Pelapis UV-curable berkinerja tinggi telah digunakan dalam pembuatan lantai, furnitur, dan lemari selama bertahun-tahun. Selama sebagian besar waktu ini, pelapis UV-curable berbasis 100% padat dan pelarut telah menjadi teknologi dominan di pasar. Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pelapis UV-curable berbasis air telah berkembang. Resin UV-curable berbasis air telah terbukti menjadi alat yang berguna bagi produsen karena berbagai alasan, termasuk lulus pewarnaan KCMA, uji ketahanan kimia, dan mengurangi VOC. Agar teknologi ini terus berkembang di pasar ini, beberapa pendorong telah diidentifikasi sebagai area utama yang perlu ditingkatkan. Ini akan membawa resin UV-curable berbasis air lebih dari sekadar memiliki "keharusan" yang dimiliki sebagian besar resin. Mereka akan mulai menambahkan sifat-sifat berharga pada pelapis, membawa nilai ke setiap posisi di sepanjang rantai nilai dari perumus pelapis ke aplikator pabrik ke pemasang dan, akhirnya, ke pemilik.
Produsen, terutama saat ini, menginginkan pelapis yang lebih dari sekadar memenuhi spesifikasi. Ada juga sifat-sifat lain yang memberikan manfaat dalam proses manufaktur, pengemasan, dan pemasangan. Salah satu atribut yang diinginkan adalah peningkatan efisiensi pabrik. Untuk pelapis berbasis air, hal ini berarti pelepasan air yang lebih cepat dan ketahanan terhadap penyumbatan yang lebih cepat. Atribut lain yang diinginkan adalah peningkatan stabilitas resin untuk penyerapan/penggunaan kembali pelapis, dan pengelolaan inventaris mereka. Bagi pengguna akhir dan pemasang, atribut yang diinginkan adalah ketahanan poles yang lebih baik dan tidak ada tanda logam selama pemasangan.
Artikel ini akan membahas perkembangan terbaru dalam poliuretan berbasis air yang dapat diawetkan dengan 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 dari aplikator pelapis, yaitu meningkatkan kecepatan lini produksi melalui pelepasan air yang cepat, meningkatkan ketahanan terhadap blok, dan ketahanan terhadap pelarut di lini produksi, yang pada akhirnya akan mempercepat proses penumpukan dan pengemasan. Hal ini juga akan mengurangi kerusakan di lini produksi yang terkadang terjadi. Artikel ini juga membahas peningkatan ketahanan terhadap noda dan bahan kimia yang penting bagi para pemasang dan pemilik produk.
Latar belakang
Lanskap industri pelapis terus berkembang. Syarat "wajib" untuk sekadar memenuhi spesifikasi dengan harga terjangkau per mil yang diaplikasikan saja tidak cukup. Lanskap pelapis yang diaplikasikan di pabrik untuk kabinet, pertukangan kayu, lantai, dan furnitur berubah dengan cepat. Formulator yang memasok pelapis ke pabrik diminta untuk membuat pelapis yang lebih aman untuk diaplikasikan oleh karyawan, menghilangkan zat-zat yang berbahaya, mengganti VOC dengan air, dan bahkan mengurangi penggunaan karbon fosil dan meningkatkan penggunaan biokarbon. Kenyataannya, 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 ini di tingkat pabrik. Setelah banyak wawancara, kami mulai mendengar beberapa tema umum:
- Membiarkan adanya hambatan menghalangi tujuan ekspansi saya;
- Biaya meningkat dan anggaran modal kita menurun;
- Biaya energi dan personel meningkat;
- Hilangnya karyawan yang berpengalaman;
- Tujuan SG&A perusahaan kami, serta tujuan pelanggan saya, harus dipenuhi; dan
- Kompetisi luar negeri.
Tema-tema ini menghasilkan pernyataan proposisi nilai yang mulai diterima oleh para aplikator poliuretan berbasis air yang dapat diawetkan dengan sinar UV, terutama di pasar pertukangan dan kabinet, seperti: "produsen pertukangan dan kabinet sedang 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 tersebut memiliki sifat pelepasan air yang lambat."
Tabel 1 mengilustrasikan bagaimana, bagi produsen bahan baku pelapis, perbaikan pada atribut pelapis dan sifat fisik tertentu menghasilkan efisiensi yang dapat diwujudkan oleh pengguna akhir.
TABEL 1 | Atribut dan manfaat.
Dengan merancang PUD yang dapat diawetkan dengan UV dengan atribut-atribut tertentu seperti yang tercantum pada Tabel 1, produsen pengguna akhir akan dapat memenuhi kebutuhan mereka dalam meningkatkan efisiensi pabrik. Hal ini akan memungkinkan mereka untuk menjadi lebih kompetitif, dan berpotensi memperluas produksi yang ada.
Hasil Eksperimen dan Pembahasan
Sejarah Dispersi Poliuretan yang Dapat Disembuhkan dengan UV
Pada tahun 1990-an, penggunaan komersial dispersi poliuretan anionik yang mengandung gugus akrilat yang terikat pada polimer mulai diterapkan dalam aplikasi industri.1 Banyak aplikasi ini digunakan dalam kemasan, tinta, dan pelapis kayu. Gambar 1 menunjukkan struktur generik PUD yang dapat diawetkan dengan UV, yang menunjukkan bagaimana bahan baku pelapis ini dirancang.
GAMBAR 1 | Dispersi poliuretan fungsional akrilat generik.3
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1, dispersi poliuretan yang dapat diawetkan dengan UV (PUD yang dapat diawetkan dengan UV) terdiri dari komponen-komponen umum yang digunakan untuk membuat dispersi poliuretan. Diisosianat alifatik direaksikan dengan ester, diol, gugus hidrofilisasi, dan pemanjang rantai yang umum digunakan untuk membuat dispersi poliuretan. Perbedaannya terletak pada 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 PUD yang dapat diawetkan dengan UV yang dapat membentuk film, serta yang membentuk film. Jenis-jenis pembentukan film, atau pengeringan, merupakan subjek artikel ini.
Pembentukan film, atau yang sering disebut pengeringan, akan menghasilkan film yang menyatu dan kering saat disentuh sebelum proses pengeringan UV. Karena aplikator ingin membatasi kontaminasi udara pada lapisan akibat partikulat, serta kebutuhan akan kecepatan dalam proses produksi, film-film ini sering dikeringkan dalam oven sebagai bagian dari proses berkelanjutan sebelum proses pengeringan UV. Gambar 2 menunjukkan proses pengeringan dan pengeringan umum PUD yang dapat dikeringkan dengan UV.
GAMBAR 2 | Proses pengeringan PUD yang dapat dikeringkan dengan UV.
Metode aplikasi yang umum digunakan adalah semprot. Namun, pisau di atas rol dan bahkan pelapis banjir juga telah digunakan. Setelah diaplikasikan, lapisan biasanya akan melalui proses empat langkah sebelum digunakan kembali.
1. Flash: Ini dapat dilakukan pada suhu ruangan atau suhu tinggi selama beberapa detik hingga beberapa menit.
2. Pengeringan oven: Di sinilah air dan pelarut bersama dikeluarkan dari lapisan. Langkah ini krusial 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 lebih cepat lagi.
3.Penyembuhan dengan sinar UV.
4. Dingin: Setelah kering, lapisan perlu dikeringkan selama beberapa waktu untuk mencapai ketahanan pemblokiran. Langkah ini mungkin memakan waktu hingga 10 menit sebelum ketahanan pemblokiran tercapai.
Eksperimental
Studi ini membandingkan dua PUD yang dapat diawetkan 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 viskositas, yang dapat menjadi pertimbangan penting dalam penggunaan kembali overspray dan masa simpan. Tabel 2 di bawah ini menunjukkan sifat fisik masing-masing resin yang digunakan dalam studi ini. Ketiga sistem diformulasikan dengan kadar fotoinisiator, VOC, dan padatan yang serupa. Ketiga resin diformulasikan dengan 3% pelarut bersama.
TABEL 2 | Sifat resin PUD.
Dalam wawancara kami, kami diberitahu bahwa sebagian besar pelapis WB-UV di pasar pertukangan dan kabinet mengering di jalur produksi, yang membutuhkan waktu antara 5-8 menit sebelum proses pengeringan UV. Sebaliknya, jalur UV berbasis pelarut (SB-UV) mengering dalam 3-5 menit. Selain itu, untuk pasar ini, pelapis biasanya diaplikasikan pada kondisi basah 4-5 mil. Kelemahan utama pelapis UV berbasis air dibandingkan dengan alternatif berbasis pelarut yang dapat dikeringkan UV adalah waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan air di jalur produksi.4 Cacat lapisan film seperti bercak putih akan terjadi jika air belum dikeluarkan dengan benar dari lapisan sebelum proses pengeringan UV. Hal ini juga dapat terjadi jika ketebalan lapisan basah terlalu tinggi. Bercak putih ini terbentuk ketika air terperangkap di dalam lapisan film selama proses pengeringan UV.5
Untuk studi ini, kami memilih jadwal pengeringan yang serupa dengan yang akan digunakan pada lini produksi berbasis pelarut yang dapat dikeringkan dengan UV. Gambar 3 menunjukkan jadwal aplikasi, pengeringan, pengeringan, dan pengemasan yang kami gunakan dalam studi ini. Jadwal pengeringan ini menunjukkan peningkatan kecepatan lini produksi secara keseluruhan sebesar 50% hingga 60% dibandingkan standar pasar saat ini untuk aplikasi pertukangan dan kabinet.
GAMBAR 3 | Jadwal aplikasi, pengeringan, pengawetan, dan pengemasan.
Berikut adalah aplikasi dan kondisi curing yang kami gunakan dalam penelitian kami:
●Aplikasi semprot di atas lapisan kayu maple dengan lapisan dasar hitam.
●Flash suhu ruangan selama 30 detik.
●Oven pengering 140 °F selama 2,5 menit (oven konveksi).
●UV cure – intensitas sekitar 800 mJ/cm2.
- Lapisan bening diawetkan menggunakan lampu Hg.
- Pelapis berpigmen diawetkan menggunakan lampu kombinasi Hg/Ga.
●Pendinginan selama 1 menit sebelum ditumpuk.
Untuk studi kami, kami juga menyemprotkan tiga ketebalan lapisan basah yang berbeda untuk melihat apakah ada keuntungan lain seperti jumlah lapisan yang lebih sedikit. Lapisan basah 4 mil merupakan standar untuk WB UV. Untuk studi ini, kami juga menyertakan aplikasi pelapisan basah 6 dan 8 mil.
Hasil Penyembuhan
Standar #1, lapisan bening berkilap tinggi, hasilnya ditunjukkan pada Gambar 4. Lapisan bening UV WB diaplikasikan pada papan serat padat sedang (MDF) yang sebelumnya dilapisi dengan lapisan dasar hitam dan dikeringkan sesuai jadwal yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pada tingkat kebasahan 4 mil, lapisan tersebut lolos. Namun, pada tingkat kebasahan 6 dan 8 mil, lapisan retak, dan pada tingkat kebasahan 8 mil mudah terkelupas karena pelepasan air yang buruk sebelum pengeringan UV.
GAMBAR 4 | Standar #1.
Hasil serupa juga terlihat pada Standar #2, ditunjukkan pada Gambar 5.
GAMBAR 5 | Standar #2.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 6, dengan menggunakan jadwal curing yang sama seperti pada Gambar 3, PUD #65215A menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam pelepasan/pengeringan air. Pada ketebalan lapisan basah 8 mil, sedikit retakan terlihat pada tepi bawah sampel.
GAMBAR 6 | PUD #65215A.
Pengujian tambahan PUD# 65215A pada lapisan bening low-gloss dan lapisan berpigmen di atas MDF yang sama dengan lapisan dasar hitam dievaluasi untuk mengevaluasi karakteristik pelepasan air pada formulasi pelapis umum lainnya. Seperti ditunjukkan pada Gambar 7, formulasi low-gloss pada aplikasi basah 5 dan 7 mil melepaskan air dan membentuk lapisan film yang baik. Namun, pada aplikasi basah 10 mil, lapisan film terlalu tebal untuk melepaskan air sesuai jadwal pengeringan dan pengerasan pada Gambar 3.
GAMBAR 7 | PUD kilap rendah #65215A.
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 8 mil basah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, film retak pada 8 mil karena pelepasan air yang buruk. Secara keseluruhan, dalam formulasi yang bening, berkilap rendah, dan berpigmen, PUD# 65215A menunjukkan kinerja yang baik dalam pembentukan film dan pengeringan ketika diaplikasikan hingga 7 mil basah dan dikeringkan pada jadwal pengeringan dan pengerasan yang dipercepat seperti yang dijelaskan pada Gambar 3.
GAMBAR 8 | PUD Berpigmen #65215A.
Memblokir Hasil
Ketahanan pemblokiran adalah kemampuan lapisan untuk tidak menempel pada benda lain yang dilapisi saat ditumpuk. Dalam proses manufaktur, hal ini seringkali menjadi hambatan jika lapisan yang telah diawetkan membutuhkan waktu untuk mencapai ketahanan pemblokiran. Untuk penelitian ini, formulasi berpigmen Standard #1 dan PUD #65215A diaplikasikan pada kaca pada 5 mil basah menggunakan batang penarik. Masing-masing dikeringkan sesuai dengan jadwal pengeringan pada Gambar 3. Dua panel kaca berlapis 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 meninggalkan jejak atau kerusakan pada panel berlapis, maka pengujian dianggap lulus.
Gambar 10 mengilustrasikan peningkatan ketahanan pemblokiran PUD# 65215A. Meskipun Standar #1 dan PUD #65215A mencapai pengerasan penuh pada pengujian sebelumnya, hanya PUD #65215A yang menunjukkan pelepasan air dan pengerasan yang cukup untuk mencapai ketahanan pemblokiran.
GAMBAR 9 | Ilustrasi uji resistensi pemblokiran.
GAMBAR 10 | Resistensi pemblokiran Standar #1, diikuti oleh PUD #65215A.
Hasil Pencampuran Akrilik
Produsen pelapis sering kali memadukan resin WB yang dapat diawetkan dengan UV dengan akrilik untuk mengurangi biaya. Dalam studi kami, kami juga mengamati pencampuran PUD#65215A dengan NeoCryl® XK-12, akrilik berbasis air, yang sering digunakan sebagai mitra pencampuran untuk PUD berbasis air yang dapat diawetkan dengan UV di pasar pertukangan dan kabinet. 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 produk yang dilapisi. Peringkat 5 adalah yang terbaik dan peringkat 1 adalah yang terburuk.
Seperti ditunjukkan pada Tabel 3, PUD #65215A menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam uji pewarnaan KCMA sebagai pelapis bening berkilap tinggi, pelapis bening berkilap rendah, dan sebagai pelapis berpigmen. Bahkan ketika dicampur dengan akrilik dengan perbandingan 1:1, hasil uji pewarnaan KCMA tidak terlalu terpengaruh. Bahkan ketika diwarnai dengan bahan seperti mustard, lapisan tersebut kembali ke tingkat yang dapat diterima setelah 24 jam.
TABEL 3 | Ketahanan terhadap bahan kimia dan noda (nilai 5 adalah yang terbaik).
Selain uji noda KCMA, produsen juga akan menguji pengeringan segera setelah proses pengeringan UV selesai. Seringkali, efek pencampuran akrilik akan langsung terlihat setelah proses pengeringan dalam pengujian ini. Harapannya adalah tidak terjadi terobosan lapisan setelah 20 kali penggosokan ganda dengan isopropil alkohol (20 IPA dr). Sampel diuji 1 menit setelah proses pengeringan UV. Dalam pengujian kami, kami menemukan bahwa campuran 1:1 PUD# 65215A dengan akrilik tidak lulus uji ini. Namun, kami melihat bahwa PUD #65215A dapat dicampur dengan akrilik NeoCryl XK-12 25% dan tetap lulus uji 20 IPA dr (NeoCryl adalah merek dagang terdaftar dari Covestro Group).
GAMBAR 11 | 20 IPA gosok ganda, 1 menit setelah pengeringan UV.
Stabilitas Resin
Stabilitas PUD #65215A juga diuji. Suatu formulasi dianggap stabil di rak jika setelah 4 minggu pada suhu 40 °C, pH tidak turun di bawah 7 dan viskositas tetap stabil dibandingkan dengan viskositas awal. Untuk pengujian ini, kami memutuskan untuk menguji sampel dalam 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 berkilap tinggi, bening berkilap rendah, serta formulasi berpigmen berkilap rendah yang digunakan dalam penelitian ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12, stabilitas pH ketiga formulasi 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 PUD #65215A yang diformulasikan.
GAMBAR 13 | Stabilitas viskositas PUD #65215A yang diformulasikan.
Pengujian lain yang menunjukkan kinerja stabilitas PUD #65215A adalah pengujian ulang ketahanan noda KCMA dari formulasi pelapis yang telah disimpan 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 pewarnaan. 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 berpigmen #65215A.
Kesimpulan
Bagi aplikator pelapis berbasis air yang dapat diawetkan dengan UV, PUD #65215A akan memungkinkan mereka memenuhi standar kinerja terkini di pasar pertukangan, kayu, dan kabinet, dan juga akan memungkinkan proses pelapisan mengalami peningkatan kecepatan hingga lebih dari 50-60% dibandingkan pelapis berbasis air standar yang dapat diawetkan dengan UV saat ini. Bagi aplikator, hal ini dapat berarti:
●Produksi lebih cepat;
●Peningkatan ketebalan film mengurangi kebutuhan akan lapisan tambahan;
●Jalur pengeringan yang lebih pendek;
●Hemat energi karena berkurangnya kebutuhan pengeringan;
●Kurangi sisa karena ketahanan pemblokiran yang cepat;
●Mengurangi limbah pelapis karena stabilitas resin.
Dengan VOC kurang dari 100 g/L, produsen juga lebih mampu memenuhi target VOC mereka. Bagi produsen yang mungkin khawatir akan ekspansi karena masalah perizinan, PUD #65215A dengan pelepasan air cepat akan memudahkan mereka memenuhi kewajiban regulasi tanpa mengorbankan kinerja.
Di awal artikel ini, kami mengutip 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 dapat mengeraskan lapisan basah hingga ketebalan 7 mil dalam 4 menit dengan suhu oven 140 °C. Hal ini masih dalam rentang waktu yang dibutuhkan sebagian besar pelapis UV-curable berbasis pelarut. PUD #65215A berpotensi memungkinkan aplikator material UV-curable berbasis pelarut yang ada untuk beralih ke material UV-curable berbasis air dengan sedikit perubahan pada lini pelapis mereka.
Bagi produsen yang mempertimbangkan perluasan produksi, pelapis berdasarkan PUD #65215A akan memungkinkan mereka untuk:
●Hemat uang melalui penggunaan jalur pelapisan berbasis air yang lebih pendek;
●Memiliki jejak jalur pelapisan yang lebih kecil di fasilitas tersebut;
●Mengurangi dampak terhadap izin VOC saat ini;
●Rasakan penghematan energi karena berkurangnya kebutuhan pengeringan.
Kesimpulannya, PUD #65215A akan membantu meningkatkan efisiensi produksi lini pelapis yang dapat diawetkan dengan sinar UV melalui kinerja sifat fisik yang tinggi dan karakteristik pelepasan air yang cepat dari resin saat dikeringkan pada suhu 140 °C.
Waktu posting: 14-Agu-2024
