UV 경화 코팅에 대한 기초

지난 수십 년 동안 가장 중요한 노력 중 하나는 대기 중으로 배출되는 용매의 양을 줄이는 것이었습니다. 이러한 용매를 VOC(휘발성 유기 화합물)라고 하며, 광화학적 반응성이 매우 낮아 VOC 용매에서 제외된 아세톤을 제외한 우리가 사용하는 모든 용매를 포함합니다.

하지만 용매를 전혀 사용하지 않고도 최소한의 노력으로 뛰어난 보호 및 장식 효과를 얻을 수 있다면 어떨까요?
그러면 정말 좋겠습니다. 그리고 저희는 그렇게 할 수 있습니다. 이를 가능하게 하는 기술은 UV 경화라고 합니다. 이 기술은 1970년대부터 금속, 플라스틱, 유리, 종이 등 다양한 재료에 사용되어 왔으며, 최근에는 목재에도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

UV 경화 코팅은 가시광선 바로 아래 나노미터 범위의 자외선에 노출되면 경화됩니다. 이러한 코팅의 장점으로는 VOC 배출량의 현저한 감소 또는 완전 제거, 폐기물 감소, 필요한 작업 공간 감소, 즉시 취급 및 적재 가능(건조대 불필요), 인건비 절감, 생산 속도 향상 등이 있습니다.
두 가지 중요한 단점은 장비의 높은 초기 비용과 복잡한 3D 형상 가공의 어려움입니다. 따라서 UV 경화 방식은 일반적으로 문, 패널, 바닥재, 몰딩 및 조립식 부품과 같이 비교적 평평한 제품을 생산하는 대규모 업체에 국한됩니다.

UV 경화 마감재를 가장 쉽게 이해하는 방법은 여러분이 아마도 잘 알고 계실 일반적인 촉매 경화 마감재와 비교하는 것입니다. 촉매 경화 마감재와 마찬가지로 UV 경화 마감재는 도막 형성을 위한 수지, 희석제 또는 용매 대체제, 가교 반응을 시작하고 경화를 유도하는 촉매, 그리고 특수한 특성을 부여하는 무광택제와 같은 첨가제를 포함합니다.

에폭시, 우레탄, 아크릴 및 폴리에스터의 유도체를 비롯한 여러 가지 주요 수지가 사용됩니다.
모든 경우에 이러한 수지는 매우 단단하게 경화되며 촉매 경화형(변환형) 바니시와 유사하게 용제 및 긁힘에 대한 저항성이 뛰어납니다. 따라서 경화된 도막이 손상될 경우 눈에 띄지 않게 보수하기가 어렵습니다.

UV 경화형 마감재는 액체 상태에서 100% 고형분으로 구성될 수 있습니다. 즉, 목재에 도포되는 두께가 경화된 코팅의 두께와 동일합니다. 증발하는 성분이 전혀 없습니다. 하지만 주 수지는 점도가 너무 높아 도포가 쉽지 않습니다. 따라서 제조업체는 점도를 낮추기 위해 반응성이 더 작은 분자들을 첨가합니다. 증발하는 용매와는 달리, 이러한 첨가된 분자들은 더 큰 수지 분자들과 가교 결합하여 막을 형성합니다.

도막 두께를 얇게 하고 싶을 때, 예를 들어 실러 코팅을 할 때 용제나 물을 희석제로 첨가할 수 있습니다. 하지만 일반적으로 도료를 스프레이 방식으로 도포하기 위해 용제나 물을 첨가할 필요는 없습니다. 용제나 물을 첨가한 경우에는 자외선 경화를 시작하기 전에 반드시 증발시키거나 (오븐에서) 증발시켜야 합니다.

촉매
촉매를 첨가하면 경화가 시작되는 촉매식 바니시와 달리, UV 경화식 마감재에 사용되는 광개시제라는 촉매는 자외선에 노출되기 전까지는 아무런 작용을 하지 않습니다. 자외선에 노출되면 코팅 내 모든 분자를 연결하여 필름을 형성하는 빠른 연쇄 반응을 시작합니다.

UV 경화 마감재가 특별한 이유는 바로 이 공정 때문입니다. UV 경화 마감재는 사실상 보관 수명이나 가사 시간이 없습니다. UV 광선에 노출되기 전까지는 액체 상태를 유지하다가, 노출되면 단 몇 초 만에 완전히 경화됩니다. 햇빛에 노출되면 경화가 촉진될 수 있으므로 직사광선을 피하는 것이 중요합니다.

UV 코팅의 촉매를 하나로 생각하기보다는 두 부분으로 생각하는 것이 더 쉬울 수 있습니다. 하나는 마감재에 이미 함유된 광개시제(액체 성분의 약 5%)이고, 다른 하나는 이 광개시제를 활성화시키는 UV 에너지입니다. 이 두 가지가 없으면 아무 일도 일어나지 않습니다.

이러한 독특한 특성 덕분에 자외선 조사 범위 밖에서 분사된 페인트를 회수하여 재사용할 수 있습니다. 따라서 폐기물을 거의 완전히 제거할 수 있습니다.
기존의 자외선 램프는 수은 증기 램프와 빛을 모아 대상 부위로 향하게 하는 타원형 반사판으로 구성됩니다. 이는 광개시제를 최대한 효과적으로 활성화시키기 위해 빛을 집중시키는 것을 목적으로 합니다.

지난 10년 정도 동안 LED(발광 다이오드)는 기존 백열전구를 대체하기 시작했는데, 이는 LED가 전력 소비량이 적고 수명이 훨씬 길며, 예열이 필요 없고, 파장 범위가 좁아 목재에 문제를 일으키는 열을 거의 발생시키지 않기 때문입니다. 이러한 열은 소나무와 같은 목재의 수지를 액화시킬 수 있으며, 발생된 열을 방출해야 합니다.
경화 과정 자체는 동일합니다. 모든 것이 "직선 거리"에 달려 있습니다. 자외선이 일정한 거리에서 표면에 닿아야만 경화가 진행됩니다. 그림자가 드리워진 부분이나 빛이 닿지 않는 부분은 경화되지 않습니다. 이는 현재 자외선 경화 방식의 중요한 한계점입니다.

프로파일 몰딩처럼 거의 평평한 표면을 포함하여 복잡한 형상의 물체에 코팅을 경화시키려면 코팅의 조성에 맞춰 모든 표면에 동일한 고정 거리에서 빛이 닿도록 조명을 배치해야 합니다. 이것이 바로 UV 경화 마감재를 사용하는 프로젝트의 대부분이 평평한 물체에 적용되는 이유입니다.

UV 코팅 도포 및 경화에 일반적으로 사용되는 두 가지 방식은 평면 라인 방식과 챔버 방식입니다.
평면 라인 공정에서는 평평하거나 거의 평평한 물체가 컨베이어를 따라 스프레이나 롤러 아래를 지나거나 진공 챔버를 통과한 후, 필요한 경우 용제나 수분을 제거하기 위해 오븐을 거치고 마지막으로 UV 램프 배열 아래에서 경화됩니다. 이렇게 경화된 물체는 즉시 쌓을 ​​수 있습니다.

가공실에서는 일반적으로 물체를 매달아 컨베이어를 따라 동일한 단계를 거쳐 이동시킵니다. 가공실을 이용하면 모든 면을 한 번에 가공할 수 있고, 복잡하지 않은 3차원 물체도 가공할 수 있습니다.

또 다른 방법은 로봇을 사용하여 자외선 램프 앞에서 물체를 회전시키거나, 자외선 램프를 잡고 그 주위로 물체를 움직이는 것입니다.
공급업체는 핵심적인 역할을 합니다.
UV 경화 코팅 및 장비의 경우, 촉매 경화형 바니시보다 공급업체와의 협력이 훨씬 더 중요합니다. 그 이유는 조정해야 할 변수가 많기 때문입니다. 이러한 변수에는 전구 또는 LED의 파장과 대상물과의 거리, 코팅 조성, 그리고 마감 라인을 사용하는 경우 라인 속도 등이 포함됩니다.