Les revêtements haute performance durcissables aux UV sont utilisés depuis de nombreuses années dans la fabrication de revêtements de sol, de meubles et d'armoires. Pendant la majeure partie de cette période, les revêtements durcissables aux UV 100 % solides et à base de solvants ont été la technologie dominante sur le marché. Ces dernières années, la technologie des revêtements à base d’eau et durcissable par UV s’est développée. Les résines durcissables aux UV à base d'eau se sont révélées être un outil utile pour les fabricants pour diverses raisons, notamment la réussite des taches KCMA, les tests de résistance chimique et la réduction des COV. Pour que cette technologie continue de croître sur ce marché, plusieurs facteurs ont été identifiés comme des domaines clés dans lesquels des améliorations doivent être apportées. Celles-ci permettront aux résines à base d'eau durcissables par UV d'aller au-delà du simple « indispensable » que possèdent la plupart des résines. Ils commenceront à ajouter des propriétés précieuses au revêtement, apportant de la valeur à chaque maillon de la chaîne de valeur, du formulateur du revêtement à l'applicateur en usine, en passant par l'installateur et, enfin, au propriétaire.
Les fabricants, surtout aujourd’hui, désirent un revêtement qui fera plus que simplement satisfaire aux spécifications. Il existe également d'autres propriétés qui offrent des avantages en matière de fabrication, d'emballage et d'installation. Un attribut souhaité est l’amélioration de l’efficacité de l’usine. Pour le revêtement à base d’eau, cela signifie une libération plus rapide de l’eau et une résistance au blocage plus rapide. Un autre attribut souhaité est l'amélioration de la stabilité de la résine pour la capture/réutilisation d'un revêtement et la gestion de son inventaire. Pour l'utilisateur final et l'installateur, les attributs souhaités sont une meilleure résistance au brunissement et l'absence de marquage métallique lors de l'installation.
Cet article abordera les nouveaux développements en matière de polyuréthanes à base d'eau durcissables aux UV qui offrent une stabilité de peinture considérablement améliorée à 50 °C dans les revêtements transparents et pigmentés. Il explique également comment ces résines répondent aux attributs souhaités de l'applicateur de revêtement en augmentant la vitesse de ligne grâce à une libération rapide de l'eau, une meilleure résistance au bloc et une résistance aux solvants hors ligne, ce qui améliore la vitesse des opérations d'empilage et d'emballage. Cela améliorera également les dommages hors ligne qui surviennent parfois. Cet article traite également des améliorations démontrées en termes de résistance aux taches et aux produits chimiques, importantes pour les installateurs et les propriétaires.
Arrière-plan
Le paysage de l’industrie des revêtements est en constante évolution. Les « incontournables » consistant à simplement satisfaire aux spécifications à un prix raisonnable par mil appliqué ne suffisent tout simplement pas. Le paysage des revêtements appliqués en usine sur les armoires, la menuiserie, les revêtements de sol et les meubles évolue rapidement. Il est demandé aux formulateurs qui fournissent des revêtements aux usines de rendre les revêtements plus sûrs à appliquer par les employés, d'éliminer les substances très préoccupantes, de remplacer les COV par de l'eau et même d'utiliser moins de carbone fossile et plus de biocarbone. La réalité est que tout au long de la chaîne de valeur, chaque client demande au revêtement de faire plus que simplement répondre aux spécifications.
Voyant une opportunité de créer plus de valeur pour l'usine, notre équipe a commencé à étudier au niveau de l'usine les défis auxquels ces applicateurs étaient confrontés. Après de nombreux entretiens, nous avons commencé à entendre certains thèmes communs :
- Permettre les obstacles empêche mes objectifs d'expansion ;
- Les coûts augmentent et nos budgets d'investissement diminuent ;
- Les coûts de l'énergie et du personnel augmentent ;
- Perte d'employés expérimentés ;
- Nos objectifs SG&A d'entreprise, ainsi que ceux de mon client, doivent être atteints ; et
- Concurrence étrangère.
Ces thèmes ont conduit à des propositions de valeur qui ont commencé à trouver un écho auprès des applicateurs de polyuréthanes à base d'eau durcissables par UV, en particulier sur le marché de la menuiserie et de l'ébénisterie, tels que : "les fabricants de menuiserie et d'ébénisterie recherchent des améliorations dans l'efficacité de l'usine" et "les fabricants Nous souhaitons pouvoir augmenter la production sur des lignes de production plus courtes avec moins de dommages de retouche dus aux revêtements aux propriétés de libération d'eau lente.
Le tableau 1 illustre comment, pour le fabricant de matières premières de revêtement, les améliorations de certains attributs et propriétés physiques du revêtement conduisent à des gains d'efficacité qui peuvent être réalisés par l'utilisateur final.
TABLEAU 1 | Attributs et avantages.
En concevant des PUD durcissables aux UV dotés de certains attributs répertoriés dans le tableau 1, les fabricants d'utilisation finale seront en mesure de répondre à leurs besoins en matière d'amélioration de l'efficacité des usines. Cela leur permettra d’être plus compétitifs et potentiellement d’augmenter leur production actuelle.
Résultats expérimentaux et discussion
Historique des dispersions de polyuréthane durcissable aux UV
Dans les années 1990, les utilisations commerciales de dispersions de polyuréthane anioniques contenant des groupes acrylate attachés au polymère ont commencé à être utilisées dans des applications industrielles.1 Beaucoup de ces applications concernaient les emballages, les encres et les revêtements pour bois. La figure 1 montre une structure générique d'un PUD durcissable aux UV, démontrant comment ces matières premières de revêtement sont conçues.
FIGURE 1 | Dispersion générique de polyuréthane fonctionnel acrylate.3
Comme le montre la figure 1, les dispersions de polyuréthane durcissables aux UV (PUD durcissables aux UV) sont constituées des composants typiques utilisés pour fabriquer des dispersions de polyuréthane. Les diisocyanates aliphatiques réagissent avec les esters, diols, groupes d'hydrophilisation et allongeurs de chaîne typiques utilisés pour fabriquer des dispersions de polyuréthane.2 La différence réside dans l'ajout d'un ester fonctionnel acrylate, d'époxy ou d'éthers incorporés dans l'étape de prépolymère lors de la préparation de la dispersion. . Le choix des matériaux utilisés comme éléments de base, ainsi que l'architecture et le traitement des polymères, dictent les performances et les caractéristiques de séchage d'un PUD. Ces choix en matière de matières premières et de traitement conduiront à des PUD durcissables aux UV qui peuvent être non filmogènes, ainsi que ceux qui sont filmogènes.3 Les types filmogènes, ou de séchage, font l'objet de cet article.
La formation de film, ou séchage comme on l'appelle souvent, donnera des films coalescents secs au toucher avant le durcissement aux UV. Parce que les applicateurs souhaitent limiter la contamination aéroportée du revêtement due aux particules, ainsi que le besoin de rapidité dans leur processus de production, ceux-ci sont souvent séchés dans des fours dans le cadre d'un processus continu avant le durcissement aux UV. La figure 2 montre le processus typique de séchage et de durcissement d’un PUD durcissable aux UV.
FIGURE 2 | Processus pour durcir un PUD durcissable aux UV.
La méthode d'application utilisée est généralement la pulvérisation. Cependant, un couteau sur rouleau et même un revêtement inondable ont été utilisés. Une fois appliqué, le revêtement passe généralement par un processus en quatre étapes avant d’être à nouveau manipulé.
1.Flash : Cela peut être effectué à température ambiante ou élevée pendant plusieurs secondes à quelques minutes.
2. Séchage au four : C'est là que l'eau et les co-solvants sont évacués du revêtement. Cette étape est critique et prend généralement le plus de temps dans un processus. Cette étape se situe généralement à >140 °F et dure jusqu'à 8 minutes. Des étuves de séchage multizones peuvent également être utilisées.
- Lampe IR et mouvement de l'air : L'installation de lampes IR et de ventilateurs de mouvement d'air accélérera encore plus le flash d'eau.
3. Traitement UV.
4.Cool : Une fois durci, le revêtement devra durcir pendant un certain temps pour obtenir une résistance au blocage. Cette étape peut prendre jusqu'à 10 minutes avant que la résistance de blocage ne soit atteinte.
Expérimental
Cette étude a comparé deux PUD durcissables aux UV (WB UV), actuellement utilisés sur le marché des armoires et de la menuiserie, à notre nouveau développement, le PUD # 65215A. Dans cette étude, nous comparons les normes n°1 et n°2 au PUD n°65215A en termes de séchage, de blocage et de résistance chimique. Nous évaluons également la stabilité du pH et la stabilité de la viscosité, qui peuvent être critiques lorsqu'on envisage la réutilisation du surpulvérisateur et la durée de conservation. Le tableau 2 ci-dessous présente les propriétés physiques de chacune des résines utilisées dans cette étude. Les trois systèmes ont été formulés avec des niveaux de photoinitiateurs, de COV et de solides similaires. Les trois résines ont été formulées avec 3 % de co-solvant.
TABLEAU 2 | Propriétés de la résine PUD.
On nous a dit lors de nos entretiens que la plupart des revêtements WB-UV sur les marchés de la menuiserie et de l'ébénisterie sèchent sur une chaîne de production, ce qui prend entre 5 et 8 minutes avant le durcissement UV. En revanche, une ligne UV à base de solvant (SB-UV) sèche en 3 à 5 minutes. De plus, pour ce marché, les revêtements sont généralement appliqués humides entre 4 et 5 mils. Un inconvénient majeur des revêtements aqueux durcissables aux UV par rapport aux alternatives à base de solvants durcissables aux UV est le temps nécessaire pour flasher l'eau sur une ligne de production.4 Des défauts de film tels que des taches blanches se produiront si l'eau n'a pas été correctement évacuée du revêtement. revêtement avant durcissement UV. Cela peut également se produire si l'épaisseur du film humide est trop élevée. Ces points blancs sont créés lorsque l'eau reste emprisonnée à l'intérieur du film pendant le durcissement aux UV.5
Pour cette étude, nous avons choisi un programme de durcissement similaire à celui qui serait utilisé sur une ligne à base de solvant durcissable aux UV. La figure 3 montre notre programme d'application, de séchage, de durcissement et d'emballage utilisé pour notre étude. Ce programme de séchage représente une amélioration de 50 à 60 % de la vitesse globale de la ligne par rapport à la norme actuelle du marché dans les applications de menuiserie et d'ébénisterie.
FIGURE 3 | Calendrier d’application, de séchage, de durcissement et d’emballage.
Vous trouverez ci-dessous les conditions d’application et de durcissement que nous avons utilisées pour notre étude :
●Application par pulvérisation sur placage d'érable avec une couche de base noire.
●Flash de température ambiante de 30 secondes.
● Four de séchage à 140 °F pendant 2,5 minutes (four à convection).
●Durcissement UV – intensité d'environ 800 mJ/cm2.
- Les revêtements transparents ont été durcis à l'aide d'une lampe au Hg.
- Les revêtements pigmentés ont été durcis à l’aide d’une lampe combinée Hg/Ga.
●1 minute de refroidissement avant d'empiler.
Pour notre étude, nous avons également pulvérisé trois épaisseurs de film humide différentes pour voir si d'autres avantages, tels qu'un nombre moins important de couches, seraient également obtenus. 4 mils humides sont la valeur typique pour WB UV. Pour cette étude, nous avons également inclus les applications de revêtement humide de 6 et 8 mils.
Résultats de durcissement
Les résultats de la norme n° 1, un revêtement transparent très brillant, sont présentés dans la figure 4. Le revêtement transparent UV WB a été appliqué sur un panneau de fibres de densité moyenne (MDF) préalablement recouvert d'une couche de base noire et durci selon le calendrier indiqué dans la figure 3. À 4 mils mouillés, le revêtement passe. Cependant, lors d'une application humide de 6 et 8 mils, le revêtement s'est fissuré et 8 mils ont été facilement enlevés en raison d'une mauvaise libération d'eau avant le durcissement aux UV.
FIGURE 4 | Norme n°1.
Un résultat similaire est également observé dans la norme n° 2, illustrée à la figure 5.
FIGURE 5 | Norme n°2.
Montré sur la figure 6, en utilisant le même programme de durcissement que sur la figure 3, le PUD #65215A a démontré une amélioration considérable de la libération d'eau/du séchage. À une épaisseur de film humide de 8 mils, une légère fissuration a été observée sur le bord inférieur de l'échantillon.
FIGURE 6 | PUD #65215A.
Des tests supplémentaires du PUD# 65215A dans un revêtement transparent peu brillant et un revêtement pigmenté sur le même MDF avec une couche de base noire ont été évalués pour évaluer les caractéristiques de libération d'eau dans d'autres formulations de revêtement typiques. Comme le montre la figure 7, la formulation à faible brillance lors d'une application humide de 5 et 7 mils a libéré l'eau et a formé un bon film. Cependant, à 10 mils d'humidité, il était trop épais pour libérer l'eau selon le programme de séchage et de durcissement de la figure 3.
FIGURE 7 | PUD peu brillant #65215A.
Dans une formule pigmentée blanche, le PUD #65215A s'est bien comporté selon le même programme de séchage et de durcissement décrit dans la figure 3, sauf lorsqu'il est appliqué à 8 mils humides. Comme le montre la figure 8, le film se fissure à 8 mils en raison d'une mauvaise évacuation de l'eau. Dans l'ensemble, dans les formulations transparentes, peu brillantes et pigmentées, le PUD# 65215A s'est bien comporté en termes de formation de film et de séchage lorsqu'il est appliqué jusqu'à 7 mils humide et durci selon le programme de séchage et de durcissement accéléré décrit dans la figure 3.
FIGURE 8 | PUD pigmenté #65215A.
Résultats de blocage
La résistance au blocage est la capacité d'un revêtement à ne pas adhérer à un autre article revêtu lorsqu'il est empilé. Dans le secteur de la fabrication, cela constitue souvent un goulot d'étranglement s'il faut du temps pour qu'un revêtement durci atteigne une résistance au blocage. Pour cette étude, des formulations pigmentées de la norme n° 1 et du PUD n° 65215A ont été appliquées sur du verre à 5 mils humides à l'aide d'une barre de rabattement. Ceux-ci ont été durcis chacun selon le programme de durcissement de la figure 3. Deux panneaux de verre à couche ont été durcis en même temps – 4 minutes après le durcissement, les panneaux ont été serrés ensemble, comme le montre la figure 9. Ils sont restés serrés ensemble à température ambiante pendant 24 heures. . Si les panneaux étaient facilement séparés sans empreinte ni dommage sur les panneaux revêtus, alors le test était considéré comme réussi.
La figure 10 illustre la résistance de blocage améliorée du PUD# 65215A. Bien que le Standard n° 1 et le PUD n° 65215A aient obtenu un durcissement complet lors du test précédent, seul le PUD n° 65215A a démontré une libération d'eau et un durcissement suffisants pour obtenir une résistance au blocage.
FIGURE 9 | Illustration du test de résistance de blocage.
FIGURE 10 | Résistance de blocage de la norme n°1, suivie du PUD n°65215A.
Résultats du mélange acrylique
Les fabricants de revêtements mélangent souvent des résines WB durcissables aux UV avec des acryliques pour réduire les coûts. Pour notre étude, nous avons également envisagé de mélanger le PUD#65215A avec NeoCryl® XK-12, un acrylique à base d'eau, souvent utilisé comme partenaire de mélange pour les PUD à base d'eau durcissables aux UV sur le marché de la menuiserie et de l'ébénisterie. Pour ce marché, les tests de coloration KCMA sont considérés comme la norme. En fonction de l'application finale, certains produits chimiques deviendront plus importants que d'autres pour le fabricant de l'article revêtu. Une note de 5 est la meilleure et une note de 1 est la pire.
Comme le montre le tableau 3, le PUD #65215A se comporte exceptionnellement bien lors des tests de coloration KCMA en tant que transparent très brillant, transparent peu brillant et comme revêtement pigmenté. Même lorsqu'il est mélangé 1:1 avec un acrylique, le test de coloration KCMA n'est pas radicalement affecté. Même lors d'une coloration avec des agents tels que la moutarde, le revêtement a retrouvé un niveau acceptable après 24 heures.
TABLEAU 3 | Résistance aux produits chimiques et aux taches (une note de 5 est la meilleure).
En plus des tests de coloration KCMA, les fabricants testeront également le durcissement immédiatement après le durcissement aux UV. Souvent, les effets du mélange acrylique seront remarqués immédiatement après la ligne de durcissement lors de ce test. L'on s'attend à ce que le revêtement ne perce pas après 20 doubles frottements avec de l'alcool isopropylique (20 IPA dr). Les échantillons sont testés 1 minute après le durcissement aux UV. Lors de nos tests, nous avons constaté qu'un mélange 1:1 de PUD# 65215A avec un acrylique n'a pas réussi ce test. Cependant, nous avons vu que le PUD #65215A pouvait être mélangé avec 25 % d'acrylique NeoCryl XK-12 tout en réussissant le test 20 IPA dr (NeoCryl est une marque déposée du groupe Covestro).
FIGURE 11 | 20 doubles frictions IPA, 1 minute après la polymérisation UV.
Stabilité de la résine
La stabilité du PUD #65215A a également été testée. Une formulation est considérée comme stable en conservation si après 4 semaines à 40 °C, le pH ne descend pas en dessous de 7 et la viscosité reste stable par rapport à la valeur initiale. Pour nos tests, nous avons décidé de soumettre les échantillons à des conditions plus difficiles allant jusqu'à 6 semaines à 50 °C. Dans ces conditions, les standards n°1 et n°2 n'étaient pas stables.
Pour nos tests, nous avons examiné les formulations transparentes très brillantes, transparentes peu brillantes ainsi que les formulations pigmentées peu brillantes utilisées dans cette étude. Comme le montre la figure 12, la stabilité du pH des trois formulations est restée stable et supérieure au seuil de pH de 7,0. La figure 13 illustre le changement minimal de viscosité après 6 semaines à 50 °C.
FIGURE 12 | Stabilité du pH du PUD formulé #65215A.
FIGURE 13 | Stabilité de la viscosité du PUD formulé #65215A.
Un autre test démontrant les performances de stabilité du PUD #65215A consistait à tester à nouveau la résistance aux taches KCMA d'une formulation de revêtement qui a été vieillie pendant 6 semaines à 50 °C et à la comparer à sa résistance aux taches KCMA initiale. Les revêtements qui ne présentent pas une bonne stabilité verront leurs performances de coloration diminuer. Comme le montre la figure 14, le PUD# 65215A a maintenu le même niveau de performance que lors des tests initiaux de résistance aux produits chimiques/aux taches du revêtement pigmenté présenté dans le tableau 3.
FIGURE 14 | Panneaux de tests chimiques pour PUD pigmenté #65215A.
Conclusions
Pour les applicateurs de revêtements à base d'eau durcissables aux UV, le PUD #65215A leur permettra de répondre aux normes de performance actuelles sur les marchés de la menuiserie, du bois et de l'armoire, et permettra en outre au processus de revêtement de voir des améliorations de vitesse de ligne supérieures à 50 -60 % par rapport aux revêtements à base d'eau durcissables par UV standards actuels. Pour l’applicateur, cela peut signifier :
●Production plus rapide ;
●L'épaisseur accrue du film réduit le besoin de couches supplémentaires ;
●Lignes de séchage plus courtes ;
●Économie d'énergie grâce à la réduction des besoins de séchage ;
●Moins de rebuts en raison de la résistance au blocage rapide ;
●Réduction des déchets de revêtement grâce à la stabilité de la résine.
Avec des COV inférieurs à 100 g/L, les fabricants sont également plus en mesure d'atteindre leurs objectifs en matière de COV. Pour les fabricants qui pourraient avoir des soucis d'expansion en raison de problèmes de permis, le PUD à libération rapide d'eau #65215A leur permettra de répondre plus facilement à leurs obligations réglementaires sans sacrifier les performances.
Au début de cet article, nous avons cité lors de nos entretiens que les applicateurs de matériaux durcissables aux UV à base de solvants sèchent et durcissent généralement les revêtements au cours d'un processus qui prend entre 3 et 5 minutes. Nous avons démontré dans cette étude que, selon le processus illustré à la figure 3, le PUD #65215A durcira jusqu'à 7 mils d'épaisseur de film humide en 4 minutes avec une température de four de 140 °C. C'est tout à fait dans la fenêtre de la plupart des revêtements durcissables aux UV à base de solvants. Le PUD #65215A pourrait potentiellement permettre aux applicateurs actuels de matériaux durcissables aux UV à base de solvants de passer à un matériau durcissable aux UV à base d'eau avec peu de changements dans leur ligne de revêtement.
Pour les fabricants envisageant d’augmenter leur production, les revêtements à base de PUD #65215A leur permettront de :
●Économisez de l'argent grâce à l'utilisation d'une ligne de revêtement à base d'eau plus courte ;
● Avoir une empreinte de ligne de revêtement plus petite dans l'installation ;
●Avoir un impact réduit sur le permis COV actuel ;
●Réalisez des économies d'énergie grâce à la réduction des besoins de séchage.
En conclusion, le PUD #65215A contribuera à améliorer l'efficacité de la fabrication des lignes de revêtements durcissables aux UV grâce à des performances physiques élevées et à des caractéristiques de libération rapide de l'eau de la résine lorsqu'elle est séchée à 140 °C.
Heure de publication : 14 août 2024
