Les revêtements haute performance à polymérisation 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 à polymérisation UV 100 % solides et à base de solvants ont dominé le marché. Ces dernières années, la technologie des revêtements à polymérisation UV à base d'eau a connu un essor important. Les résines à polymérisation UV à base d'eau se sont révélées être un outil précieux pour les fabricants, notamment grâce à leur conformité aux normes KCMA en matière de résistance aux taches et aux produits chimiques, ainsi qu'à la réduction des COV. Pour que cette technologie continue de se développer sur ce marché, plusieurs axes d'amélioration clés ont été identifiés. Ces améliorations permettront aux résines à polymérisation UV à base d'eau d'aller au-delà des simples propriétés essentielles que possèdent la plupart des résines. Elles leur conféreront des propriétés à forte valeur ajoutée, optimisant ainsi chaque étape de la chaîne de valeur, du formulateur à l'applicateur en usine, en passant par l'installateur et, enfin, jusqu'au client final.
Les fabricants, plus que jamais, recherchent un revêtement qui dépasse le simple respect des spécifications. D'autres propriétés offrent des avantages en matière de fabrication, de conditionnement et d'installation. L'amélioration du rendement des installations est un critère essentiel. Pour un revêtement à base d'eau, cela se traduit par une libération d'eau plus rapide et une meilleure résistance au colmatage. L'amélioration de la stabilité de la résine est également un atout, permettant la récupération et la réutilisation du revêtement, ainsi qu'une gestion optimisée des stocks. Enfin, pour l'utilisateur final et l'installateur, les caractéristiques recherchées sont une meilleure résistance au polissage et l'absence de marques sur le métal lors de la pose.
Cet article présente les dernières avancées en matière de polyuréthanes à base d'eau polymérisables aux UV, offrant une stabilité nettement améliorée à 50 °C pour les peintures transparentes et pigmentées. Il explique également comment ces résines répondent aux exigences des applicateurs de revêtements en termes de cadence de production : libération rapide de l'eau, résistance accrue au colmatage et aux solvants en sortie de ligne, ce qui optimise les opérations d'empilage et d'emballage. Elles permettent également de limiter les dommages parfois rencontrés en sortie de ligne. Enfin, cet article aborde les améliorations apportées à la résistance aux taches et aux produits chimiques, des points essentiels pour les installateurs et les propriétaires.
Arrière-plan
Le secteur des revêtements est en constante évolution. Se contenter de respecter le cahier des charges à un prix raisonnable par millimètre appliqué ne suffit plus. Le marché des revêtements appliqués en usine sur les meubles, les menuiseries, les revêtements de sol et l'ameublement se transforme rapidement. Les formulateurs qui fournissent les revêtements aux usines sont de plus en plus sollicités pour améliorer la sécurité d'application, éliminer les substances préoccupantes, remplacer les COV par de l'eau et même réduire l'utilisation de carbone fossile au profit du biocarbone. En réalité, tout au long de la chaîne de valeur, chaque client exige du revêtement bien plus que la simple conformité au cahier des charges.
Voyant là une opportunité de créer davantage de valeur pour l'usine, notre équipe a commencé à enquêter sur les difficultés rencontrées par ces applicateurs, directement sur place. Après de nombreux entretiens, des thèmes communs sont apparus :
- Les obstacles liés aux permis m'empêchent d'atteindre 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 en matière de frais généraux et administratifs, ainsi que ceux de mon client, doivent être atteints ;
- Compétition internationale.
Ces thèmes ont donné lieu à des énoncés de proposition de valeur qui ont commencé à trouver un écho auprès des applicateurs de polyuréthanes à base d'eau durcissables aux UV, notamment sur le marché de la menuiserie et de l'ébénisterie, tels que : « les fabricants de menuiserie et d'ébénisterie recherchent des améliorations de l'efficacité de leurs usines » et « les fabricants souhaitent pouvoir augmenter leur production sur des lignes de production plus courtes avec moins de dommages liés aux retouches grâce aux revêtements à libération lente d'eau ».
Le tableau 1 illustre comment, pour le fabricant de matières premières pour revêtements, les améliorations apportées à certains attributs et propriétés physiques des revêtements conduisent à des gains d’efficacité dont peut bénéficier l’utilisateur final.
TABLEAU 1 | Attributs et avantages.
En concevant des PUD durcissables aux UV présentant certaines caractéristiques, comme indiqué dans le tableau 1, les fabricants finaux pourront répondre à leurs besoins d'amélioration de l'efficacité de leurs installations. Ils pourront ainsi être plus compétitifs et potentiellement accroître leur production actuelle.
Résultats expérimentaux et discussion
Historique des dispersions de polyuréthane durcissables aux UV
Dans les années 1990, l'utilisation commerciale des dispersions de polyuréthane anioniques contenant des groupes acrylate greffés au polymère a débuté dans des applications industrielles¹. Nombre de ces applications concernaient l'emballage, les encres et les revêtements pour bois. La figure 1 présente la structure générique d'une dispersion de polyuréthane (PUD) polymérisable aux UV, illustrant la conception de ces matières premières pour revêtements.
FIGURE 1 | Dispersion générique de polyuréthane fonctionnel à base d'acrylate.3
Comme illustré à la figure 1, les dispersions de polyuréthane réticulables aux UV (PUD réticulables aux UV) sont composées des éléments classiques utilisés pour la fabrication des dispersions de polyuréthane. Des diisocyanates aliphatiques réagissent avec les esters, diols, groupes hydrophiles et allongeurs de chaîne habituellement employés dans la synthèse des dispersions de polyuréthane.² La différence réside dans l'ajout d'un ester fonctionnel acrylate, d'un époxy ou d'un éther, incorporé lors de l'étape de prépolymérisation au cours de la préparation de la dispersion. Le choix des matériaux de base, ainsi que l'architecture du polymère et son procédé de mise en œuvre, déterminent les performances et les caractéristiques de séchage d'une PUD. Ces choix de matières premières et de procédés permettent d'obtenir des PUD réticulables aux UV qui peuvent former un film ou non.³ Cet article traite des PUD formant un film, ou des PUD séchant selon leur mode de séchage.
La formation du film, ou séchage, permet d'obtenir des films coalescents secs au toucher avant polymérisation UV. Afin de limiter la contamination du revêtement par des particules en suspension dans l'air et pour optimiser la rapidité de production, les applicateurs procèdent souvent à un séchage en étuve dans le cadre d'un processus continu précédant la polymérisation UV. La figure 2 illustre le processus typique de séchage et de polymérisation d'un PUD polymérisable aux UV.
FIGURE 2 | Procédé de durcissement d'un PUD durcissable aux UV.
La méthode d'application la plus courante est la pulvérisation. Cependant, l'application au couteau sur rouleau et même l'application en couche épaisse ont également été utilisées. Une fois appliqué, le revêtement subit généralement un processus en quatre étapes avant d'être manipulé à nouveau.
1. Flash : Cela peut être fait à température ambiante ou à température élevée pendant plusieurs secondes à quelques minutes.
2. Séchage au four : Cette étape consiste à éliminer l’eau et les cosolvants du revêtement. Elle est cruciale et généralement la plus longue du processus. Le séchage se fait généralement à une température supérieure à 60 °C (140 °F) et dure jusqu’à 8 minutes. Des fours de séchage multizones peuvent également être utilisés.
- Lampes infrarouges et ventilation : L'installation de lampes infrarouges et de ventilateurs de ventilation accélérera encore plus le flash de l'eau.
3. Séchage UV.
4. Refroidissement : Une fois durci, le revêtement doit durcir pendant un certain temps pour atteindre la résistance au blocage. Cette étape peut prendre jusqu'à 10 minutes.
Expérimental
Cette étude compare deux polyuréthanes (PUD) polymérisables aux UV (WB UV), actuellement utilisés sur le marché de l'ameublement et de la menuiserie, à notre nouveau produit, le PUD n° 65215A. Nous comparons ici les résines Standard n° 1 et Standard n° 2 au PUD n° 65215A en termes de séchage, de pouvoir couvrant et de résistance chimique. Nous évaluons également la stabilité du pH et de la viscosité, deux paramètres essentiels pour la réutilisation des excédents de produit 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 concentrations similaires de photo-initiateur, de COV et de matières solides. Les trois résines contiennent 3 % de co-solvant.
TABLEAU 2 | Propriétés de la résine PUD.
Lors de nos entretiens, on nous a indiqué que la plupart des revêtements WB-UV utilisés sur les marchés de la menuiserie et de l'ébénisterie sèchent sur une chaîne de production en 5 à 8 minutes avant polymérisation UV. À titre de comparaison, une ligne de revêtement UV à base de solvant (SB-UV) sèche en 3 à 5 minutes. De plus, pour ce marché, les revêtements sont généralement appliqués avec une épaisseur humide de 4 à 5 mils. Un inconvénient majeur des revêtements UV à base d'eau, comparés aux alternatives à base de solvant, réside dans le temps nécessaire à l'évaporation de l'eau sur une chaîne de production.⁴ Des défauts de film, tels que des points blancs, apparaissent si l'eau n'a pas été correctement évaporée du revêtement avant polymérisation UV. Ce phénomène peut également se produire si l'épaisseur du film humide est trop importante. Ces points blancs se forment lorsque l'eau reste piégée à l'intérieur du film pendant la polymérisation UV.⁵
Pour cette étude, nous avons opté pour un cycle de polymérisation similaire à celui utilisé sur une ligne de production de résines à base de solvants polymérisables aux UV. La figure 3 illustre le cycle d'application, de séchage, de polymérisation et de conditionnement mis en œuvre. Ce cycle de séchage représente une amélioration de 50 à 60 % de la vitesse globale de la ligne par rapport à la norme actuelle du marché pour les applications de menuiserie et d'ébénisterie.
FIGURE 3 | Programme 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 un placage d'érable avec une sous-couche noire.
●Flash de 30 secondes à température ambiante.
●Four de séchage à 140 °F pendant 2,5 minutes (four à convection).
●Polymérisation UV – intensité d'environ 800 mJ/cm2.
- Les revêtements transparents ont été polymérisés à l'aide d'une lampe à mercure.
- Les revêtements pigmentés ont été polymérisés à l'aide d'une lampe combinée Hg/Ga.
● Laisser refroidir 1 minute avant d'empiler.
Dans le cadre de notre étude, nous avons également appliqué trois épaisseurs de film humide différentes afin de déterminer si d'autres avantages, tels qu'une réduction du nombre de couches, seraient obtenus. L'épaisseur de 4 mils (film humide) est typique pour les peintures UV à base d'eau. Nous avons également inclus dans cette étude des applications de revêtement d'épaisseurs de 6 et 8 mils (film humide).
Résultats de guérison
Les résultats du vernis transparent brillant standard n° 1 sont présentés sur la figure 4. Ce vernis transparent UV à base d’eau a été appliqué sur un panneau de fibres de moyenne densité (MDF) préalablement recouvert d’une sous-couche noire et polymérisé selon le programme indiqué sur la figure 3. À une épaisseur de 4 mils (0,1 mm) d’humidité, le vernis est conforme. Cependant, à des épaisseurs de 6 et 8 mils (1,5 et 2 mils), le vernis a fissuré, et une épaisseur de 8 mils (2 mils) s’est facilement détachée en raison d’une mauvaise évacuation de l’eau avant la polymérisation 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.
Comme illustré sur la figure 6, et en utilisant le même programme de durcissement que sur la figure 3, le PUD n° 65215A a démontré une nette amélioration en termes de libération d’eau et de séchage. À une épaisseur de film humide de 8 mils, de légères fissures ont été observées sur le bord inférieur de l’échantillon.
FIGURE 6 | PUD #65215A.
Des essais supplémentaires du produit PUD# 65215A, appliqué sur le même panneau MDF à sous-couche noire, ont été réalisés avec un vernis transparent mat et un vernis pigmenté afin d'évaluer les caractéristiques de libération d'eau de différentes formulations de revêtement. Comme illustré sur la figure 7, la formulation mate, appliquée à une épaisseur de 5 et 7 mils (état humide), a permis une bonne libération d'eau et la formation d'un film satisfaisant. En revanche, à 10 mils (état humide), l'épaisseur était trop importante pour permettre une libération d'eau adéquate lors du cycle de séchage et de durcissement présenté sur la figure 3.
FIGURE 7 | PUD à faible brillance #65215A.
Dans une formule pigmentée blanche, le PUD n° 65215A a donné de bons résultats lors du cycle de séchage et de durcissement décrit à la figure 3, sauf à une épaisseur de 8 mils humides. Comme illustré à la figure 8, le film se fissure à cette épaisseur en raison d’une mauvaise évacuation de l’eau. Globalement, dans les formulations transparentes, mates et pigmentées, le PUD n° 65215A a présenté de bonnes performances en termes de formation de film et de séchage, jusqu’à une épaisseur de 7 mils humides, avec un cycle de séchage et de durcissement accéléré décrit à 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'ils sont superposés. En production, ce phénomène constitue souvent un goulot d'étranglement si le durcissement du revêtement prend du temps. Pour cette étude, des formulations pigmentées des normes Standard n° 1 et PUD n° 65215A ont été appliquées sur du verre à une épaisseur de 5 mils humides à l'aide d'une barre d'étirage. Chaque revêtement a été durci selon le programme de durcissement présenté sur la figure 3. Deux panneaux de verre revêtus ont été durcis simultanément ; quatre minutes après le durcissement, les panneaux ont été serrés l'un contre l'autre, comme illustré sur la figure 9. Ils sont restés serrés à température ambiante pendant 24 heures. Si les panneaux se séparaient facilement sans laisser de traces ni endommager les revêtements, le test était considéré comme réussi.
La figure 10 illustre la résistance au blocage améliorée du PUD n° 65215A. Bien que le standard n° 1 et le PUD n° 65215A aient tous deux atteint un durcissement complet lors du test précédent, seul le PUD n° 65215A a démontré une libération d'eau et un durcissement suffisants pour atteindre la résistance au blocage.
FIGURE 9 | Illustration du test de résistance au 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 à polymérisation UV avec des acryliques pour réduire les coûts. Dans le cadre de notre étude, nous avons également examiné le mélange du PUD n° 65215A avec le NeoCryl® XK-12, un acrylique à base d'eau, fréquemment utilisé comme partenaire de mélange pour les PUD à base d'eau à polymérisation UV sur le marché de la menuiserie et de l'ébénisterie. Sur ce marché, les tests de résistance aux taches KCMA sont considérés comme la norme. Selon l'application finale, certains produits chimiques revêtent une importance particulière pour le fabricant de l'article revêtu. Une note de 5 représente la meilleure note et une note de 1 la pire.
Comme le montre le tableau 3, le PUD n° 65215A présente d'excellentes performances au test de coloration KCMA, que ce soit en version transparente brillante, transparente mate ou pigmentée. Même mélangé à parts égales avec un acrylique, le test de coloration KCMA n'est pas significativement altéré. Même après 24 heures de coloration avec des agents tels que la moutarde, le revêtement retrouve un aspect acceptable.
TABLEAU 3 | Résistance chimique et aux taches (la note de 5 est la meilleure).
Outre le test de coloration KCMA, les fabricants effectuent également un test de polymérisation immédiatement après le séchage UV en sortie de chaîne. Les effets du mélange acrylique sont souvent immédiatement perceptibles lors de ce test. L'objectif est de ne pas observer de perméation du revêtement après 20 frottements doubles à l'alcool isopropylique (20 IPA dr). Les échantillons sont testés 1 minute après le séchage UV. Nos tests ont montré qu'un mélange 1:1 de PUD n° 65215A avec un acrylique ne réussissait pas ce test. En revanche, nous avons constaté que le PUD n° 65215A pouvait être mélangé à 25 % d'acrylique NeoCryl XK-12 et réussir le test des 20 IPA dr (NeoCryl est une marque déposée du groupe Covestro).
FIGURE 11 | 20 doubles frottements à l'IPA, 1 minute après polymérisation UV.
Stabilité de la résine
La stabilité du PUD n° 65215A a également été testée. Une formulation est considérée comme stable à température ambiante si, après 4 semaines à 40 °C, son pH ne descend pas en dessous de 7 et sa viscosité reste stable par rapport à sa valeur initiale. Pour nos tests, nous avons décidé de soumettre les échantillons à des conditions plus sévères, jusqu’à 6 semaines à 50 °C. Dans ces conditions, les standards n° 1 et n° 2 se sont révélés instables.
Pour nos tests, nous avons examiné les formulations transparentes brillantes et mates, ainsi que les formulations pigmentées mates 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 7,0. La figure 13 illustre la variation minimale de viscosité après 6 semaines à 50 °C.
FIGURE 12 | Stabilité du pH du PUD formulé n° 65215A.
FIGURE 13 | Stabilité de la viscosité du PUD formulé #65215A.
Un autre test démontrant la stabilité du PUD n° 65215A consistait à évaluer à nouveau la résistance aux taches KCMA d'une formulation de revêtement vieillie pendant 6 semaines à 50 °C, et à la comparer à sa résistance initiale aux taches KCMA. Les revêtements présentant une faible stabilité verront leur résistance aux taches diminuer. Comme le montre la figure 14, le PUD n° 65215A a conservé le même niveau de performance que lors du test initial de résistance chimique et aux taches du revêtement pigmenté présenté dans le tableau 3.
FIGURE 14 | Panneaux de test chimique pour PUD pigmenté n° 65215A.
Conclusions
Pour les applicateurs de revêtements aqueux à polymérisation UV, le brevet PUD n° 65215A leur permettra de respecter les normes de performance actuelles sur les marchés de la menuiserie, du bois et de l’ameublement. De plus, il permettra d’améliorer la vitesse de production de plus de 50 à 60 % par rapport aux revêtements aqueux à polymérisation UV standard actuels. Pour l’applicateur, cela peut se traduire par :
● Production plus rapide ;
●Une épaisseur de film accrue réduit le besoin de couches supplémentaires ;
● Lignes de séchage plus courtes ;
●Économies d'énergie grâce à la réduction des besoins de séchage ;
●Moins de déchets grâce à une 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 plus à même d'atteindre leurs objectifs en la matière. Pour ceux qui s'inquiètent de l'expansion de leur activité en raison de problèmes de permis, le dispositif PUD n° 65215A à libération d'eau rapide leur permettra de respecter plus facilement leurs obligations réglementaires sans compromettre les performances.
Au début de cet article, nous avons cité nos entretiens indiquant que les applicateurs de matériaux à base de solvants polymérisables aux UV effectuaient généralement un séchage et un durcissement des revêtements en 3 à 5 minutes. Cette étude a démontré que, selon le procédé illustré à la figure 3, le PUD n° 65215A permet de polymériser des films humides d'une épaisseur allant jusqu'à 7 mils en 4 minutes à une température de four de 140 °C. Ce temps de polymérisation est tout à fait compatible avec la plupart des revêtements à base de solvants polymérisables aux UV. Le PUD n° 65215A pourrait permettre aux applicateurs actuels de matériaux à base de solvants polymérisables aux UV de passer à un matériau à base d'eau polymérisable aux UV, moyennant des modifications minimes de leur ligne de revêtement.
Pour les fabricants envisageant une expansion de leur production, les revêtements basés sur le PUD n° 65215A leur permettront de :
●Réalisez des économies grâce à l’utilisation d’une ligne de revêtement à base d’eau plus courte ;
● Disposer d'une empreinte plus réduite de la ligne de revêtement 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 fabrication des lignes de revêtements durcissables aux UV grâce à des performances élevées en matière de propriétés physiques et à des caractéristiques de libération d'eau rapide de la résine lorsqu'elle est séchée à 140 °C.
Date de publication : 14 août 2024
