Su Bazlı UV ile Kürlenebilir Poliüretanların Kullanımıyla Üretim Verimliliğinin Artırılması

Yüksek performanslı UV ile kürlenebilen kaplamalar, uzun yıllardır zemin kaplamaları, mobilyalar ve dolapların üretiminde kullanılmaktadır. Bu sürenin büyük bir bölümünde, %100 katı ve solvent bazlı UV ile kürlenebilen kaplamalar piyasadaki baskın teknoloji olmuştur. Son yıllarda, su bazlı UV ile kürlenebilen kaplama teknolojisi gelişmiştir. Su bazlı UV ile kürlenebilen reçineler, KCMA leke ve kimyasal direnç testlerinden geçme ve VOC'leri azaltma gibi çeşitli nedenlerle üreticiler için faydalı bir araç olduğunu kanıtlamıştır. Bu teknolojinin bu pazarda büyümeye devam etmesi için, iyileştirmelerin yapılması gereken kilit alanlar olarak birkaç etken belirlenmiştir. Bunlar, su bazlı UV ile kürlenebilen reçineleri, çoğu reçinenin sahip olduğu "olmazsa olmaz" özelliklerin ötesine taşıyacak ve kaplamaya değerli özellikler eklemeye başlayacak, kaplama formülatöründen fabrika uygulayıcısına, montajcıya ve nihayetinde sahibine kadar değer zincirinin her aşamasına değer katacaktır.

Özellikle günümüzde üreticiler, sadece teknik özelliklere uymaktan daha fazlasını sağlayan bir kaplama istiyorlar. Üretim, paketleme ve montajda fayda sağlayan başka özellikler de var. İstenen özelliklerden biri, tesis verimliliğinde iyileşmedir. Su bazlı kaplama için bu, daha hızlı su salınımı ve daha hızlı yapışma direnci anlamına gelir. Bir diğer istenen özellik ise, kaplamanın yakalanması/yeniden kullanılması ve stok yönetimi için reçine stabilitesinin iyileştirilmesidir. Son kullanıcı ve montajcı için istenen özellikler ise daha iyi parlatma direnci ve montaj sırasında metal izi oluşmamasıdır.

Bu makale, şeffaf ve pigmentli kaplamalarda 50 °C'de çok daha iyi boya stabilitesi sağlayan su bazlı UV ile kürlenebilen poliüretanlardaki yeni gelişmeleri ele alacaktır. Ayrıca, bu reçinelerin, hızlı su salınımı, geliştirilmiş yapışma direnci ve hat dışı solvent direnci sayesinde kaplama uygulayıcısının istediği özellikleri nasıl karşıladığını, böylece istifleme ve paketleme işlemlerini hızlandırdığını ve bazen meydana gelen hat dışı hasarı nasıl azalttığını tartışacaktır. Bu makale ayrıca, montajcılar ve sahipler için önemli olan leke ve kimyasal dirençte gösterilen iyileştirmeleri de ele almaktadır.

Arka plan

Kaplama endüstrisinin yapısı sürekli değişiyor. Sadece uygulanan milimetre başına makul bir fiyata şartnameyi geçmek "olmazsa olmaz" değil. Dolap, doğrama, döşeme ve mobilyalara fabrikada uygulanan kaplamaların yapısı hızla değişiyor. Fabrikalara kaplama tedarik eden formülatörlerden, kaplamaların çalışanlar için daha güvenli hale getirilmesi, yüksek riskli maddelerin çıkarılması, VOC'lerin su ile değiştirilmesi ve hatta daha az fosil karbon ve daha fazla biyokarbon kullanılması isteniyor. Gerçek şu ki, değer zincirinin her aşamasında, her müşteri kaplamanın sadece şartnameyi karşılamaktan daha fazlasını yapmasını istiyor.

Fabrika için daha fazla değer yaratma fırsatı gören ekibimiz, bu uygulama makinelerinin karşılaştığı zorlukları fabrika düzeyinde araştırmaya başladı. Birçok görüşmeden sonra bazı ortak temalar duymaya başladık:

• İzinlerle ilgili engeller, genişleme hedeflerimin önünde duruyor;
• Maliyetler artıyor ve sermaye bütçelerimiz azalıyor;
• Hem enerji hem de personel maliyetleri artıyor;
• Deneyimli çalışanların kaybı;
• Hem bizim hem de müşterimin kurumsal SG&A hedeflerine ulaşılması gerekiyor; ve
• Yurtdışı rekabeti.

Bu temalar, özellikle doğrama ve mobilya pazarında su bazlı UV ile kürlenebilen poliüretanların uygulayıcıları arasında yankı bulmaya başlayan şu gibi değer önerisi ifadelerine yol açtı: "Doğrama ve mobilya üreticileri fabrika verimliliğinde iyileştirmeler arıyor" ve "Üreticiler, yavaş su salınımı özelliklerine sahip kaplamalar sayesinde daha az yeniden işleme hasarıyla daha kısa üretim hatlarında üretimi genişletme olanağı istiyor."

Tablo 1, kaplama hammaddesi üreticisi için, belirli kaplama özelliklerinde ve fiziksel özelliklerinde yapılan iyileştirmelerin, son kullanıcı tarafından nasıl verimlilik artışına yol açabileceğini göstermektedir.

TABLO 1 | Özellikler ve faydalar.

Tablo 1'de listelenen belirli özelliklere sahip UV ile kürlenebilir poliüretanlar tasarlayarak, son kullanıcı üreticiler tesis verimliliğini artırma ihtiyaçlarını karşılayabileceklerdir. Bu, daha rekabetçi olmalarını ve potansiyel olarak mevcut üretimlerini genişletmelerini sağlayacaktır.

Deneysel Sonuçlar ve Tartışma

UV ile Kürlenebilir Poliüretan Dispersiyonlarının Tarihçesi

1990'larda, polimere bağlı akrilat grupları içeren anyonik poliüretan dispersiyonlarının ticari kullanımları endüstriyel uygulamalarda yaygınlaşmaya başladı.¹ Bu uygulamaların çoğu ambalaj, mürekkep ve ahşap kaplamalardaydı. Şekil 1, UV ile kürlenebilir bir PUD'nin genel yapısını göstererek, bu kaplama hammaddelerinin nasıl tasarlandığını ortaya koymaktadır.

ŞEKİL 1 | Genel akrilat fonksiyonel poliüretan dispersiyonu.3

Şekil 1'de gösterildiği gibi, UV ile kürlenebilir poliüretan dispersiyonları (UV ile kürlenebilir PUD'ler), poliüretan dispersiyonları yapmak için kullanılan tipik bileşenlerden oluşur. Alifatik diizosiyanatlar, poliüretan dispersiyonları yapmak için kullanılan tipik esterler, dioller, hidrofilizasyon grupları ve zincir uzatıcılarla reaksiyona sokulur.² Fark, dispersiyon yapılırken ön polimer aşamasına bir akrilat fonksiyonel ester, epoksi veya eterlerin eklenmesidir. Yapı taşları olarak kullanılan malzemelerin seçimi, polimer mimarisi ve işleme yöntemleri, bir PUD'nin performansını ve kuruma özelliklerini belirler. Hammadde ve işleme yöntemlerindeki bu seçimler, film oluşturmayan ve film oluşturan UV ile kürlenebilir PUD'lere yol açacaktır.³ Bu makalenin konusu, film oluşturan veya kuruma özelliğine sahip olan tiplerdir.

Film oluşturma veya sıklıkla adlandırıldığı gibi kurutma, UV kürlemesinden önce dokunulduğunda kuru olan birleşmiş filmler elde edilmesini sağlar. Uygulayıcılar, partiküllerden kaynaklanan hava yoluyla kaplama kirlenmesini sınırlamak ve üretim süreçlerinde hız ihtiyacını karşılamak istediklerinden, bunlar genellikle UV kürlemesinden önce sürekli bir işlemin parçası olarak fırınlarda kurutulur. Şekil 2, UV ile kürlenebilir bir PUD'nin tipik kurutma ve kürleme sürecini göstermektedir.

ŞEKİL 2 | UV ile kürlenebilir PUD'nin kürleme işlemi.

Genellikle kullanılan uygulama yöntemi püskürtmedir. Bununla birlikte, rulo üzerinden bıçakla uygulama ve hatta tam kaplama yöntemleri de kullanılmıştır. Uygulandıktan sonra, kaplama genellikle tekrar işlem görmeden önce dört aşamalı bir süreçten geçer.

1. Flaş: Bu işlem, oda sıcaklığında veya daha yüksek sıcaklıklarda birkaç saniyeden birkaç dakikaya kadar yapılabilir.
2. Fırında Kurutma: Bu aşamada su ve yardımcı çözücüler kaplamadan uzaklaştırılır. Bu adım kritik öneme sahiptir ve genellikle bir işlemin en uzun süren aşamasıdır. Bu adım genellikle >140 °F sıcaklıkta gerçekleştirilir ve 8 dakikaya kadar sürer. Çok bölgeli kurutma fırınları da kullanılabilir.

• IR lamba ve hava akımı: IR lambaların ve hava akımı fanlarının montajı, su fışkırmasını daha da hızlandıracaktır.

3. UV ile kürleme.
4. Soğutma: Kaplama kürlendikten sonra, yapışmazlık direncine ulaşması için bir süre kürlenmesi gerekecektir. Bu adım, yapışmazlık direncine ulaşılmadan önce 10 dakikaya kadar sürebilir.

Deneysel

Bu çalışmada, dolap ve doğrama pazarında halihazırda kullanılan iki UV ile kürlenebilir PUD (WB UV), yeni geliştirdiğimiz PUD #65215A ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada, kuruma, yapışma ve kimyasal direnç açısından Standart #1 ve Standart #2'yi PUD #65215A ile karşılaştırdık. Ayrıca, püskürtme artığının yeniden kullanımı ve raf ömrü açısından kritik olabilecek pH stabilitesi ve viskozite stabilitesini de değerlendirdik. Aşağıdaki Tablo 2'de, bu çalışmada kullanılan reçinelerin her birinin fiziksel özellikleri gösterilmiştir. Her üç sistem de benzer foto başlatıcı seviyesi, VOC'ler ve katı madde seviyesine göre formüle edilmiştir. Her üç reçine de %3 yardımcı çözücü ile formüle edilmiştir.

TABLO 2 | PUD reçinesinin özellikleri.

Görüşmelerimizde, doğrama ve mobilya pazarlarındaki çoğu su bazlı UV kaplamanın, UV kürlemesinden önce 5-8 dakika süren bir üretim hattında kuruduğu söylendi. Buna karşılık, solvent bazlı UV (SB-UV) hattı 3-5 dakika içinde kurur. Ayrıca, bu pazar için kaplamalar tipik olarak 4-5 mil ıslak olarak uygulanır. Su bazlı UV kürlenebilir kaplamaların, UV kürlenebilir solvent bazlı alternatiflerle karşılaştırıldığında en büyük dezavantajı, üretim hattında suyun buharlaştırılması için geçen süredir.4 Su, UV kürlemesinden önce kaplamadan düzgün bir şekilde buharlaştırılmazsa, beyaz lekeler gibi film kusurları oluşacaktır. Bu durum, ıslak film kalınlığı çok yüksekse de ortaya çıkabilir. Bu beyaz lekeler, UV kürlemesi sırasında suyun film içinde hapsolmasıyla oluşur.5

Bu çalışma için, UV ile kürlenebilen solvent bazlı bir hatta kullanılacak olana benzer bir kürleme programı seçtik. Şekil 3, çalışmamızda kullanılan uygulama, kurutma, kürleme ve paketleme programını göstermektedir. Bu kurutma programı, doğrama ve mobilya uygulamalarında mevcut piyasa standardına göre genel hat hızında %50 ila %60 arasında bir iyileşme sağlamaktadır.

ŞEKİL 3 | Uygulama, kurutma, sertleştirme ve paketleme programı.

Çalışmamızda kullandığımız uygulama ve kürleme koşulları aşağıdadır:

●Siyah astar boya ile kaplanmış akçaağaç kaplama üzerine püskürtme uygulaması.
●30 saniyelik oda sıcaklığında flaş.
●140 °F'lik kurutma fırınında 2,5 dakika (konveksiyonlu fırın).
●UV ile kürleme – yoğunluk yaklaşık 800 mJ/cm2.

• Şeffaf kaplamalar cıva lambası kullanılarak kürlendi.
• Pigmentli kaplamalar, kombine bir Hg/Ga lambası kullanılarak kürlendi.

●Üst üste dizmeden önce 1 dakika soğumaya bırakın.

Çalışmamızda, daha az katman gibi diğer avantajların da elde edilip edilmeyeceğini görmek için üç farklı ıslak film kalınlığı da püskürttük. WB UV için tipik kalınlık 4 mil ıslak filmdir. Bu çalışmada ayrıca 6 ve 8 mil ıslak film kaplama uygulamalarını da dahil ettik.

Tedavi Sonuçları

Şekil 4'te, yüksek parlaklıkta şeffaf bir kaplama olan Standart #1'in sonuçları gösterilmektedir. WB UV şeffaf kaplama, daha önce siyah bir astarla kaplanmış orta yoğunluklu lif levhaya (MDF) uygulandı ve Şekil 3'te gösterilen programa göre kürlendi. 4 mil ıslak kalınlıkta kaplama başarılı oldu. Bununla birlikte, 6 ve 8 mil ıslak uygulamada kaplama çatladı ve 8 mil kalınlıktaki kaplama, UV kürlemesinden önce yetersiz su tahliyesi nedeniyle kolayca çıkarıldı.

ŞEKİL 4 | Standart #1.

Şekil 5'te gösterilen Standart #2'de de benzer bir sonuç görülmektedir.

ŞEKİL 5 | Standart #2.

Şekil 6'da gösterildiği gibi, Şekil 3'tekiyle aynı kürleme programı kullanıldığında, PUD #65215A su salınımı/kurumasında muazzam bir iyileşme göstermiştir. 8 mil ıslak film kalınlığında, numunenin alt kenarında hafif çatlaklar gözlemlenmiştir.

ŞEKİL 6 | PUD #65215A.

PUD# 65215A'nın düşük parlaklıkta şeffaf kaplama ve pigmentli kaplamada, aynı MDF üzerine siyah astar boya uygulanarak yapılan ek testleri, diğer tipik kaplama formülasyonlarındaki su salınım özelliklerini değerlendirmek amacıyla yapılmıştır. Şekil 7'de gösterildiği gibi, 5 ve 7 mil ıslak uygulamada düşük parlaklıkta formülasyon suyu salmış ve iyi bir film oluşturmuştur. Bununla birlikte, 10 mil ıslak uygulamada, Şekil 3'teki kuruma ve sertleşme programı altında suyu salmak için çok kalın olmuştur.

ŞEKİL 7 | Düşük parlaklıkta PUD #65215A.

Beyaz pigmentli bir formülde, PUD #65215A, Şekil 3'te açıklanan aynı kuruma ve sertleşme programında, 8 mil ıslak kalınlıkta uygulandığı durumlar hariç, iyi performans göstermiştir. Şekil 8'de gösterildiği gibi, yetersiz su salınımı nedeniyle film 8 mil kalınlıkta çatlamaktadır. Genel olarak, şeffaf, düşük parlaklıkta ve pigmentli formülasyonlarda, PUD #65215A, 7 mil ıslak kalınlığa kadar uygulandığında ve Şekil 3'te açıklanan hızlandırılmış kuruma ve sertleşme programında sertleştirildiğinde film oluşumu ve kuruma açısından iyi performans göstermiştir.

ŞEKİL 8 | Pigmentli PUD #65215A.

Engelleme Sonuçları

Yapışmazlık direnci, bir kaplamanın üst üste istiflendiğinde başka bir kaplanmış nesneye yapışmama yeteneğidir. Üretimde, kürlenmiş bir kaplamanın yapışmazlık direncine ulaşması zaman alıyorsa, bu genellikle bir darboğazdır. Bu çalışma için, Standart #1 ve PUD #65215A pigmentli formülasyonları, bir çekme çubuğu kullanılarak 5 ıslak mil kalınlığında cama uygulandı. Bunların her biri Şekil 3'teki kürleme programına göre kürlendi. İki kaplanmış cam panel aynı anda kürlendi – kürlemeden 4 dakika sonra paneller, Şekil 9'da gösterildiği gibi birbirine kenetlendi. 24 saat boyunca oda sıcaklığında birbirine kenetlenmiş halde kaldılar. Paneller, kaplanmış panellerde iz veya hasar olmadan kolayca ayrılıyorsa, test başarılı kabul edildi.
Şekil 10, PUD# 65215A'nın geliştirilmiş bloke olma direncini göstermektedir. Önceki testte hem Standart #1 hem de PUD #65215A tam kürleşme göstermiş olsa da, yalnızca PUD #65215A bloke olma direncini sağlayacak kadar su salınımı ve kürleşme göstermiştir.

ŞEKİL 9 | Engelleme direnci testinin görseli.

ŞEKİL 10 | Standart #1'in bloke direnci, ardından PUD #65215A.

Akrilik Karıştırma Sonuçları

Kaplama üreticileri, maliyeti düşürmek için genellikle su bazlı UV ile kürlenebilen reçineleri akriliklerle karıştırırlar. Çalışmamızda ayrıca, doğrama ve mobilya pazarında UV ile kürlenebilen su bazlı PUD'lar için karıştırma ortağı olarak sıklıkla kullanılan su bazlı bir akrilik olan NeoCryl® XK-12 ile PUD#65215A'nın karıştırılmasını da inceledik. Bu pazar için KCMA leke testi standart olarak kabul edilir. Son kullanım uygulamasına bağlı olarak, bazı kimyasallar kaplanmış ürünün üreticisi için diğerlerinden daha önemli hale gelecektir. 5 en iyi, 1 ise en kötü derecelendirmeyi temsil eder.

Tablo 3'te gösterildiği gibi, PUD #65215A, yüksek parlaklıkta şeffaf, düşük parlaklıkta şeffaf ve pigmentli kaplama olarak KCMA leke testinde olağanüstü performans göstermektedir. Akrilik ile 1:1 oranında karıştırıldığında bile, KCMA leke testi önemli ölçüde etkilenmemektedir. Hardal gibi maddelerle lekelendiğinde bile, kaplama 24 saat sonra kabul edilebilir bir seviyeye geri dönmüştür.

TABLO 3 | Kimyasal ve leke direnci (5 en iyi puandır).

KCMA leke testine ek olarak, üreticiler UV kürleme işleminden hemen sonra kürleme testi de yaparlar. Akrilik karışımının etkileri genellikle bu testte kürleme hattından hemen sonra fark edilir. Beklenti, 20 izopropil alkol çift ovma işleminden (20 IPA dr) sonra kaplamada çatlama olmamasıdır. Numuneler UV kürlemesinden 1 dakika sonra test edilir. Testlerimizde, PUD #65215A'nın akrilik ile 1:1 oranında karıştırılmasının bu testi geçmediğini gördük. Bununla birlikte, PUD #65215A'nın %25 NeoCryl XK-12 akrilik ile karıştırıldığında bile 20 IPA dr testini geçtiğini gördük (NeoCryl, Covestro grubunun tescilli ticari markasıdır).

ŞEKİL 11 | UV kürlemesinden 1 dakika sonra 20 kez IPA ile çift ovma.

Reçine Stabilitesi

PUD #65215A'nın stabilitesi de test edildi. Bir formülasyon, 40 °C'de 4 hafta sonra pH'ın 7'nin altına düşmemesi ve viskozitenin başlangıçtakine kıyasla sabit kalması durumunda raf ömrü açısından stabil kabul edilir. Testlerimiz için numuneleri 50 °C'de 6 haftaya kadar daha zorlu koşullara maruz bırakmaya karar verdik. Bu koşullar altında Standart #1 ve #2 stabil değildi.

Testlerimiz için bu çalışmada kullanılan yüksek parlaklıkta şeffaf, düşük parlaklıkta şeffaf ve düşük parlaklıkta pigmentli formülasyonları inceledik. Şekil 12'de gösterildiği gibi, üç formülasyonun da pH stabilitesi sabit kaldı ve 7,0 pH eşiğinin üzerinde seyretti. Şekil 13, 50 °C'de 6 hafta sonraki minimum viskozite değişimini göstermektedir.

ŞEKİL 12 | Formüle edilmiş PUD #65215A'nın pH stabilitesi.

ŞEKİL 13 | Formüle edilmiş PUD #65215A'nın viskozite kararlılığı.

PUD #65215A'nın kararlılık performansını gösteren bir diğer test, 50 °C'de 6 hafta boyunca bekletilmiş bir kaplama formülasyonunun KCMA leke direncini tekrar test etmek ve bunu başlangıçtaki KCMA leke direnciyle karşılaştırmaktı. İyi bir kararlılık göstermeyen kaplamalar, lekelenme performansında düşüşler gösterecektir. Şekil 14'te gösterildiği gibi, PUD# 65215A, Tablo 3'te gösterilen pigmentli kaplamanın başlangıçtaki kimyasal/leke direnci testindekiyle aynı performans seviyesini korumuştur.

ŞEKİL 14 | Pigmentli PUD #65215A için kimyasal test panelleri.

Sonuçlar

UV ile kürlenebilen su bazlı kaplamaların uygulayıcıları için PUD #65215A, doğrama, ahşap ve dolap pazarlarındaki mevcut performans standartlarını karşılamalarını sağlayacak ve ayrıca kaplama işleminde mevcut standart UV ile kürlenebilen su bazlı kaplamalara göre %50-60'tan fazla hat hızı iyileştirmesi sağlayacaktır. Uygulayıcı için bu şu anlama gelebilir:

●Daha hızlı üretim;
●Film kalınlığının artması, ek katmanlara duyulan ihtiyacı azaltır;
●Daha kısa kurutma hatları;
●Kurutma ihtiyacının azalması nedeniyle enerji tasarrufu;
●Hızlı blokaj direnci sayesinde daha az hurda;
●Reçine stabilitesi sayesinde kaplama atıklarında azalma.

VOC değerleri 100 g/L'nin altında olan üreticiler, VOC hedeflerine ulaşma konusunda da daha başarılı olurlar. Ruhsat sorunları nedeniyle genişleme endişesi yaşayan üreticiler için, hızlı su salınımı sağlayan PUD #65215A, performanstan ödün vermeden yasal yükümlülüklerini daha kolay yerine getirmelerini sağlayacaktır.

Bu makalenin başında, yaptığımız görüşmelerden yola çıkarak, solvent bazlı UV ile kürlenebilir malzemelerin uygulayıcılarının kaplamaları tipik olarak 3-5 dakika süren bir işlemle kurutup kürlediklerini belirtmiştik. Bu çalışmada, Şekil 3'te gösterilen işleme göre, PUD #65215A'nın 140 °C fırın sıcaklığında 4 dakika içinde 7 mil'e kadar ıslak film kalınlıklarını kürlediğini gösterdik. Bu, çoğu solvent bazlı UV ile kürlenebilir kaplamanın kürleme aralığı içindedir. PUD #65215A, solvent bazlı UV ile kürlenebilir malzemelerin mevcut uygulayıcılarının, kaplama hatlarında çok az değişiklik yaparak su bazlı UV ile kürlenebilir bir malzemeye geçmelerini potansiyel olarak sağlayabilir.

Üretim kapasitesini artırmayı düşünen üreticiler için, PUD #65215A bazlı kaplamalar şunları sağlayacaktır:

●Daha kısa su bazlı kaplama hattı kullanarak paradan tasarruf edin;
●Tesis içinde daha küçük bir kaplama hattı alanı kaplayın;
●Mevcut VOC iznine olan etkisi azalır;
●Kurutma ihtiyacının azalması sayesinde enerji tasarrufu sağlayın.

Sonuç olarak, PUD #65215A, 140 °C'de kurutulduğunda reçinenin yüksek fiziksel özellik performansı ve hızlı su salınımı özellikleri sayesinde UV ile kürlenebilir kaplama hatlarının üretim verimliliğini artırmaya yardımcı olacaktır.