Aprimorando a eficiência de fabricação através do uso de poliuretanos à base de água curáveis ​​por UV.

Revestimentos de alto desempenho curáveis ​​por UV têm sido utilizados 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 solventes dominaram o mercado. Nos últimos anos, a tecnologia de revestimentos curáveis ​​por UV à base de água tem crescido. As resinas curáveis ​​por UV à base de água provaram ser uma ferramenta útil para os fabricantes por diversos motivos, incluindo a aprovação em testes de manchas KCMA, resistência química e redução de VOCs (Compostos Orgânicos Voláteis). Para que essa tecnologia continue crescendo nesse mercado, vários fatores foram identificados como áreas-chave onde melhorias precisam ser feitas. Essas melhorias levarão as resinas curáveis ​​por UV à base de água além de simplesmente possuírem os "requisitos essenciais" que a maioria das resinas apresenta. Elas começarão a agregar propriedades valiosas ao revestimento, agregando valor a cada etapa da cadeia de valor, desde o formulador do revestimento até o aplicador na fábrica, o instalador e, finalmente, o proprietário.

Os fabricantes, especialmente hoje em dia, desejam um revestimento que vá além do simples atendimento às especificações. Existem também outras propriedades que proporcionam benefícios na fabricação, embalagem e instalação. Um atributo desejado é a melhoria da eficiência da planta. Para revestimentos à base de água, isso significa liberação de água mais rápida e maior resistência ao bloqueio. Outro atributo desejado é a melhoria da estabilidade da resina para a recuperação/reutilização do revestimento e para o gerenciamento do estoque. Para o usuário final e o instalador, os atributos desejados são maior resistência ao brunimento e ausência de marcas no metal durante a instalação.

Este artigo abordará os novos desenvolvimentos em poliuretanos à base de água curáveis ​​por UV que oferecem estabilidade de pintura muito superior a 50 °C, tanto em revestimentos transparentes quanto pigmentados. Também discutirá como essas resinas atendem aos atributos desejados pelo aplicador de revestimento, aumentando a velocidade da linha de produção por meio da rápida liberação de água, melhor resistência ao bloqueio e resistência a solventes fora da linha, o que melhora a velocidade das operações de empilhamento e embalagem. Isso também reduzirá os danos fora da linha que às vezes ocorrem. Este artigo também aborda as 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. Os requisitos mínimos, como simplesmente atender às especificações a um preço razoável por milésimo de polegada aplicado, já não são suficientes. O mercado de revestimentos aplicados em fábrica para armários, marcenaria, pisos e móveis está mudando rapidamente. Os formuladores que fornecem revestimentos para as fábricas estão sendo solicitados a tornar os revestimentos mais seguros para os funcionários aplicarem, remover substâncias altamente preocupantes, substituir COVs (Compostos Orgânicos Voláteis) por água e até mesmo usar menos carbono fóssil e mais biocarvão. A realidade é que, ao longo de toda a cadeia de valor, cada cliente exige que o revestimento faça mais do que apenas atender às especificações.

Ao percebermos uma oportunidade de gerar mais valor para a fábrica, nossa equipe começou a investigar, no próprio nível da fábrica, os desafios enfrentados por esses aplicadores. Após diversas entrevistas, começamos a identificar alguns temas comuns:

• Obstáculos relacionados a licenças estão impedindo meus objetivos de expansão;
• Os custos estão aumentando e nossos orçamentos de capital estão diminuindo;
• Os custos de energia e de pessoal estão aumentando;
• Perda de funcionários experientes;
• Nossas metas corporativas de despesas gerais e administrativas, assim como as do meu cliente, precisam ser atingidas; e
• Competição internacional.

Esses temas levaram a declarações de proposta de valor que começaram a repercutir entre os aplicadores de poliuretanos curáveis ​​por UV à base de água, especialmente no mercado de marcenaria e fabricação de móveis, como: “os fabricantes de marcenaria e fabricação de móveis buscam melhorias na eficiência da fábrica” e “os fabricantes desejam a capacidade de expandir a produção em linhas de produção mais curtas, com menos danos por retrabalho, devido aos revestimentos com propriedades de liberação lenta de água”.

A Tabela 1 ilustra como, para o fabricante de matérias-primas para revestimentos, melhorias em certos atributos e propriedades físicas do revestimento levam a ganhos de eficiência que podem ser aproveitados pelo usuário final.

TABELA 1 | Atributos e benefícios.

Ao projetar poliuretanos de cura UV com determinados atributos, conforme listado na Tabela 1, os fabricantes de produtos finais poderão atender às suas necessidades de melhoria da eficiência da fábrica. Isso lhes permitirá ser mais competitivos e, potencialmente, expandir a produção atual.

Resultados experimentais e discussão

Histórico das dispersões de poliuretano curáveis ​​por UV

Na década de 1990, as dispersões de poliuretano aniônico contendo grupos acrilato ligados ao polímero começaram a ser utilizadas comercialmente em aplicações industriais.¹ Muitas dessas aplicações foram em embalagens, tintas e revestimentos para madeira. A Figura 1 mostra uma estrutura genérica de um PUD curável por UV, demonstrando como essas matérias-primas para revestimento são projetadas.

FIGURA 1 | Dispersão genérica de poliuretano funcionalizado com acrilato.3

Como mostrado na Figura 1, as dispersões de poliuretano curáveis ​​por UV (PUDs curáveis ​​por UV) são compostas pelos componentes típicos usados ​​na fabricação de dispersões de poliuretano. Diisocianatos alifáticos reagem com os ésteres, dióis, grupos hidrofílicos e extensores de cadeia típicos usados ​​na fabricação de dispersões de poliuretano.² A diferença reside na adição de um éster funcional acrílico, epóxi ou éteres incorporados na etapa de pré-polimerização durante a preparação da 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 uma PUD. Essas escolhas de matérias-primas e processamento resultarão em PUDs curáveis ​​por UV que podem ser tanto não formadoras de filme quanto formadoras de filme.³ Os tipos formadores de filme, ou de secagem, são o tema deste artigo.

A formação da película, ou secagem, como também é chamada, resulta em películas coalescidas e secas ao toque antes da cura UV. Como os aplicadores desejam limitar a contaminação do revestimento por partículas em suspensão no ar, além da necessidade de agilidade no processo de produção, essas películas são frequentemente secas em estufas como parte de um processo contínuo antes da cura UV. A Figura 2 ilustra o processo típico de secagem e cura de um PUD curável por UV.

FIGURA 2 | Processo de cura de um PUD curável por UV.

O método de aplicação normalmente utilizado é a pulverização. No entanto, também já foram utilizadas técnicas como a de espátula sobre rolo e até mesmo a de revestimento por inundação. Após a aplicação, o revestimento geralmente passa por um processo de quatro etapas antes de ser manuseado novamente.

1. Flash: Este processo pode ser realizado em temperatura ambiente ou em temperaturas elevadas, durante alguns segundos ou até alguns minutos.
2. Secagem em estufa: Nesta etapa, a água e os co-solventes são removidos do revestimento. Esta etapa é crucial e geralmente consome a maior parte do tempo do processo. Normalmente, a temperatura é superior a 60 °C e a duração é de até 8 minutos. Estufas de secagem com múltiplas zonas também podem ser utilizadas.

• Lâmpada infravermelha e circulação de ar: A instalação de lâmpadas infravermelhas e ventiladores para circulação de ar acelerará ainda mais o processo de evaporação da água.

3. Cura por UV.
4. Resfriamento: Após a cura, o revestimento precisará de um período de tempo para atingir a resistência ao bloqueio. Esta etapa pode levar até 10 minutos para que a resistência ao bloqueio seja alcançada.

Experimental

Este estudo comparou dois poliuretanos de cura UV (UV à base de água), atualmente utilizados no mercado de móveis e marcenaria, com o nosso novo desenvolvimento, o poliuretano nº 65215A. Neste estudo, comparamos os padrões nº 1 e nº 2 com o poliuretano nº 65215A em termos de secagem, bloqueio e resistência química. Também avaliamos a estabilidade do pH e a estabilidade da viscosidade, que podem ser cruciais ao se considerar a reutilização do excesso de pulverização e a vida útil. A Tabela 2 apresenta as propriedades físicas de cada uma das resinas utilizadas neste estudo. Os três sistemas foram formulados com níveis semelhantes de fotoiniciador, VOCs e sólidos. Todas as três resinas foram formuladas com 3% de co-solvente.

TABELA 2 | Propriedades da resina PUD.

Em nossas entrevistas, fomos informados de que a maioria dos revestimentos UV à base de água (WB-UV) utilizados nos mercados de marcenaria e fabricação de móveis seca em uma linha de produção, o que leva de 5 a 8 minutos antes da cura UV. Em contraste, uma linha de cura UV à base de solvente (SB-UV) seca em 3 a 5 minutos. Além disso, para esse mercado, os revestimentos são normalmente aplicados com uma espessura de 4 a 5 mils (0,1 mm) de umidade. Uma grande desvantagem dos revestimentos curáveis ​​por UV à base de água, quando comparados às alternativas curáveis ​​por UV à base de solvente, é o tempo necessário para a evaporação da água em uma linha de produção.⁴ Defeitos na película, como manchas brancas, podem ocorrer se a água não for devidamente removida do revestimento antes da cura UV. Isso também pode ocorrer se a espessura da película úmida for muito alta. Essas manchas brancas são criadas quando a água fica retida dentro da película durante a cura UV.⁵

Para este estudo, escolhemos um cronograma de cura semelhante ao que seria utilizado em uma linha de cura UV à base de solvente. A Figura 3 mostra o cronograma de aplicação, secagem, cura e embalagem utilizado em nosso estudo. Este cronograma de secagem representa uma melhoria de 50% a 60% na velocidade geral da linha em comparação com o padrão atual de mercado em aplicações de marcenaria e fabricação de móveis.

FIGURA 3 | Cronograma de aplicação, secagem, cura e embalagem.

A seguir, apresentamos as condições de aplicação e cura que utilizamos em nosso estudo:

●Aplicação por pulverização sobre folheado de bordo com uma camada base preta.
● Flash de 30 segundos à temperatura ambiente.
●Estufa de secagem a 140 °F por 2,5 minutos (forno de convecção).
●Cura UV – intensidade de cerca de 800 mJ/cm2.

• Revestimentos transparentes foram curados utilizando uma lâmpada de mercúrio.
• Os revestimentos pigmentados foram curados utilizando uma lâmpada combinada de Hg/Ga.

●Aguarde 1 minuto para o resfriamento antes de empilhar.

Para o nosso estudo, também aplicamos três espessuras diferentes de película úmida para verificar se outras vantagens, como a redução do número de demãos, também seriam obtidas. A espessura típica para revestimento UV à base de água é de 4 mils (0,1 mm). Neste estudo, também incluímos aplicações de revestimento com espessuras de 6 e 8 mils (0,15 e 8 mm).

Resultados de cura

O padrão nº 1, um revestimento transparente de alto brilho, apresentou os resultados mostrados na Figura 4. O revestimento transparente UV à base de água foi aplicado em MDF (fibra de média densidade) previamente revestido com uma camada base preta e curado de acordo com o cronograma mostrado na Figura 3. Com 4 mils de espessura úmida, o revestimento foi aprovado. No entanto, com 6 e 8 mils de espessura úmida, o revestimento rachou, e a camada de 8 mils foi facilmente removida devido à baixa liberação de água antes da cura UV.

FIGURA 4 | Padrão nº 1.

Um resultado semelhante também é observado no Padrão nº 2, mostrado na Figura 5.

FIGURA 5 | Padrão nº 2.

Conforme mostrado na Figura 6, utilizando o mesmo programa de cura da Figura 3, o PUD #65215A demonstrou uma melhora significativa na liberação de água/secagem. Com uma espessura de filme úmido de 8 mils, observou-se um leve rachamento na borda inferior da amostra.

FIGURA 6 | PUD #65215A.

Testes adicionais do PUD# 65215A em um revestimento transparente de baixo brilho e em um revestimento pigmentado sobre o mesmo MDF com uma base preta foram avaliados para determinar as características de liberação de água em outras formulações típicas de revestimento. Como mostrado na Figura 7, a formulação de baixo brilho, com 5 e 7 mils de espessura (molhada), liberou a água e formou um bom filme. No entanto, com 10 mils de espessura (molhada), o revestimento ficou muito espesso para liberar a água durante o processo de secagem e cura descrito na Figura 3.

FIGURA 7 | PUD de baixo brilho nº 65215A.

Em uma fórmula pigmentada branca, o PUD nº 65215A apresentou bom desempenho no mesmo cronograma de secagem e cura descrito na Figura 3, exceto quando aplicado com 8 mils úmidos. Como mostrado na Figura 8, o filme racha com 8 mils devido à baixa liberação de água. No geral, em formulações transparentes, de baixo brilho e pigmentadas, o PUD nº 65215A apresentou bom desempenho na formação de filme e secagem quando aplicado com até 7 mils úmidos e curado no cronograma acelerado de secagem e cura descrito na Figura 3.

FIGURA 8 | PUD pigmentado nº 65215A.

Resultados de bloqueio

A resistência ao bloqueio é a capacidade de um revestimento não aderir a outro artigo revestido quando empilhados. Na fabricação, isso geralmente representa um gargalo se o revestimento curado demorar a atingir a resistência ao bloqueio. Para este estudo, formulações pigmentadas de Standard #1 e PUD #65215A foram aplicadas em vidro com uma espessura de 5 mils úmidos usando uma barra de aplicação. Cada uma foi curada de acordo com o cronograma de cura da Figura 3. Dois painéis de vidro revestidos foram curados simultaneamente – 4 minutos após a cura, os painéis foram fixados juntos, conforme mostrado na Figura 9. Eles permaneceram fixados juntos à temperatura ambiente por 24 horas. Se os painéis pudessem ser facilmente separados sem marcas ou danos aos painéis revestidos, o teste era considerado aprovado.
A Figura 10 ilustra a resistência ao bloqueio aprimorada do PUD nº 65215A. Embora tanto o Standard nº 1 quanto o PUD nº 65215A tenham atingido a cura completa no teste anterior, somente o PUD nº 65215A demonstrou liberação de água e cura suficientes para alcançar a resistência ao bloqueio.

FIGURA 9 | Ilustração do teste de resistência ao bloqueio.

FIGURA 10 | Resistência de bloqueio do padrão nº 1, seguida pelo PUD nº 65215A.

Resultados da mistura de acrílico

Os fabricantes de revestimentos frequentemente misturam resinas curáveis ​​por UV à base de água com acrílicos para reduzir custos. Para o nosso estudo, também analisamos a mistura do PUD#65215A com o NeoCryl® XK-12, um acrílico à base de água, frequentemente usado como componente de misturas para PUDs curáveis ​​por UV à base de água no mercado de marcenaria e fabricação de móveis. Para esse mercado, o teste de manchas KCMA é considerado o padrão. Dependendo da aplicação final, alguns produtos químicos se tornarão 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 demonstrado na Tabela 3, o PUD #65215A apresenta desempenho excepcional no teste de impregnação com KCMA, tanto na versão transparente de alto brilho quanto na versão transparente de baixo brilho, além de apresentar resultados excelentes com pigmentos. Mesmo quando misturado na proporção de 1:1 com um acrílico, o desempenho no teste de impregnação com KCMA não é drasticamente afetado. Mesmo após a impregnação com agentes como o corante mostarda, o revestimento recuperou um nível aceitável após 24 horas.

TABELA 3 | Resistência a produtos químicos e manchas (classificação 5 é a melhor).

Além do teste de coloração com KCMA, os fabricantes também testam a cura imediatamente após a cura UV na linha de produção. Frequentemente, os efeitos da mistura de acrílico são notados imediatamente após a cura neste teste. A expectativa é que não haja 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, observamos que uma mistura 1:1 de PUD# 65215A com um acrílico não passou neste teste. No entanto, constatamos que o PUD #65215A pode ser misturado com 25% de acrílico NeoCryl XK-12 e ainda passar no teste de 20 IPA dr (NeoCryl é uma marca registrada do grupo Covestro).

FIGURA 11 | 20 esfregaços duplos de IPA, 1 minuto após a cura UV.

Estabilidade da resina

A estabilidade do PUD nº 65215A também foi testada. Uma formulação é considerada estável em prateleira se, após 4 semanas a 40 °C, o pH não cair abaixo de 7 e a viscosidade permanecer estável em comparação com a inicial. Para nossos testes, decidimos submeter as amostras às condições mais severas de até 6 semanas a 50 °C. Nessas condições, os padrões nº 1 e nº 2 não se mostraram estáveis.

Para nossos testes, analisamos as formulações transparentes de alto brilho, transparentes de baixo brilho e pigmentadas de baixo brilho utilizadas neste estudo. Como mostrado na Figura 12, a estabilidade do pH das três formulações permaneceu estável e acima do limite de pH 7,0. A Figura 13 ilustra a mínima alteração na viscosidade após 6 semanas a 50 °C.

FIGURA 12 | Estabilidade do pH do PUD formulado nº 65215A.

FIGURA 13 | Estabilidade da viscosidade do PUD formulado nº 65215A.

Outro teste que demonstra a estabilidade do PUD nº 65215A foi testar novamente a resistência à coloração com KCMA de uma formulação de revestimento envelhecida por 6 semanas a 50 °C, comparando-a com sua resistência inicial à coloração com KCMA. Revestimentos que não apresentam boa estabilidade sofrerão quedas no desempenho de resistência à coloração. Como mostrado na Figura 14, o PUD nº 65215A manteve o mesmo nível de desempenho que apresentou no teste inicial de resistência química/à coloração do revestimento pigmentado mostrado na Tabela 3.

FIGURA 14 | Painéis de teste químico para PUD pigmentado nº 65215A.

Conclusões

Para aplicadores de revestimentos à base de água curáveis ​​por UV, o PUD nº 65215A permitirá que eles atendam aos padrões de desempenho atuais nos mercados de marcenaria, madeira e armários e, além disso, possibilitará melhorias na velocidade da linha de produção em mais de 50 a 60% em comparação com os revestimentos à base de água curáveis ​​por UV padrão atuais. Para o aplicador, isso pode significar:

●Produção mais rápida;
●O aumento da espessura da película reduz a necessidade de camadas adicionais;
●Linhas de secagem mais curtas;
●Economia de energia devido à redução da necessidade de secagem;
●Menos desperdício devido à rápida resistência ao bloqueio;
●Redução do desperdício de revestimento devido à estabilidade da resina.

Com níveis de COVs inferiores a 100 g/L, os fabricantes também conseguem atingir suas metas de COVs com mais facilidade. Para os fabricantes que enfrentam preocupações com a expansão devido a problemas de licenciamento, o sistema de liberação rápida de água PUD #65215A permitirá que eles cumpram suas obrigações regulatórias com mais facilidade, sem comprometer o desempenho.

No início deste artigo, citamos, com base em nossas entrevistas, que os aplicadores de materiais curáveis ​​por UV à base de solvente normalmente secavam e curavam os revestimentos em um processo que levava de 3 a 5 minutos. Demonstramos neste estudo que, de acordo com o processo mostrado na Figura 3, o PUD #65215A cura até 7 mils de espessura de filme úmido em 4 minutos, com uma temperatura de forno de 140 °C. Isso está bem dentro da faixa de tempo da maioria dos revestimentos curáveis ​​por UV à base de solvente. O PUD #65215A pode potencialmente permitir que os aplicadores atuais de materiais curáveis ​​por UV à base de solvente migrem para um material curável por UV à base de água com poucas alterações em sua linha de revestimento.

Para fabricantes que consideram a expansão da produção, os revestimentos à base de PUD #65215A permitirão:

● Economize dinheiro utilizando uma linha de revestimento à base de água mais curta;
● Ter uma área ocupada pela linha de revestimento menor nas instalações;
●Reduzir o impacto na licença de VOC atual;
● Obtenha economia de energia devido à redução da necessidade de secagem.

Em conclusão, o PUD #65215A ajudará a melhorar a eficiência de fabricação das linhas de revestimentos curáveis ​​por UV, graças ao seu alto desempenho em propriedades físicas e às características de rápida liberação de água da resina quando seca a 140 °C.