Meningkatkan Efisiensi Manufaktur Melalui Penggunaan Poliuretan Berbasis Air yang Dapat Disembuhkan dengan Sinar UV

Pelapis UV berkinerja tinggi telah digunakan dalam pembuatan lantai, furnitur, dan lemari selama bertahun-tahun. Selama sebagian besar waktu tersebut, pelapis UV berbasis pelarut dan 100% padat telah menjadi teknologi dominan di pasar. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pelapis UV berbasis air telah berkembang. Resin UV berbasis air telah terbukti menjadi alat yang berguna bagi produsen karena berbagai alasan, termasuk lulus uji noda KCMA, pengujian ketahanan kimia, dan mengurangi VOC. Agar teknologi ini terus berkembang di pasar ini, beberapa faktor pendorong telah diidentifikasi sebagai area kunci di mana perbaikan perlu dilakukan. Hal ini akan membawa resin UV berbasis air melampaui sekadar memiliki "keunggulan wajib" yang dimiliki sebagian besar resin. Mereka akan mulai menambahkan sifat-sifat berharga pada pelapis, memberikan nilai tambah pada setiap posisi di sepanjang rantai nilai, mulai dari perumus pelapis hingga aplikator pabrik, pemasang, dan akhirnya, pemilik.

Para produsen, terutama saat ini, menginginkan lapisan yang tidak hanya memenuhi spesifikasi. Ada juga sifat-sifat lain yang memberikan manfaat dalam pembuatan, pengemasan, dan pemasangan. Salah satu atribut yang diinginkan adalah peningkatan efisiensi pabrik. Untuk lapisan berbasis air, ini berarti pelepasan air yang lebih cepat dan ketahanan terhadap penyumbatan yang lebih cepat. Atribut lain yang diinginkan adalah peningkatan stabilitas resin untuk pengambilan/penggunaan kembali lapisan, dan pengelolaan inventaris mereka. Bagi pengguna akhir dan pemasang, atribut yang diinginkan adalah ketahanan terhadap penggosokan yang lebih baik dan tidak adanya bekas pada logam selama pemasangan.

Artikel ini akan membahas perkembangan baru dalam poliuretan berbasis air yang dapat disembuhkan dengan sinar UV, yang menawarkan stabilitas cat 50 °C yang jauh lebih baik pada lapisan bening maupun berpigmen. Artikel ini juga membahas bagaimana resin ini memenuhi atribut yang diinginkan oleh aplikator pelapis dalam meningkatkan kecepatan lini produksi melalui pelepasan air yang cepat, peningkatan ketahanan terhadap penyumbatan, dan ketahanan terhadap pelarut di luar lini produksi, yang meningkatkan kecepatan untuk operasi penumpukan dan pengemasan. Hal ini juga akan mengurangi kerusakan di luar lini produksi yang terkadang terjadi. Artikel ini juga membahas peningkatan yang ditunjukkan dalam ketahanan terhadap noda dan bahan kimia yang penting bagi pemasang dan pemilik.

Latar belakang

Lanskap industri pelapis terus berkembang. Persyaratan "wajib" seperti hanya memenuhi spesifikasi dengan harga per milimeter yang wajar saja tidak cukup. Lanskap pelapis yang diaplikasikan di pabrik untuk lemari, perabot kayu, lantai, dan furnitur berubah dengan cepat. Para perumus yang memasok pelapis ke pabrik diminta untuk membuat pelapis lebih aman bagi karyawan saat diaplikasikan, menghilangkan zat-zat yang sangat berbahaya, mengganti VOC dengan air, dan bahkan menggunakan lebih sedikit karbon fosil dan lebih banyak biokarbon. Realitasnya adalah, di sepanjang rantai nilai, setiap pelanggan meminta pelapis untuk melakukan lebih dari sekadar memenuhi spesifikasi.

Melihat peluang untuk menciptakan nilai lebih bagi pabrik, tim kami mulai menyelidiki tantangan yang dihadapi para aplikator di tingkat pabrik. Setelah banyak wawancara, kami mulai mendengar beberapa tema umum:

• Kendala perizinan menghambat tujuan ekspansi saya;
• Biaya meningkat dan anggaran modal kita menurun;
• Biaya energi dan personel sama-sama meningkat;
• Kehilangan karyawan berpengalaman;
• Target SG&A perusahaan kami, serta target pelanggan saya, harus dipenuhi; dan
• Persaingan dari luar negeri.

Tema-tema ini mengarah pada pernyataan proposisi nilai yang mulai beresonansi dengan para aplikator poliuretan berbasis air yang dapat disembuhkan dengan sinar UV, terutama di pasar pertukangan dan pembuatan lemari, seperti: “produsen pertukangan dan pembuatan lemari mencari peningkatan efisiensi pabrik” dan “produsen menginginkan kemampuan untuk memperluas produksi pada jalur produksi yang lebih pendek dengan kerusakan pengerjaan ulang yang lebih sedikit karena lapisan dengan sifat pelepasan air yang lambat.”

Tabel 1 mengilustrasikan bagaimana, bagi produsen bahan baku pelapis, peningkatan pada atribut dan sifat fisik pelapis tertentu menghasilkan efisiensi yang dapat dirasakan oleh pengguna akhir.

TABEL 1 | Atribut dan manfaat.

Dengan mendesain PUD yang dapat disembuhkan dengan sinar UV dengan atribut tertentu seperti yang tercantum dalam Tabel 1, produsen pengguna akhir akan dapat memenuhi kebutuhan mereka dalam meningkatkan efisiensi pabrik. Hal ini akan memungkinkan mereka untuk lebih kompetitif, dan berpotensi memungkinkan mereka untuk memperluas produksi saat ini.

Hasil Eksperimen dan Diskusi

Sejarah Dispersi Poliuretan yang Dapat Disembuhkan dengan Sinar UV

Pada tahun 1990-an, penggunaan komersial dispersi poliuretan anionik yang mengandung gugus akrilat yang terikat pada polimer mulai digunakan dalam aplikasi industri.¹ Banyak dari aplikasi ini terdapat pada kemasan, tinta, dan pelapis kayu. Gambar 1 menunjukkan struktur umum PUD yang dapat disembuhkan dengan sinar UV, yang menunjukkan bagaimana bahan baku pelapis ini dirancang.

GAMBAR 1 | Dispersi poliuretan fungsional akrilat generik.3

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dispersi poliuretan yang dapat disembuhkan dengan sinar UV (UV-curable PUDs) terdiri dari komponen-komponen khas yang digunakan untuk membuat dispersi poliuretan. Diisosianat alifatik direaksikan dengan ester, diol, gugus hidrofilisasi, dan pemanjang rantai yang biasa digunakan untuk membuat dispersi poliuretan.² Perbedaannya adalah penambahan ester fungsional akrilat, epoksi, atau eter yang dimasukkan ke dalam langkah pra-polimer saat membuat dispersi. Pilihan bahan yang digunakan sebagai blok penyusun, serta arsitektur dan pemrosesan polimer, menentukan kinerja dan karakteristik pengeringan PUD. Pilihan bahan baku dan pemrosesan ini akan menghasilkan UV-curable PUD yang dapat bersifat non-pembentuk film, serta yang bersifat pembentuk film.³ Jenis pembentuk film, atau pengeringan, adalah subjek artikel ini.

Pembentukan lapisan film, atau pengeringan seperti yang sering disebut, akan menghasilkan lapisan film yang menyatu dan kering saat disentuh sebelum pengerasan UV. Karena aplikator ingin membatasi kontaminasi udara pada lapisan akibat partikel, serta kebutuhan akan kecepatan dalam proses produksi mereka, lapisan ini sering dikeringkan dalam oven sebagai bagian dari proses berkelanjutan sebelum pengerasan UV. Gambar 2 menunjukkan proses pengeringan dan pengerasan tipikal PUD yang dapat dikeraskan dengan UV.

GAMBAR 2 | Proses untuk mengeringkan PUD yang dapat dikeringkan dengan sinar UV.

Metode aplikasi yang umum digunakan adalah penyemprotan. Namun, metode pisau di atas rol dan bahkan pelapisan menyeluruh juga telah digunakan. Setelah diaplikasikan, lapisan tersebut biasanya akan melalui proses empat langkah sebelum ditangani kembali.

1. Flash: Ini dapat dilakukan pada suhu ruangan atau suhu yang lebih tinggi selama beberapa detik hingga beberapa menit.
2. Pengeringan oven: Pada tahap ini, air dan pelarut tambahan dihilangkan dari lapisan. Langkah ini sangat penting dan biasanya memakan waktu paling lama dalam suatu proses. Langkah ini biasanya dilakukan pada suhu >140 °F dan berlangsung hingga 8 menit. Oven pengering multi-zona juga dapat digunakan.

• Lampu IR dan pergerakan udara: Pemasangan lampu IR dan kipas pergerakan udara akan mempercepat semburan air menjadi lebih cepat lagi.

3. Perawatan dengan sinar UV.
4. Pendinginan: Setelah mengering, lapisan tersebut perlu dibiarkan mengering selama beberapa waktu untuk mencapai ketahanan terhadap pengelupasan. Langkah ini mungkin memakan waktu hingga 10 menit sebelum ketahanan terhadap pengelupasan tercapai.

Eksperimental

Studi ini membandingkan dua PUD yang dapat disembuhkan dengan UV (WB UV), yang saat ini digunakan di pasar kabinet dan pertukangan, dengan pengembangan baru kami, PUD # 65215A. Dalam studi ini, kami membandingkan Standar #1 dan Standar #2 dengan PUD #65215A dalam hal pengeringan, pemblokiran, dan ketahanan kimia. Kami juga mengevaluasi stabilitas pH dan stabilitas viskositas, yang dapat menjadi sangat penting ketika mempertimbangkan penggunaan kembali sisa semprotan dan umur simpan. Tabel 2 di bawah ini menunjukkan sifat fisik dari masing-masing resin yang digunakan dalam studi ini. Ketiga sistem tersebut diformulasikan dengan tingkat fotoinisiator, VOC, dan tingkat padatan yang serupa. Ketiga resin tersebut diformulasikan dengan 3% pelarut tambahan.

TABEL 2 | Sifat-sifat resin PUD.

Dalam wawancara kami, kami diberi tahu bahwa sebagian besar pelapis WB-UV di pasar pertukangan dan pembuatan lemari mengering di jalur produksi, yang membutuhkan waktu antara 5-8 menit sebelum pengerasan UV. Sebaliknya, jalur UV berbasis pelarut (SB-UV) mengering dalam 3-5 menit. Selain itu, untuk pasar ini, pelapis biasanya diaplikasikan dengan ketebalan basah 4-5 mil. Kelemahan utama pelapis UV berbasis air jika dibandingkan dengan alternatif berbasis pelarut adalah waktu yang dibutuhkan untuk menguapkan air di jalur produksi.⁴ Cacat film seperti bintik-bintik putih akan terjadi jika air belum diuapkan dengan benar dari pelapis sebelum pengerasan UV. Hal ini juga dapat terjadi jika ketebalan film basah terlalu tinggi. Bintik-bintik putih ini terbentuk ketika air terperangkap di dalam film selama pengerasan UV.⁵

Untuk penelitian ini, kami memilih jadwal pengeringan yang mirip dengan yang akan digunakan pada lini berbasis pelarut yang dapat dikeringkan dengan sinar UV. Gambar 3 menunjukkan jadwal aplikasi, pengeringan, pengerasan, dan pengemasan yang kami gunakan untuk penelitian kami. Jadwal pengeringan ini mewakili peningkatan kecepatan lini secara keseluruhan antara 50% hingga 60% dibandingkan standar pasar saat ini dalam aplikasi pertukangan dan pembuatan lemari.

GAMBAR 3 | Jadwal aplikasi, pengeringan, pengawetan, dan pengemasan.

Berikut adalah kondisi aplikasi dan pengeringan yang kami gunakan untuk penelitian kami:

●Aplikasi semprot di atas veneer maple dengan lapisan dasar hitam.
●Pencahayaan kilat 30 detik pada suhu ruangan.
● Oven pengering 140 °F selama 2,5 menit (oven konveksi).
●Penyembuhan dengan sinar UV – intensitas sekitar 800 mJ/cm2.

• Lapisan bening dikeringkan menggunakan lampu Hg.
• Lapisan berpigmen dikeringkan menggunakan lampu kombinasi Hg/Ga.

●Istirahat selama 1 menit sebelum menumpuk.

Untuk penelitian kami, kami juga menyemprotkan tiga ketebalan lapisan basah yang berbeda untuk melihat apakah keuntungan lain seperti jumlah lapisan yang lebih sedikit juga dapat terwujud. Ketebalan lapisan basah 4 mil adalah yang umum untuk UV berbasis air (WB UV). Untuk penelitian ini, kami juga menyertakan aplikasi pelapisan dengan ketebalan lapisan basah 6 dan 8 mil.

Hasil Penyembuhan

Standar #1, lapisan bening mengkilap tinggi, hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4. Lapisan bening UV berbasis air (WB UV) diaplikasikan pada papan serat kepadatan sedang (MDF) yang sebelumnya dilapisi dengan lapisan dasar hitam dan dikeringkan sesuai jadwal yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pada ketebalan basah 4 mil, lapisan tersebut lolos uji. Namun, pada ketebalan basah 6 dan 8 mil, lapisan tersebut retak, dan lapisan 8 mil mudah terkelupas karena pelepasan air yang buruk sebelum pengeringan UV.

GAMBAR 4 | Standar #1.

Hasil serupa juga terlihat pada Standar #2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

GAMBAR 5 | Standar #2.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, dengan menggunakan jadwal pengeringan yang sama seperti pada Gambar 3, PUD #65215A menunjukkan peningkatan yang luar biasa dalam pelepasan air/pengeringan. Pada ketebalan lapisan basah 8 mil, sedikit retakan diamati pada tepi bawah sampel.

GAMBAR 6 | PUD #65215A.

Pengujian tambahan PUD# 65215A dalam lapisan bening kilap rendah dan lapisan berpigmen di atas MDF yang sama dengan lapisan dasar hitam dievaluasi untuk menilai karakteristik pelepasan air dalam formulasi lapisan tipikal lainnya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, formulasi kilap rendah pada aplikasi basah 5 dan 7 mil melepaskan air dan membentuk lapisan yang baik. Namun, pada aplikasi basah 10 mil, lapisan tersebut terlalu tebal untuk melepaskan air di bawah jadwal pengeringan dan pengerasan pada Gambar 3.

GAMBAR 7 | PUD #65215A dengan kilap rendah.

Dalam formula berpigmen putih, PUD #65215A menunjukkan kinerja yang baik dalam jadwal pengeringan dan pengerasan yang sama seperti yang dijelaskan pada Gambar 3, kecuali ketika diaplikasikan pada ketebalan 8 mil basah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, lapisan film retak pada ketebalan 8 mil karena pelepasan air yang buruk. Secara keseluruhan dalam formulasi bening, kilap rendah, dan berpigmen, PUD #65215A menunjukkan kinerja yang baik dalam pembentukan lapisan film dan pengeringan ketika diaplikasikan hingga ketebalan 7 mil basah dan dikeraskan pada jadwal pengeringan dan pengerasan yang dipercepat seperti yang dijelaskan pada Gambar 3.

GAMBAR 8 | PUD Berpigmen #65215A.

Hasil Pemblokiran

Ketahanan terhadap penempelan adalah kemampuan lapisan untuk tidak menempel pada benda lain yang dilapisi saat ditumpuk. Dalam manufaktur, ini sering menjadi kendala jika lapisan yang telah mengering membutuhkan waktu untuk mencapai ketahanan terhadap penempelan. Untuk penelitian ini, formulasi berpigmen Standard #1 dan PUD #65215A diaplikasikan pada kaca dengan ketebalan 5 mil basah menggunakan batang penarik. Masing-masing lapisan dikeringkan sesuai dengan jadwal pengeringan pada Gambar 3. Dua panel kaca yang dilapisi dikeringkan secara bersamaan – 4 menit setelah pengeringan, panel-panel tersebut dijepit bersama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Panel-panel tersebut tetap dijepit bersama pada suhu ruangan selama 24 jam. Jika panel-panel tersebut mudah dipisahkan tanpa bekas atau kerusakan pada panel yang dilapisi, maka pengujian dianggap lulus.
Gambar 10 mengilustrasikan peningkatan ketahanan terhadap penyumbatan pada PUD# 65215A. Meskipun Standar #1 dan PUD #65215A sama-sama mencapai pengerasan sempurna pada pengujian sebelumnya, hanya PUD #65215A yang menunjukkan pelepasan air dan pengerasan yang cukup untuk mencapai ketahanan terhadap penyumbatan.

GAMBAR 9 | Ilustrasi uji resistansi pemblokiran.

GAMBAR 10 | Resistansi pemblokiran Standar #1, diikuti oleh PUD #65215A.

Hasil Pencampuran Akrilik

Produsen pelapis sering mencampur resin UV-curable berbasis air dengan akrilik untuk menurunkan biaya. Untuk penelitian kami, kami juga meneliti pencampuran PUD#65215A dengan NeoCryl® XK-12, akrilik berbasis air, yang sering digunakan sebagai bahan campuran untuk PUD berbasis air UV-curable di pasar pertukangan dan pembuatan lemari. Untuk pasar ini, pengujian noda KCMA dianggap sebagai standar. Tergantung pada aplikasi penggunaan akhir, beberapa bahan kimia akan menjadi lebih penting daripada yang lain bagi produsen barang yang dilapisi. Peringkat 5 adalah yang terbaik dan peringkat 1 adalah yang terburuk.

Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3, PUD #65215A menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam pengujian noda KCMA sebagai lapisan bening mengkilap tinggi, lapisan bening mengkilap rendah, dan sebagai lapisan berpigmen. Bahkan ketika dicampur 1:1 dengan akrilik, pengujian noda KCMA tidak terpengaruh secara drastis. Bahkan dalam pewarnaan dengan zat seperti mustard, lapisan tersebut pulih ke tingkat yang dapat diterima setelah 24 jam.

TABEL 3 | Ketahanan terhadap bahan kimia dan noda (peringkat 5 adalah yang terbaik).

Selain pengujian noda KCMA, produsen juga akan menguji pengerasan segera setelah pengerasan UV dari jalur produksi. Seringkali efek pencampuran akrilik akan terlihat segera setelah jalur pengerasan dalam pengujian ini. Harapannya adalah tidak terjadi penembusan lapisan setelah 20 kali gosokan ganda dengan isopropil alkohol (20 IPA dr). Sampel diuji 1 menit setelah pengerasan UV. Dalam pengujian kami, kami melihat bahwa campuran 1:1 PUD# 65215A dengan akrilik tidak lolos uji ini. Namun, kami melihat bahwa PUD #65215A dapat dicampur dengan 25% akrilik NeoCryl XK-12 dan masih lolos uji 20 IPA dr (NeoCryl adalah merek dagang terdaftar dari grup Covestro).

GAMBAR 11 | 20 gosokan ganda IPA, 1 menit setelah pengeringan UV.

Stabilitas Resin

Stabilitas PUD #65215A juga diuji. Suatu formulasi dianggap stabil jika setelah 4 minggu pada suhu 40 °C, pH tidak turun di bawah 7 dan viskositas tetap stabil dibandingkan dengan kondisi awal. Untuk pengujian kami, kami memutuskan untuk memberikan sampel pada kondisi yang lebih keras hingga 6 minggu pada suhu 50 °C. Pada kondisi ini, Standar #1 dan #2 tidak stabil.

Untuk pengujian kami, kami mengamati formulasi bening mengkilap tinggi, bening mengkilap rendah, serta formulasi berpigmen mengkilap rendah yang digunakan dalam penelitian ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12, stabilitas pH dari ketiga formulasi tersebut tetap stabil dan di atas ambang batas pH 7,0. Gambar 13 mengilustrasikan perubahan viskositas minimal setelah 6 minggu pada suhu 50 °C.

GAMBAR 12 | Stabilitas pH dari formulasi PUD #65215A.

GAMBAR 13 | Stabilitas viskositas dari formulasi PUD #65215A.

Uji lain yang menunjukkan kinerja stabilitas PUD #65215A adalah dengan kembali menguji ketahanan noda KCMA dari formulasi pelapis yang telah diendapkan selama 6 minggu pada suhu 50 °C, dan membandingkannya dengan ketahanan noda KCMA awalnya. Pelapis yang tidak menunjukkan stabilitas yang baik akan mengalami penurunan kinerja terhadap noda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14, PUD #65215A mempertahankan tingkat kinerja yang sama seperti pada pengujian ketahanan kimia/noda awal dari pelapis berpigmen yang ditunjukkan pada Tabel 3.

GAMBAR 14 | Panel uji kimia untuk PUD #65215A berpigmen.

Kesimpulan

Bagi aplikator pelapis berbasis air yang dapat dikeringkan dengan sinar UV, PUD #65215A akan memungkinkan mereka untuk memenuhi standar kinerja saat ini di pasar pertukangan, kayu, dan kabinet, dan selain itu, akan memungkinkan proses pelapisan untuk mengalami peningkatan kecepatan lini hingga lebih dari 50-60% dibandingkan pelapis berbasis air yang dapat dikeringkan dengan sinar UV standar saat ini. Bagi aplikator, ini mungkin berarti:

●Produksi lebih cepat;
●Peningkatan ketebalan lapisan mengurangi kebutuhan akan lapisan tambahan;
●Garis pengeringan yang lebih pendek;
●Penghematan energi karena berkurangnya kebutuhan pengeringan;
●Lebih sedikit limbah karena daya tahan terhadap penyumbatan yang cepat;
●Pengurangan limbah pelapis karena stabilitas resin.

Dengan kadar VOC kurang dari 100 g/L, produsen juga lebih mampu memenuhi target VOC mereka. Bagi produsen yang mungkin khawatir dengan ekspansi karena masalah perizinan, PUD #65215A dengan pelepasan air cepat akan memungkinkan mereka untuk lebih mudah memenuhi kewajiban peraturan tanpa mengorbankan kinerja.

Pada awal artikel ini, kami mengutip dari wawancara kami bahwa aplikator material UV-curable berbasis pelarut biasanya mengeringkan dan mengeraskan lapisan dalam proses yang memakan waktu antara 3-5 menit. Dalam studi ini, kami telah menunjukkan bahwa menurut proses yang ditunjukkan pada Gambar 3, PUD #65215A akan mengeraskan lapisan basah hingga ketebalan 7 mil dalam 4 menit dengan suhu oven 140 °C. Ini masih dalam rentang waktu yang dibutuhkan oleh sebagian besar lapisan UV-curable berbasis pelarut. PUD #65215A berpotensi memungkinkan aplikator material UV-curable berbasis pelarut saat ini untuk beralih ke material UV-curable berbasis air dengan sedikit perubahan pada lini pelapisan mereka.

Bagi produsen yang mempertimbangkan perluasan produksi, pelapis berbasis PUD #65215A akan memungkinkan mereka untuk:

●Hemat biaya dengan menggunakan jalur pelapisan berbasis air yang lebih pendek;
●Memiliki jejak jalur pelapisan yang lebih kecil di fasilitas tersebut;
●Memiliki dampak yang lebih kecil terhadap izin VOC saat ini;
●Menghemat energi berkat berkurangnya kebutuhan pengeringan.

Kesimpulannya, PUD #65215A akan membantu meningkatkan efisiensi produksi lini pelapis yang dapat disembuhkan dengan sinar UV melalui kinerja sifat fisik yang tinggi dan karakteristik pelepasan air yang cepat dari resin saat dikeringkan pada suhu 140 °C.