שיפור יעילות הייצור באמצעות שימוש בפוליאוריתן על בסיס מים הניתנים לריפוי UV

ציפויים בעלי ביצועים גבוהים לריפוי UV שימשו בייצור ריצוף, רהיטים וארונות במשך שנים רבות. במשך רוב הזמן הזה, ציפויים 100% מוצקים ומבוססים על UV בריפוי היו הטכנולוגיה הדומיננטית בשוק. בשנים האחרונות גדלה טכנולוגיית הציפוי הניתן לריפוי UV על בסיס מים. שרפים הניתנים לריפוי UV על בסיס מים הוכחו ככלי שימושי עבור יצרנים ממגוון סיבות, כולל העברת כתם KCMA, בדיקות עמידות כימית והפחתת VOCs. כדי שהטכנולוגיה הזו תמשיך לצמוח בשוק זה, זוהו כמה מניעים כתחומים מרכזיים שבהם יש צורך לבצע שיפורים. אלה יקחו שרפים הניתנים לריפוי UV על בסיס מים מעבר ל"חובה" שיש לרוב השרפים. הם יתחילו להוסיף מאפיינים יקרי ערך לציפוי, ויביאו ערך לכל עמדה לאורך שרשרת הערך ממנסח ציפוי ועד מוליך במפעל ועד למתקין ולבסוף, לבעלים.

יצרנים, במיוחד היום, רוצים ציפוי שיעשה יותר מסתם מעבר מפרטים. ישנם גם מאפיינים אחרים המספקים יתרונות בייצור, אריזה והתקנה. תכונה רצויה אחת היא שיפורים ביעילות המפעל. עבור הציפוי על בסיס מים זה אומר שחרור מים מהיר יותר ועמידות חסימה מהירה יותר. תכונה רצויה נוספת היא שיפור יציבות השרף ללכידה/שימוש חוזר בציפוי וניהול המלאי שלהם. עבור משתמש הקצה והמתקין, התכונות הרצויות הן עמידות טובה יותר לליטוש וללא סימון מתכת במהלך ההתקנה.

מאמר זה ידון בפיתוחים חדשים בפוליאורתנים ניתנים לריפוי UV על בסיס מים, המציעים יציבות צבע משופרת בהרבה של 50 מעלות צלזיוס בציפויים שקופים ופיגמנטיים. הוא גם דן כיצד שרפים אלו מתייחסים לתכונות הרצויות של מוליך הציפוי בהגברת מהירות הקו באמצעות שחרור מים מהיר, עמידות משופרת בלוקים ועמידות ממסים מחוץ לקו, מה שמשפר את המהירות עבור פעולות הערימה והאריזה. זה גם ישפר את הנזק מחוץ לקו שמתרחש לפעמים. מאמר זה דן גם בשיפורים שהוכחו בעמידות לכתמים וכימיקלים החשובים למתקינים ולבעלים.

רֶקַע

הנוף של תעשיית הציפויים מתפתח כל הזמן. ה"חובה" של העברת המפרט במחיר סביר לכל מיל מיושם פשוט לא מספיק. הנוף של ציפויים המיושמים במפעל לארונות, נגרות, ריצוף וריהוט משתנה במהירות. פורמולטים המספקים ציפויים למפעלים מתבקשים להפוך את הציפויים לבטוחים יותר ליישום העובדים, להסיר חומרים מדאיגים, להחליף VOC במים, ואפילו להשתמש בפחות פחמן מאובנים ויותר פחמן ביולוגי. המציאות היא שלאורך כל שרשרת הערך, כל לקוח מבקש מהציפוי לעשות יותר מאשר רק לעמוד במפרט.

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

• מכשולים מתירים מונעים את יעדי ההתרחבות שלי;
• העלויות גדלות ותקציבי ההון שלנו יורדים;
• עלויות האנרגיה והכוח אדם עולות;
• אובדן עובדים מנוסים;
• יש לעמוד ביעדי ה-SG&A שלנו, כמו גם את אלה של הלקוח שלי; ו
• תחרות בחו"ל.

נושאים אלו הובילו להצהרות ערך שהחלו להדהד עם אפליקטורים של פוליאוריטן המבוססים על UV, במיוחד בשוק הנגרות והארונות כגון: "יצרני הנגרות והארונות מחפשים שיפורים ביעילות המפעל" ו"יצרנים רוצה את היכולת להרחיב את הייצור בקווי ייצור קצרים יותר עם פחות נזקים לעיבוד חוזר בגלל הציפויים בעלי תכונות איטיות לשחרור מים".

טבלה 1 ממחישה כיצד, עבור יצרן חומרי הגלם של ציפויים, שיפורים בתכונות ציפוי ותכונות פיזיקליות מסוימות מובילים ליעילות שניתן לממש על ידי משתמש הקצה.

טבלה 1 | תכונות והטבות.

על ידי תכנון PUDs לריפוי UV עם תכונות מסוימות כמפורט בטבלה 1, יצרני שימוש קצה יוכלו לתת מענה לצרכים שיש להם בשיפור יעילות המפעל. זה יאפשר להם להיות תחרותיים יותר, ואולי יאפשר להם להרחיב את הייצור הנוכחי.

תוצאות ניסויים ודיון

היסטוריה של פיזור פוליאוריטן הניתן לריפוי UV

בשנות התשעים החלו להשתמש בשימושים המסחריים של תפזורות פוליאוריטן אניוניות המכילות קבוצות אקרילט המחוברות לפולימר ביישומים תעשייתיים.1 רבים מהיישומים הללו היו באריזות, בדיו ובציפויי עץ. איור 1 מציג מבנה גנרי של PUD הניתן לריפוי UV, המדגים כיצד חומרי הגלם לציפוי מתוכננים.

איור 1 | פיזור פוליאוריטן פונקציונלי אקרילט גנרי.3

כפי שמוצג באיור 1, פיזור פוליאוריטן הניתנים לריפוי UV (PUDs הניתנים לריפוי UV), מורכבים מהרכיבים האופייניים המשמשים לייצור פיזור פוליאוריטן. דיאיזוציאנטים אליפטיים מגיבים עם האסטרים, הדיולים, קבוצות ההידרופיליזציה ומאריכי השרשרת האופייניים המשמשים לייצור פיזור פוליאוריטן.2 ההבדל הוא הוספה של אסטר פונקציונלי אקרילט, אפוקסי או אתרים המשולבים בשלב הפרה-פולימר בעת ביצוע הפיזור . בחירת החומרים המשמשים כאבני בניין, כמו גם ארכיטקטורה ועיבוד פולימריים, מכתיבים את הביצועים ומאפייני הייבוש של ה-PUD. בחירות אלו בחומרי גלם ובעיבוד יובילו ל-PUD הניתנים לריפוי UV שיכולים להיות שאינם יוצרים סרט, כמו גם לאלו שיוצרים סרט.3 סוגי הסרטים, או סוגי הייבוש, הם הנושא של מאמר זה.

יצירת סרט, או ייבוש כפי שהוא מכונה לעתים קרובות, יניב סרטים מתלכדים יבשים למגע לפני ריפוי UV. מכיוון שהאפליקטורים רוצים להגביל את הזיהום הנישא באוויר של הציפוי עקב חלקיקים, כמו גם את הצורך במהירות בתהליך הייצור שלהם, אלה מיובשים לרוב בתנורים כחלק מתהליך מתמשך לפני אשפרת UV. איור 2 מציג את תהליך הייבוש והריפוי הטיפוסי של PUD הניתן לריפוי UV.

איור 2 | תהליך לריפוי PUD הניתן לריפוי UV.

שיטת היישום היא בדרך כלל ריסוס. עם זאת, נעשה שימוש בסכין מעל גליל ואפילו במעיל הצפה. לאחר היישום, הציפוי יעבור בדרך כלל תהליך בן ארבעה שלבים לפני שיטופל שוב.

1. פלאש: ניתן לעשות זאת בטמפרטורות חדר או גבוהות למשך מספר שניות עד מספר דקות.
2. יבש בתנור: זה המקום שבו המים והממיסים המשותפים נדחפים מהציפוי. שלב זה הוא קריטי ובדרך כלל גוזל את מירב הזמן בתהליך. שלב זה הוא בדרך כלל מעל 140 מעלות צלזיוס ונמשך עד 8 דקות. ניתן להשתמש גם בתנורי ייבוש מרובי אזורים.

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

3. ריפוי UV.
4. מגניב: לאחר ריפוי, הציפוי יצטרך להתרפא למשך זמן מסוים כדי להשיג עמידות חסימה. שלב זה עשוי להימשך עד 10 דקות לפני השגת התנגדות חסימה

נִסיוֹנִי

מחקר זה השווה שני PUDs לריפוי UV (WB UV), המשמשים כיום בשוק הארונות והנגרות, לפיתוח החדש שלנו, PUD # 65215A. במחקר זה אנו משווים את תקן #1 ותקן #2 ל-PUD #65215A בייבוש, חסימה ועמידות כימית. אנו גם מעריכים את יציבות ה-pH ויציבות הצמיגות, שיכולות להיות קריטיות כאשר שוקלים שימוש חוזר בריסוס יתר ובחיי מדף. מוצגות להלן בטבלה 2 התכונות הפיזיקליות של כל אחד מהשרפים המשמשים במחקר זה. כל שלוש המערכות עוצבו לרמת photoinitiator דומה, VOCs ורמת מוצקים. כל שלושת השרפים נוצרו עם 3% ממס משותף.

טבלה 2 | תכונות שרף PUD.

נאמר לנו בראיונות שרוב ציפויי ה-WB-UV בשוקי הנגרות והארונות מתייבשים בקו ייצור, שלוקח בין 5-8 דקות לפני ריפוי UV. לעומת זאת, קו UV מבוסס ממס (SB-UV) מתייבש תוך 3-5 דקות. בנוסף, עבור שוק זה, ציפויים מיושמים בדרך כלל 4-5 מיליליטר רטוב. החיסרון העיקרי של ציפויים הניתנים לריפוי UV הנישאים במים בהשוואה לחלופות המבוססות על ממיסים הניתנים לריפוי UV הוא הזמן שלוקח להבהב מים בקו ייצור.4 פגמים בסרט כגון כתמים לבנים יתרחשו אם המים לא הוזלו כראוי מהמכשיר. ציפוי לפני ריפוי UV. זה יכול להתרחש גם אם עובי הסרט הרטוב גבוה מדי. כתמים לבנים אלה נוצרים כאשר מים נלכדים בתוך הסרט במהלך ריפוי UV.5

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

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

להלן תנאי היישום והריפוי בהם השתמשנו למחקר שלנו:

● מריחת מריחת פורניר מייפל עם שכבת בסיס שחורה.
● הבהוב בטמפרטורת החדר של 30 שניות.
● תנור ייבוש 140 מעלות צלזיוס למשך 2.5 דקות (תנור הסעה).
● ריפוי UV – עוצמה כ-800 mJ/cm2.

• ציפויים שקופים נרפאו באמצעות מנורת Hg.
• ציפויים פיגמנטיים נרפאו באמצעות מנורת Hg/Ga משולבת.

● התקרר דקה לפני הערימה.

לצורך המחקר שלנו ריססנו גם שלושה עובי סרט רטוב שונים כדי לראות אם יתממשו גם יתרונות אחרים כגון פחות שכבות. 4 מיל רטוב הוא האופייני ל-WB UV. למחקר זה כללנו גם יישומי ציפוי רטוב של 6 ו-8 מיל.

תוצאות ריפוי

תקן מס' 1, ציפוי שקוף מבריק, התוצאות מוצגות באיור 4. ציפוי UV שקוף WB הוחל על לוח סיבים בינוני-צפוף (MDF) שצופו קודם לכן בשכבת בסיס שחורה ונרפא בהתאם ללוח הזמנים המוצג באיור 3. ב-4 מיל רטוב הציפוי עובר. עם זאת, ביישום רטוב של 6 ו-8 מייל הציפוי נסדק, ו-8 מייל הוסר בקלות עקב שחרור מים לקוי לפני אשפרת UV.

איור 4 | תקן מס' 1.

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

איור 5 | תקן מס' 2.

מוצג באיור 6, תוך שימוש באותו לוח זמנים לריפוי כמו באיור 3, PUD #65215A הראה שיפור אדיר בשחרור/ייבוש מים. בעובי סרט רטוב של 8 מיליליטר, נצפו סדקים קלים בקצה התחתון של המדגם.

איור 6 | PUD #65215A.

בדיקה נוספת של PUD# 65215A בציפוי שקוף מבריק נמוך וציפוי פיגמנט על אותו MDF עם שכבת בסיס שחורה הוערכה כדי להעריך מאפיינים של שחרור מים בתכשירי ציפוי טיפוסיים אחרים. כפי שמוצג באיור 7, הניסוח המבריק נמוך ביישום רטוב של 5 ו-7 מיליליטר שיחרר את המים ויצר סרט טוב. עם זאת, בטמפרטורה של 10 מיליליטר רטוב, הוא היה סמיך מכדי לשחרר את המים במסגרת לוח הזמנים של הייבוש והאיפור באיור 3.

איור 7 | PUD מבריק נמוך #65215A.

בנוסחה עם פיגמנט לבן, PUD #65215A פעל היטב באותו לוח זמנים לייבוש וריפוי המתואר באיור 3, למעט כאשר מיושם ב-8 מילים רטובים. כפי שמוצג באיור 8, הסרט נסדק ב-8 מיילים עקב שחרור מים לקוי. בסך הכל בניסוחים שקופים, מבריק נמוך ופיגמנטים, PUD# 65215A פעל היטב בתצורות סרטים וייבוש כאשר מיושם עד 7 מיל' רטוב ומתרפא בלוח הזמנים המואץ של הייבוש והריפוי המתואר באיור 3.

איור 8 | PUD פיגמנט #65215A.

חסימת תוצאות

עמידות חסימה היא היכולת של ציפוי לא להיצמד למאמר מצופה אחר כשהוא מוערם. בייצור זה לעתים קרובות צוואר בקבוק אם לוקח זמן עד שציפוי מתרפא להשיג עמידות בלוקים. עבור מחקר זה, פורמולציות פיגמנטיות של תקן #1 ו-PUD #65215A יושמו על זכוכית ב-5 מילילים רטובים באמצעות מוט משיכה. כל אלו נרפאו בהתאם ללוח הזמנים של האיפור באיור 3. שני לוחות זכוכית מצופים נרפאו בו-זמנית - 4 דקות לאחר הריפוי הלוחות הוצמדו זה לזה, כפי שמוצג באיור 9. הם נשארו מהודקים יחד בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות . אם הפאנלים הופרדו בקלות ללא טביעה או נזק ללוחות המצופים אז הבדיקה נחשבה כמעבר.
איור 10 ממחיש את התנגדות החסימה המשופרת של PUD# 65215A. למרות שגם תקן #1 וגם PUD #65215A השיגו ריפוי מלא בבדיקה הקודמת, רק PUD #65215A הוכיח מספיק שחרור וריפוי מים כדי להשיג עמידות חסימה.

איור 9 | איור בדיקת התנגדות חסימה.

איור 10 | התנגדות חסימה של תקן #1, ואחריו PUD #65215A.

תוצאות מיזוג אקריליק

יצרני ציפויים מערבבים לעתים קרובות שרפים הניתנים לריפוי UV עם אקריליק כדי להוריד את העלות. למחקר שלנו בדקנו גם את מיזוג PUD#65215A עם NeoCryl® XK-12, אקריליק על בסיס מים, המשמש לעתים קרובות כשותף מיזוג עבור PUDs מבוססי-UV הניתנים לריפוי בשוק הנגרות והארונות. עבור שוק זה, בדיקת כתמים KCMA נחשבת לסטנדרט. בהתאם ליישום לשימוש הקצה, כימיקלים מסוימים יהפכו חשובים יותר מאחרים עבור יצרן המאמר המצופה. דירוג 5 הוא הטוב ביותר ודירוג 1 הוא הגרוע ביותר.

כפי שמוצג בטבלה 3, PUD #65215A מתפקד בצורה יוצאת דופן בבדיקות כתמים של KCMA בתור שקוף מבריק, מבריק נמוך וכציפוי פיגמנט. גם כאשר מערבבים 1:1 עם אקריליק, בדיקת הכתם KCMA אינה מושפעת באופן דרסטי. גם 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 כתמי KCMA, היצרנים יבדקו גם ריפוי מיד לאחר ריפוי UV מחוץ לקו. לעתים קרובות ההשפעות של מיזוג אקרילי יורגשו מיד מחוץ לקו הריפוי בבדיקה זו. הציפייה היא שלא תהיה פריצת דרך לציפוי לאחר 20 שפשופים כפולים של אלכוהול איזופרופיל (20 IPA dr). דגימות נבדקות דקה אחת לאחר ריפוי UV. בבדיקה שלנו ראינו שתערובת 1:1 של PUD# 65215A עם אקריליק לא עברה את הבדיקה הזו. עם זאת, ראינו שניתן למזג 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 IPA, דקה לאחר ריפוי UV.

יציבות שרף

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

לצורך הבדיקה שלנו הסתכלנו על הברק הגבוה, הברק הנמוך, כמו גם את הפורמולציות הפיגמנטיות הבהירות הנמוכות ששימשו במחקר זה. כפי שמוצג באיור 12, יציבות ה-pH של כל שלושת התכשירים נשארה יציבה ומעל לסף ה-pH 7.0. איור 13 ממחיש את השינוי המינימלי בצמיגות 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 לבדוק שוב את העמידות לכתמי KCMA של תכשיר ציפוי שהתיישן במשך 6 שבועות ב-50 מעלות צלזיוס, והשוואה זו לעמידות הכתמי KCMA הראשונית שלו. ציפויים שאינם מפגינים יציבות טובה יראו ירידה בביצועי הכתמה. כפי שמוצג באיור 14, PUD# 65215A שמר על אותה רמת ביצועים כפי ששמר בבדיקת העמידות הראשונית לכימיקלים/כתמים של הציפוי הפיגמנט המוצג בטבלה 3.

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

מסקנות

עבור אפליקטורים של ציפויים על בסיס מים הניתנים לריפוי UV, PUD #65215A יאפשר להם לעמוד בתקני הביצועים הנוכחיים בשוקי הנגרות, העץ והארונות, ובנוסף, יאפשר לתהליך הציפוי לראות שיפורי מהירות קו ליותר מ-50 -60% על פני ציפויים על בסיס מים הסטנדרטיים הנוכחיים לריפוי UV. עבור המוליך זה עשוי להיות:

● ייצור מהיר יותר;
●עובי סרט מוגבר מפחית את הצורך בשכבות נוספות;
● קווי ייבוש קצרים יותר;
●חיסכון באנרגיה עקב צרכי ייבוש מופחתים;
● פחות גרוטאות בגלל התנגדות חסימה מהירה;
●הפחתת פסולת ציפוי עקב יציבות שרף.

עם VOC של פחות מ-100 גרם/ליטר, היצרנים מסוגלים גם יותר לעמוד ביעדי ה-VOC שלהם. ליצרנים שעשויים להיות להם דאגות התרחבות בגלל בעיות בהיתרים, ה-PUD #65215A לשחרור מהיר של מים יאפשר להם לעמוד ביתר קלות בהתחייבויות הרגולטוריות שלהם ללא ויתור על ביצועים.

בתחילת מאמר זה ציטטנו מהראיונות שלנו שמוליכים של חומרים המבוססים על ממס UV מתייבשים ומרפאים בדרך כלל ציפויים בתהליך שנמשך בין 3-5 דקות. הוכחנו במחקר זה שלפי התהליך המוצג באיור 3, PUD #65215A ירפא עד 7 מיליליטר עובי סרט רטוב תוך 4 דקות עם טמפרטורת תנור של 140 מעלות צלזיוס. זה נמצא בטווח של רוב הציפויים המבוססים על ממס UV הניתנים לריפוי. PUD #65215A עשוי לאפשר למחילים הנוכחיים של חומרים הניתנים לריפוי UV המבוססים על ממס לעבור לחומר הניתן לריפוי UV על בסיס מים עם מעט שינוי בקו הציפוי שלהם.

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

●חסוך כסף באמצעות שימוש בקו ציפוי קצר יותר על בסיס מים;
● יש טביעת רגל קטנה יותר של קו ציפוי במתקן;
● יש השפעה מופחתת על היתר VOC הנוכחי;
● מימוש חיסכון באנרגיה עקב צרכי ייבוש מופחתים.

לסיכום, PUD #65215A יעזור לשפר את יעילות הייצור של קווי ציפויים הניתנים לריפוי UV באמצעות ביצועים בעלי תכונות פיזיות גבוהות ומאפיינים מהירים של שחרור מים של השרף כשהוא ייבוש ב-140 מעלות צלזיוס.