שיפור יעילות הייצור באמצעות שימוש בפוליאוריתנים על בסיס מים הניתנים לריפוי בקרינת UV

ציפויים בעלי ביצועים גבוהים הניתנים לריפוי בקרינת UV משמשים בייצור ריצוף, רהיטים וארונות במשך שנים רבות. במשך רוב הזמן הזה, ציפויים הניתנים לריפוי בקרינת UV מוצקים לחלוטין ובעלי ממס היו הטכנולוגיה הדומיננטית בשוק. בשנים האחרונות, טכנולוגיית ציפויים הניתנים לריפוי בקרינת UV על בסיס מים צמחה. שרפים הניתנים לריפוי בקרינת UV על בסיס מים הוכיחו את עצמם ככלי שימושי עבור יצרנים ממגוון סיבות, כולל עמידה בקרינת KCMA, בדיקות עמידות כימית והפחתת תרכובות נדיפות נדיפות (VOCs). כדי שטכנולוגיה זו תמשיך לצמוח בשוק זה, זוהו מספר גורמים מרכזיים בהם יש לבצע שיפורים. אלה ייקחו את השרפים הניתנים לריפוי בקרינת UV על בסיס מים מעבר ל"פריטים החיוניים" שיש לרוב השרפים. הם יתחילו להוסיף תכונות יקרות ערך לציפוי, ויביאו ערך לכל מיקום לאורך שרשרת הערך, החל ממנסח הציפוי ועד למפעיל המפעל, למתקין ולבסוף, לבעלים.

יצרנים, במיוחד כיום, רוצים ציפוי שיעשה יותר מאשר רק לעמוד במפרטים. ישנן גם תכונות נוספות המספקות יתרונות בייצור, אריזה והתקנה. תכונה רצויה אחת היא שיפורים ביעילות המפעל. עבור ציפוי על בסיס מים, משמעות הדבר היא שחרור מים מהיר יותר ועמידות מהירה יותר בפני חסימה. תכונה רצויה נוספת היא שיפור יציבות השרף ללכידה/שימוש חוזר בציפוי, וניהול המלאי שלהם. עבור המשתמש הסופי והמתקין, התכונות הרצויות הן עמידות טובה יותר בפני ליטוש והיעדר סימני מתכת במהלך ההתקנה.

מאמר זה ידון בפיתוחים חדשים בפוליאוריטנים על בסיס מים הניתנים לריפוי בקרינת UV, המציעים יציבות צבע משופרת משמעותית בטמפרטורה של 50 מעלות צלזיוס, הן בציפויים שקופים והן בציפויים פיגמנטיים. כמו כן, הוא דן כיצד שרפים אלה נותנים מענה לתכונות הרצויות של מכשיר הציפוי בהגברת מהירות קו המוצרים באמצעות שחרור מהיר של מים, עמידות משופרת לחסימות ועמידות בפני ממס מחוץ לקו, מה שמשפר את מהירות פעולות הערימה והאריזה. הדבר ישפר גם נזקים מחוץ לקו המתרחשים לעיתים. מאמר זה דן גם בשיפורים שהודגמו בעמידות בפני כתמים וכימיקלים, החשובים למתקינים ולבעלים.

רֶקַע

נוף תעשיית הציפויים מתפתח ללא הרף. ה"חובה" של עמידה במפרט במחיר סביר למיליון בלבד פשוט אינו מספיק. נוף הציפויים המיושמים במפעלים על ארונות, נגרות, ריצוף ורהיטים משתנה במהירות. יצרנים המספקים ציפויים למפעלים מתבקשים להפוך את הציפויים לבטוחים יותר למריחה עבור העובדים, להסיר חומרים בעלי בעיה גבוהה, להחליף VOCs במים, ואף להשתמש בפחות פחמן מאובנים ויותר פחמן ביולוגי. המציאות היא שלאורך כל שרשרת הערך, כל לקוח מבקש מהציפוי לעשות יותר מאשר רק לעמוד במפרט.

כשראה הזדמנות ליצור ערך רב יותר עבור המפעל, הצוות שלנו החל לחקור ברמת המפעל את האתגרים העומדים בפני המפעילים הללו. לאחר ראיונות רבים התחלנו לשמוע כמה נושאים משותפים:

• מתן היתר למכשולים מונעים את יעדי ההתרחבות שלי;
• העלויות עולות ותקציבי ההון שלנו יורדים;
• עלויות האנרגיה והכוח אדם עולות;
• אובדן עובדים מנוסים;
• יש לעמוד ביעדי הוצאות המכירה והכלכלה של החברה שלנו, כמו גם ביעדי לקוחותיי; ו
• תחרות מעבר לים.

נושאים אלה הובילו להצהרות ערך שהחלו להדהד בקרב יצרנים של פוליאוריטן על בסיס מים הניתנים לריפוי בקרינת UV, במיוחד בשוק הנגרות והארונות, כגון: "יצרני נגרות וארונות מחפשים שיפורים ביעילות המפעל" ו"יצרנים רוצים את היכולת להרחיב את הייצור בקווי ייצור קצרים יותר עם פחות נזקי עיבוד חוזר עקב הציפויים בעלי תכונות שחרור מים איטיות".

טבלה 1 ממחישה כיצד, עבור יצרן חומרי הגלם של ציפויים, שיפורים בתכונות ציפוי מסוימות ובתכונות פיזיקליות מובילים ליעילות שניתן לממש על ידי המשתמש הסופי.

טבלה 1 | תכונות ויתרונות.

על ידי תכנון שלד פוליאוריתן (PUDs) הניתן לריפוי בקרינת UV עם תכונות מסוימות כפי שמופיעות בטבלה 1, יצרני השימוש הסופי יוכלו לענות על צרכים שלהם בשיפור יעילות המפעל. זה יאפשר להם להיות תחרותיים יותר, ואולי אף להרחיב את הייצור הנוכחי.

תוצאות ניסוייות ודיון

היסטוריה של פיזורי פוליאוריטן בריפוי UV

בשנות ה-90 החלו השימושים המסחריים של פיזורי פוליאוריטן אניוניים המכילים קבוצות אקרילט המחוברות לפולימר להיות בשימוש תעשייתי.1 רבים מיישומים אלה היו באריזות, דיו וציפויי עץ. איור 1 מציג מבנה כללי של PUD הניתן לריפוי בקרינת UV, המדגים כיצד מתוכננים חומרי גלם אלה לציפוי.

איור 1 | פיזור פוליאוריטן אקרילט פונקציונלי גנרי.3

כפי שמוצג באיור 1, פיזורי פוליאוריטן הניתנים לריפוי בקרינת UV (PUDs הניתנים לריפוי בקרינת UV) מורכבים מהרכיבים האופייניים המשמשים לייצור פיזורי פוליאוריטן. דיאיזוציאנטים אליפטיים מגיבים עם האסטרים, הדיולים, קבוצות ההידרופיליזציה ומאריכי השרשרת האופייניים המשמשים לייצור פיזורי פוליאוריטן.2 ההבדל הוא הוספת אסטר פונקציונלי אקרילט, אפוקסי או אתרים המשולבים בשלב הקדם-פולימר בעת ייצור הפיזור. בחירת החומרים המשמשים כאבני בניין, כמו גם ארכיטקטורת הפולימר ועיבודו, מכתיבים את ביצועי ה-PUD ומאפייני הייבוש שלו. בחירות אלו בחומרי גלם ובעיבוד יובילו ל-PUDs הניתנים לריפוי בקרינת UV שיכולים להיות לא יוצרי שכבה, כמו גם כאלה שיוצרים שכבה.3 סוגי יצירת השכבה, או סוגי הייבוש, הם נושא המאמר הזה.

יצירת שכבות, או ייבוש כפי שזה מכונה לעתים קרובות, תניב שכבות מתגבשות שהן יבשות למגע לפני הייבוש בקרינת UV. מכיוון שמיישמים רוצים להגביל את הזיהום האווירי של הציפוי עקב חלקיקים, כמו גם את הצורך במהירות בתהליך הייצור שלהם, אלה מיובשים לעתים קרובות בתנורים כחלק מתהליך רציף לפני הייבוש בקרינת UV. איור 2 מציג את תהליך הייבוש והריפוי הטיפוסי של PUD הניתן לריפוי בקרינת UV.

איור 2 | תהליך לייצור PUD הניתן לריפוי בקרינת UV.

שיטת היישום בה נעשה שימוש בדרך כלל בהתזה. עם זאת, נעשה שימוש גם בגלגול סכין ואפילו בציפוי הצפה. לאחר היישום, הציפוי בדרך כלל עובר תהליך בן ארבעה שלבים לפני שיטופל שוב.

1. הבזק: ניתן לעשות זאת בטמפרטורת החדר או בטמפרטורת גבוהה למשך מספר שניות עד כמה דקות.
2. ייבוש בתנור: זהו השלב שבו המים והממסים המשותפים נדחקים החוצה מהציפוי. שלב זה הוא קריטי ובדרך כלל גוזל את הזמן הרב ביותר בתהליך. שלב זה מתבצע בדרך כלל בטמפרטורה של מעל 72 מעלות צלזיוס ונמשך עד 8 דקות. ניתן להשתמש גם בתנורי ייבוש מרובי אזורים.

• מנורת אינפרא אדום ותנועת אוויר: התקנת מנורות אינפרא אדום ומאווררי תנועת אוויר תאיץ את הבזק המים עוד יותר מהר.

3. ריפוי UV.
4. קירור: לאחר הייבוש, הציפוי יצטרך להתקשות למשך זמן מה כדי להשיג עמידות לחסימה. שלב זה עשוי להימשך עד 10 דקות לפני שתושג עמידות לחסימה.

נִסיוֹנִי

מחקר זה השווה שני שרפים הניתנים לריפוי בקרינת UV (WB UV), המשמשים כיום בשוק הארונות והנגרות, לפיתוח החדש שלנו, PUD # 65215A. במחקר זה אנו משווים את תקן #1 ואת תקן #2 ל-PUD #65215A מבחינת ייבוש, חסימה ועמידות כימית. אנו מעריכים גם יציבות pH ויציבות צמיגות, שיכולות להיות קריטיות כששוקלים שימוש חוזר בריסוס יתר וחיי מדף. טבלה 2 מוצגות להלן התכונות הפיזיקליות של כל אחד מהשרפים ששימשו במחקר זה. כל שלוש המערכות נוסחו לרמת פוטו-איניציטור, VOCs ורמת מוצקים דומים. כל שלושת השרפים נוסחו עם 3% ממס משותף.

טבלה 2 | תכונות שרף PUD.

בראיונות שלנו נאמר לנו שרוב ציפויי ה-WB-UV בשווקי הנגרות והארונות מתייבשים בקו ייצור, שלוקח בין 5-8 דקות לפני הייבוש בקרינת UV. לעומת זאת, קו ציפויים מבוסס ממס (SB-UV) מתייבש תוך 3-5 דקות. בנוסף, עבור שוק זה, ציפויים מיושמים בדרך כלל כשהם רטובים ב-4-5 מיל. חיסרון עיקרי של ציפויים הניתנים לריפוי בקרינת UV על בסיס מים בהשוואה לציפויים מבוססי ממס הניתנים לריפוי בקרינת UV הוא הזמן שלוקח להדביק את המים בקו הייצור.4 פגמים בשכבה כגון כתמים לבנים יתרחשו אם המים לא הודקו כראוי מהציפוי לפני הייבוש בקרינת UV. זה יכול להתרחש גם אם עובי השכבה הרטובה גבוה מדי. כתמים לבנים אלה נוצרים כאשר מים נלכדים בתוך השכבה במהלך הייבוש בקרינת UV.5

עבור מחקר זה בחרנו בלוח זמנים של ייבוש דומה לזה שישמש בקו מבוסס ממס הניתן לריפוי בקרינת UV. איור 3 מציג את לוח הזמנים של היישום, הייבוש, הריפוי והאריזה ששימש במחקר שלנו. לוח זמנים של ייבוש זה מייצג שיפור של בין 50% ל-60% במהירות הקו הכוללת בהשוואה לסטנדרט השוק הנוכחי ביישומי נגרות וארונות.

איור 3 | לוח זמנים ליישום, ייבוש, ריפוי ואריזה.

להלן תנאי היישום והריפוי בהם השתמשנו במחקר שלנו:

● ריסוס על גבי ציפוי מייפל עם שכבת בסיס שחורה.
● הבהוב בטמפרטורת החדר של 30 שניות.
● תנור ייבוש בטמפרטורה של 140 מעלות צלזיוס למשך 2.5 דקות (תנור חימום).
● ריפוי UV – עוצמת כ-800 mJ/cm2.

• ציפויים שקופים עברו ריפוי באמצעות מנורת כספית.
• ציפויים פיגמנטיים עברו ריפוי באמצעות מנורת Hg/Ga משולבת.

● דקה של קירור לפני ההערמה.

עבור המחקר שלנו ריססנו גם שלושה עוביים שונים של שכבה רטובה כדי לראות אם יתרונות נוספים כמו פחות שכבות יתממשו. 4 מיל עובי רטוב הוא הממוצע האופייני ל-WB UV. עבור מחקר זה כללנו גם יישומי ציפוי רטובים של 6 ו-8 מיל.

תוצאות ריפוי

תקן מס' 1, ציפוי שקוף מבריק במיוחד, תוצאותיו מוצגות באיור 4. ציפוי ה-UV השקוף WB יושם על לוח MDF (לוחית פיברגלס) בעל צפיפות בינונית שצופה בעבר בשכבת בסיס שחורה והתייבש בהתאם ללוח הזמנים המוצג באיור 3. בטמפרטורה של 4 מיל, הציפוי עבר שלב. עם זאת, בטמפרטורה של 6 ו-8 מיל, הציפוי נסדק, ו-8 מיל הוסר בקלות עקב שחרור מים לקוי לפני הייבוש ב-UV.

איור 4 | תקן מס' 1.

תוצאה דומה נראית גם בתקן מס' 2, המוצג באיור 5.

איור 5 | תקן מס' 2.

כפי שמוצג באיור 6, תוך שימוש באותו לוח זמנים של ייבוש כמו באיור 3, PUD #65215A הדגים שיפור עצום בשחרור/ייבוש מים. בעובי שכבה רטובה של 8 מיל, נצפה סדקים קלים בקצה התחתון של הדגימה.

איור 6 | מספר זיהוי מוצר 65215A.

בדיקות נוספות של PUD# 65215A בציפוי שקוף בעל מבריק נמוך ובציפוי פיגמנטי על גבי אותו MDF עם שכבת בסיס שחורה הוערכו כדי להעריך את מאפייני שחרור המים בניסוחים אופייניים אחרים של ציפוי. כפי שמוצג באיור 7, הניסוח בעל הברק הנמוך ביישום רטוב של 5 ו-7 מיל שחרר את המים ויצר שכבה טובה. עם זאת, בלחץ של 10 מיל, הוא היה סמיך מדי לשחרר את המים במסגרת לוח הזמנים של הייבוש והקשייה באיור 3.

איור 7 | PUD מבריק נמוך #65215A.

בפורמולה פיגמנטית לבנה, PUD #65215A ביצע ביצועים טובים באותו לוח זמנים של ייבוש והקשיה המתואר באיור 3, למעט כאשר מיושם בעובי של 8 מיל רטוב. כפי שמוצג באיור 8, הסרט נסדק ב-8 מיל עקב שחרור מים לקוי. בסך הכל, בניסוחים שקופים, בעלי מבריק נמוך ופיגמנט, PUD# 65215A ביצע ביצועים טובים ביצירת סרטים ובייבוש כאשר מיושם עד 7 מיל רטוב והקשיה בלוח הזמנים המואץ של ייבוש והקשיה המתואר באיור 3.

איור 8 | PUD פיגמנטי #65215A.

תוצאות חסימה

עמידות לחסימה היא יכולתו של ציפוי לא להידבק למוצר מצופה אחר כאשר הוא מוערם. בייצור, זוהי לרוב צוואר בקבוק אם לוקח זמן לציפוי מוקשה להשיג עמידות לחסימה. עבור מחקר זה, פורמולציות פיגמנטיות של תקן מס' 1 ו-PUD מס' 65215A יושמו על זכוכית בעובי של 5 מיל רטוב באמצעות מוט נשיכה. כל אחד מהם נוקשה בהתאם ללוח הזמנים של הייבוש באיור 3. שני לוחות זכוכית מצופים נוקשים בו זמנית - 4 דקות לאחר הייבוש, הפאנלים חובקו יחד, כפי שמוצג באיור 9. הם נשארו מחוברים יחד בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות. אם הפאנלים הופרדו בקלות ללא חותם או נזק לפאנלים המצופים, אז הבדיקה נחשבה להצלחה.
איור 10 ממחיש את עמידות החסימה המשופרת של PUD# 65215A. למרות שגם תקן #1 וגם PUD#65215A השיגו ריפוי מלא בבדיקה הקודמת, רק PUD#65215A הדגים שחרור מים וריפוי מספיקים כדי להשיג עמידות לחסימה.

איור 9 | איור של בדיקת התנגדות חסימה.

איור 10 | התנגדות חסימה של תקן מס' 1, ואחריה PUD מס' 65215A.

תוצאות ערבוב אקרילי

יצרני ציפויים מערבבים לעתים קרובות שרפים מסוג WB הניתנים לריפוי בקרינת UV עם אקריליק כדי להוזיל את העלות. במחקר שלנו בדקנו גם את ערבוב PUD#65215A עם NeoCryl® XK-12, אקריליק על בסיס מים, המשמש לעתים קרובות כשותף ערבוב עבור PUDs על בסיס מים הניתנים לריפוי בקרינת UV בשוק הנגרות והארונות. עבור שוק זה, בדיקת צבע KCMA נחשבת לסטנדרט. בהתאם ליישום הסופי, כימיקלים מסוימים יהפכו לחשובים יותר מאחרים עבור יצרן הפריט המצופה. דירוג של 5 הוא הטוב ביותר ודירוג של 1 הוא הגרוע ביותר.

כפי שמוצג בטבלה 3, ציפוי PUD #65215A מציג ביצועים יוצאי דופן בבדיקת צביעה של KCMA כציפוי שקוף בעל מבריק גבוה, שקוף בעל מבריק נמוך וכציפוי פיגמנטי. אפילו כאשר מעורבב ביחס של 1:1 עם אקריליק, בדיקת צביעת KCMA אינה מושפעת באופן דרסטי. אפילו בצביעה עם חומרים כמו חרדל, הציפוי התאושש לרמה מקובלת לאחר 24 שעות.

טבלה 3 | עמידות בפני כימיקלים וכתמים (דירוג 5 הוא הטוב ביותר).

בנוסף לבדיקת צבע של KCMA, יצרנים יבדקו גם את תהליך הייבוש מיד לאחר הייבוש בקרינת UV מחוץ לקו הייבוש. לעתים קרובות, השפעות ערבוב האקריליק יורגשו מיד לאחר קו הייבוש בבדיקה זו. הציפייה היא שלא תהיה פריצת דרך של הציפוי לאחר 20 שפשופים כפולים של אלכוהול איזופרופילי (20 IPA dr). הדגימות נבדקות דקה לאחר הייבוש בקרינת UV. בבדיקה שערכנו ראינו שתערובת של PUD# 65215A ביחס של 1:1 עם אקריליק לא עברה בדיקה זו. עם זאת, ראינו שניתן לערבב PUD#65215A עם 25% אקריליק NeoCryl XK-12 ועדיין לעבור את מבחן 20 IPA dr (NeoCryl הוא סימן מסחרי רשום של קבוצת Covestro).

איור 11 | 20 שפשופים כפולים של IPA, דקה לאחר ייבוש בקרני UV.

יציבות שרף

נבדקה גם יציבותו של PUD #65215A. פורמולציה נחשבת יציבה על מדף אם לאחר 4 שבועות ב-40 מעלות צלזיוס, ה-pH לא יורד מתחת ל-7 והצמיגות נשארת יציבה בהשוואה למקור. לצורך הבדיקה שלנו החלטנו לחשוף את הדגימות לתנאים קשים יותר של עד 6 שבועות ב-50 מעלות צלזיוס. בתנאים אלה, תקן #1 ו-#2 לא היו יציבים.

עבור הבדיקה שלנו בחנו את הפורמולציות השקופות בעלות המבריק הגבוה, השקופות בעלות המבריק הנמוך, וכן את הפיגמנטיות בעלות המבריק הנמוך ששימשו במחקר זה. כפי שמוצג באיור 12, יציבות ה-pH של שלושת הפורמולציות נותרה יציבה ומעל סף ה-pH של 7.0. איור 13 ממחיש את שינוי הצמיגות המינימלי לאחר 6 שבועות ב-50 מעלות צלזיוס.

איור 12 | יציבות pH של PUD מנוסח #65215A.

איור 13 | יציבות צמיגות של PUD מנוסח #65215A.

בדיקה נוספת שהדגימה את ביצועי היציבות של PUD #65215A הייתה בדיקה חוזרת של עמידות ה-KCMA לכתמים של פורמולת ציפוי שהתיישן במשך 6 שבועות ב-50 מעלות צלזיוס, והשוואתה לעמידות ה-KCMA הראשונית לכתמים. ציפויים שאינם מפגינים יציבות טובה יחוו ירידה בביצועי הכתמים. כפי שמוצג באיור 14, PUD# 65215A שמר על אותה רמת ביצועים כמו בבדיקת העמידות הראשונית לכימיקלים/כתמים של הציפוי הפיגמנטי המוצגת בטבלה 3.

איור 14 | לוחות בדיקה כימיים עבור PUD פיגמנטי #65215A.

מסקנות

עבור מיישי ציפויים על בסיס מים הניתנים לריפוי בקרינת UV, PUD #65215A יאפשר להם לעמוד בתקני הביצועים הנוכחיים בשווקי הנגרות, העץ והארונות, ובנוסף, יאפשר לתהליך הציפוי לראות שיפורים במהירות קו של יותר מ-50-60% בהשוואה לציפויים על בסיס מים סטנדרטיים הניתנים לריפוי בקרינת UV. עבור המיישר, משמעות הדבר עשויה להיות:

● ייצור מהיר יותר;
● עובי שכבה מוגבר מפחית את הצורך בשכבות נוספות;
● קווי ייבוש קצרים יותר;
● חיסכון באנרגיה עקב צמצום הצורך בייבוש;
● פחות גרוטאות הודות לעמידות מהירה לחסימה;
● בזבוז ציפוי מופחת הודות ליציבות השרף.

עם ריכוז VOCs נמוך מ-100 גרם/ליטר, יצרנים מסוגלים גם לעמוד ביתר קלות ביעדי ה-VOC שלהם. עבור יצרנים שחוששים להתרחב עקב בעיות בהיתרים, תקן PUD עם שחרור מהיר במים #65215A יאפשר להם לעמוד ביתר קלות בהתחייבויות הרגולטוריות שלהם מבלי להתפשר על ביצועים.

בתחילת מאמר זה ציטטנו מהראיונות שערכנו כי מיישמים של חומרים הניתנים לריפוי UV מבוססי ממס בדרך כלל מייבשים ומקשיחים ציפויים בתהליך שנמשך בין 3-5 דקות. במחקר זה הדגמנו כי על פי התהליך המוצג באיור 3, ציפוי PUD #65215A יתקשיח עד 7 מיל עובי שכבה רטובה תוך 4 דקות בטמפרטורת תנור של 140 מעלות צלזיוס. זה נמצא בטווח הזמן של רוב הציפויים הניתנים לריפוי UV מבוססי ממס. ציפוי PUD #65215A עשוי לאפשר למיישמים הנוכחיים של חומרים הניתנים לריפוי UV מבוססי ממס לעבור לחומר הניתן לריפוי UV מבוסס מים עם שינוי מועט בקו הציפוי שלהם.

עבור יצרנים השוקלים הרחבת ייצור, ציפויים המבוססים על PUD #65215A יאפשרו להם:

● חסכו כסף באמצעות שימוש בקו ציפוי קצר יותר על בסיס מים;
● שטח קו ציפוי קטן יותר במתקן;
● השפעה מופחתת על היתר VOC הנוכחי;
● חיסכון באנרגיה הודות לצמצום הצורך בייבוש.

לסיכום, PUD #65215A יסייע בשיפור יעילות הייצור של קווי ציפויים הניתנים לריפוי בקרינת UV באמצעות ביצועים פיזיקליים גבוהים ומאפייני שחרור מים מהירים של השרף לאחר ייבוש ב-140 מעלות צלזיוס.