida de água permitirá que cumpram mais facilmente suas obrigações regulatórias sem sacrifícios de desempenho.
No início deste artigo, citamos em nossas entrevistas que os aplicadores de materiais curáveis por UV à base de solvente normalmente secam e curam revestimentos em um processo que leva de 3 a 5 minutos. Demonstramos neste estudo que, de acordo com o processo mostrado na Figura 3, o PUD #65215A curará até 7 mils de espessura de filme úmido em 4 minutos com uma temperatura de forno de 140 °C. Isso está dentro da janela da maioria dos revestimentos curáveis por UV à base de solvente. O PUD #65215A poderia potencialmente permitir que os atuais aplicadores de materiais curáveis por UV à base de solvente mudassem para um material curável por UV à base de água com poucas alterações em sua linha de revestimento.
Para os fabricantes que consideram a expansão da produção, os revestimentos baseados no PUD #65215A lhes permitirão:
●Economize dinheiro através do uso de uma linha mais curta de revestimento à base de água;
●Ter uma área de linha de revestimento menor na instalação;
●Ter um impacto reduzido na atual licença de COV;
●Realize economias de energia devido à redução das necessidades de secagem.
Concluindo, o PUD #65215A ajudará a melhorar a eficiência de fabricação de linhas de revestimentos com cura UV por meio de alto desempenho de propriedades físicas e características de rápida liberação de água da resina quando seca a 140 °C.
Horário da postagem: 14 de agosto de 2024
