고성능 UV 경화 코팅은 바닥재, 가구, 캐비닛 제조에 오랫동안 사용되어 왔습니다. 이 기간 동안 대부분 100% 고형분 및 용제 기반 UV 경화 코팅이 시장을 지배하는 기술이었습니다. 최근 몇 년 동안 수성 UV 경화 코팅 기술이 성장하고 있습니다. 수성 UV 경화 수지는 KCMA 얼룩 방지 시험 통과, 내화학성 시험 통과, VOC 감소 등 다양한 이유로 제조업체에 유용한 도구임이 입증되었습니다. 이 기술이 시장에서 지속적으로 성장하기 위해서는 몇 가지 핵심 개선 영역이 필요합니다. 이러한 개선을 통해 수성 UV 경화 수지는 대부분의 수지가 갖추고 있는 "필수 요소"를 넘어 코팅에 가치 있는 특성을 더하게 될 것입니다. 코팅 배합자부터 공장 시공자, 설치자, 그리고 최종 소비자까지 가치 사슬의 모든 단계에서 가치를 창출할 수 있을 것입니다.
특히 오늘날 제조업체들은 단순히 규격을 충족하는 것 이상의 성능을 제공하는 코팅을 원합니다. 제조, 포장 및 설치 과정에서 이점을 제공하는 다양한 특성이 요구됩니다. 바람직한 특성 중 하나는 공장 효율성 향상입니다. 수성 코팅의 경우, 이는 빠른 수분 방출과 빠른 블록킹 저항성을 의미합니다. 또 다른 바람직한 특성은 코팅의 회수/재사용 및 재고 관리를 위한 수지 안정성 향상입니다. 최종 사용자 및 설치자 측면에서는 우수한 연마 저항성과 설치 중 금속 자국 방지가 바람직한 특성입니다.
본 기사에서는 투명 및 유색 코팅 모두에서 50°C 도료 안정성이 크게 향상된 수성 UV 경화형 폴리우레탄의 새로운 개발 동향을 살펴봅니다. 또한 이러한 수지가 빠른 수분 방출, 향상된 블록 저항성, 그리고 생산 라인 외부에서의 내용제성을 통해 코팅 시공 속도를 높이는 데 어떻게 기여하는지 논의합니다. 이는 적재 및 포장 작업 속도를 향상시키고 생산 라인 외부에서 발생할 수 있는 손상을 줄여줍니다. 더불어, 시공자와 소유주에게 중요한 얼룩 및 화학 물질 저항성 향상에 대해서도 다룹니다.
배경
도료 산업의 환경은 끊임없이 변화하고 있습니다. 단순히 규격에 부합하고 도포 두께당 가격이 합리적인 것만으로는 더 이상 충분하지 않습니다. 가구, 목공품, 바닥재, 가구 등에 적용되는 공장 도료 시장은 빠르게 변화하고 있습니다. 공장에 도료를 공급하는 제조사들은 작업자의 안전성을 높이고, 유해 물질을 제거하며, 휘발성 유기화합물(VOC)을 물로 대체하고, 화석 탄소 사용을 줄이고 바이오 탄소 사용을 늘리는 등 더욱 엄격한 기준을 요구받고 있습니다. 현실은 가치 사슬 전반에 걸쳐 모든 고객이 도료에 단순히 규격 충족 이상의 것을 요구하고 있다는 것입니다.
공장에 더 큰 가치를 창출할 기회를 포착한 우리 팀은 공장 현장에서 작업자들이 직면한 어려움을 조사하기 시작했습니다. 여러 차례 인터뷰를 거친 결과 몇 가지 공통적인 문제점을 발견하게 되었습니다.
- 인허가 관련 장애물 때문에 사업 확장 목표를 달성하지 못하고 있습니다.
- 비용은 증가하고 있는데 자본 예산은 감소하고 있습니다.
- 에너지 비용과 인건비 모두 증가하고 있습니다.
- 숙련된 직원의 손실;
- 우리 회사의 판매관리비 목표뿐 아니라 고객사의 목표도 충족해야 합니다.
- 해외 대회.
이러한 주제들을 바탕으로 수성 UV 경화형 폴리우레탄을 사용하는 업체들, 특히 목공 및 가구 시장 종사자들에게 공감을 불러일으키는 다음과 같은 가치 제안 문구가 도출되었습니다. "목공 및 가구 제조업체들은 공장 효율성 향상을 추구하고 있습니다." 그리고 "제조업체들은 수분 방출 속도가 느린 코팅 덕분에 재작업으로 인한 손상을 줄이면서 더 짧은 생산 라인에서 생산량을 늘릴 수 있기를 원합니다."
표 1은 코팅 원료 제조업체의 경우 특정 코팅 속성 및 물리적 특성의 개선이 최종 사용자가 체감할 수 있는 효율성 향으로 이어지는 방식을 보여줍니다.
표 1 | 특징 및 장점.
표 1에 나열된 특정 속성을 갖춘 UV 경화형 PUD를 설계함으로써 최종 사용자 제조업체는 공장 효율성 향상에 필요한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이를 통해 경쟁력을 강화하고 잠재적으로 현재 생산량을 확장할 수 있습니다.
실험 결과 및 논의
UV 경화형 폴리우레탄 분산액의 역사
1990년대에 들어서면서 폴리머에 아크릴레이트 그룹이 결합된 음이온성 폴리우레탄 분산액이 산업 분야에서 상업적으로 사용되기 시작했습니다.1 이러한 응용 분야는 포장재, 잉크, 목재 코팅 등 다양했습니다. 그림 1은 UV 경화형 폴리우레탄 분산액의 일반적인 구조를 보여주며, 이러한 코팅 원료가 어떻게 설계되는지를 나타냅니다.
그림 1 | 일반적인 아크릴레이트 기능성 폴리우레탄 분산액.3
그림 1에서 보는 바와 같이, UV 경화성 폴리우레탄 분산액(UV 경화성 PUD)은 폴리우레탄 분산액 제조에 일반적으로 사용되는 구성 요소들로 이루어져 있습니다. 지방족 디이소시아네이트는 폴리우레탄 분산액 제조에 사용되는 일반적인 에스테르, 디올, 친수화기 및 사슬 연장제와 반응합니다.2 차이점은 분산액 제조 시 프리폴리머 단계에서 아크릴레이트 기능성 에스테르, 에폭시 또는 에테르를 첨가한다는 점입니다. 구성 요소로 사용되는 재료의 선택뿐만 아니라 폴리머 구조 및 가공 방식은 PUD의 성능과 건조 특성을 결정합니다. 이러한 원료 및 가공 방식의 선택에 따라 필름을 형성하지 않는 UV 경화성 PUD와 필름을 형성하는 PUD가 모두 생성될 수 있습니다.3 본 논문에서는 필름 형성 또는 건조 유형에 대해 다룹니다.
필름 형성 또는 건조라고도 하는 공정을 통해 UV 경화 전에 만져도 건조한 응집된 필름이 생성됩니다. 시공업체는 미립자로 인한 코팅의 공기 중 오염을 최소화하고 생산 공정 속도를 높여야 하기 때문에 UV 경화 전에 연속 공정의 일부로 오븐에서 건조하는 경우가 많습니다. 그림 2는 UV 경화형 PUD의 일반적인 건조 및 경화 공정을 보여줍니다.
그림 2 | UV 경화형 PUD를 경화시키는 공정.
일반적으로 스프레이 방식이 사용되지만, 나이프 오버 롤러나 심지어는 플러드 코팅 방식도 사용됩니다. 코팅이 완료되면 일반적으로 4단계 공정을 거친 후에야 다시 취급됩니다.
1. 플래시: 이 과정은 실온 또는 고온에서 몇 초에서 몇 분 동안 진행할 수 있습니다.
2. 오븐 건조: 이 단계에서 코팅에서 물과 공용매가 완전히 제거됩니다. 이 단계는 매우 중요하며 일반적으로 공정에서 가장 많은 시간이 소요됩니다. 이 단계는 보통 60°C(140°F) 이상의 온도에서 최대 8분 동안 진행됩니다. 다중 구역 건조 오븐을 사용할 수도 있습니다.
- 적외선 램프 및 공기 순환: 적외선 램프와 공기 순환 팬을 설치하면 물의 번쩍임 속도가 더욱 빨라집니다.
3. UV 경화.
4. 냉각: 경화 후, 코팅이 블록킹 저항성을 확보하려면 일정 시간 동안 냉각시켜야 합니다. 블록킹 저항성이 완전히 확보될 때까지 최대 10분이 소요될 수 있습니다.
실험적인
본 연구에서는 가구 및 목공 시장에서 현재 사용되고 있는 두 가지 UV 경화형 PUD(WB UV)와 당사의 신제품인 PUD #65215A를 비교했습니다. 본 연구에서는 표준 #1 및 표준 #2를 PUD #65215A와 건조성, 블록킹성, 내화학성 측면에서 비교했습니다. 또한, 오버 스프레이 재사용 및 보관 수명에 중요한 pH 안정성과 점도 안정성도 평가했습니다. 아래 표 2에는 본 연구에 사용된 각 수지의 물리적 특성이 나와 있습니다. 세 가지 시스템 모두 유사한 광개시제 함량, VOC 함량 및 고형분 함량으로 제조되었습니다. 세 가지 수지 모두 3%의 공용매를 사용하여 제조되었습니다.
표 2 | PUD 수지 특성.
인터뷰를 통해 목재 및 가구 시장에서 사용되는 대부분의 수성 UV 코팅은 생산 라인에서 건조되는데, UV 경화 전 5~8분이 소요된다는 것을 알게 되었습니다. 반면, 용제 기반 UV(SB-UV) 코팅은 3~5분 만에 건조됩니다. 또한, 이 시장에서는 코팅을 일반적으로 4~5mil 두께로 도포합니다. 수성 UV 경화 코팅은 용제 기반 UV 경화 코팅에 비해 생산 라인에서 수분을 제거하는 데 시간이 오래 걸린다는 단점이 있습니다.4 UV 경화 전에 코팅에서 수분이 제대로 제거되지 않으면 백반과 같은 도막 결함이 발생할 수 있습니다. 또한, 습윤 도막 두께가 너무 두꺼워도 이러한 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 백반은 UV 경화 과정에서 도막 내부에 수분이 갇히면서 발생합니다.5
본 연구에서는 UV 경화형 용제 기반 생산 라인에서 사용되는 것과 유사한 경화 스케줄을 선택했습니다. 그림 3은 본 연구에 사용된 도포, 건조, 경화 및 포장 스케줄을 보여줍니다. 이 건조 스케줄은 목공 및 가구 제작 분야에서 현재 시장 표준 대비 전체 생산 속도를 50%~60% 향상시키는 것으로 나타났습니다.
그림 3 | 도포, 건조, 경화 및 포장 일정.
아래는 본 연구에서 사용한 도포 및 경화 조건입니다.
●검은색 바탕 코팅을 한 단풍나무 무늬목 위에 스프레이 방식으로 도포합니다.
●실온에서 30초간 플래시 촬영.
●140°F(60°C)의 건조 오븐에서 2.5분간 건조합니다(컨벡션 오븐).
●UV 경화 – 강도 약 800 mJ/cm2.
- 투명 코팅은 수은 램프를 사용하여 경화시켰습니다.
- 안료 코팅은 Hg/Ga 복합 램프를 사용하여 경화되었습니다.
●적재하기 전에 1분간 식혀주세요.
본 연구에서는 도장 횟수 감소와 같은 추가적인 이점이 있는지 확인하기 위해 서로 다른 세 가지 습윤막 두께로 도막을 도포했습니다. 일반적인 수성 UV 코팅의 습윤막 두께는 4mil입니다. 본 연구에서는 6mil과 8mil 두께의 습윤막 코팅도 포함했습니다.
치료 결과
표준 #1인 고광택 투명 코팅의 결과는 그림 4에 나타나 있습니다. WB UV 투명 코팅은 이전에 검정색 하도 코팅이 된 중밀도 섬유판(MDF)에 도포되었고, 그림 3에 나타난 일정에 따라 경화되었습니다. 4mil 두께로 도포했을 때는 코팅이 통과되었습니다. 그러나 6mil 및 8mil 두께로 도포했을 때는 코팅에 균열이 발생했으며, 특히 8mil 두께의 코팅은 UV 경화 전에 수분 제거가 제대로 되지 않아 쉽게 제거되었습니다.
그림 4 | 표준 #1.
그림 5에 나타난 표준 2에서도 유사한 결과가 나타납니다.
그림 5 | 표준 #2.
그림 6에서 볼 수 있듯이, 그림 3과 동일한 경화 스케줄을 사용했을 때, PUD #65215A는 수분 방출/건조 성능이 크게 향상되었습니다. 습윤 필름 두께가 8mil일 때, 시료 하단 가장자리에서 약간의 균열이 관찰되었습니다.
그림 6 | PUD #65215A.
검정색 하도 코팅이 적용된 동일한 MDF 위에 저광택 투명 코팅과 유색 코팅으로 PUD# 65215A를 추가로 테스트하여 다른 일반적인 코팅 제형에서의 발수 특성을 평가했습니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 5mil 및 7mil 두께로 도포된 저광택 제형은 수분을 효과적으로 발수하고 양호한 도막을 형성했습니다. 그러나 10mil 두께로 도포했을 때는 그림 3의 건조 및 경화 일정에 따라 수분을 발수하기에는 너무 두꺼웠습니다.
그림 7 | 저광택 PUD #65215A.
흰색 안료를 사용한 PUD #65215A는 그림 3에 설명된 것과 동일한 건조 및 경화 조건에서 우수한 성능을 보였지만, 8 습윤 두께로 도포했을 때는 예외였습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 8 습윤 두께에서는 수분 방출이 불량하여 도막에 균열이 발생했습니다. 전반적으로 투명, 저광택 및 안료를 사용한 제형에서 PUD #65215A는 최대 7 습윤 두께로 도포하고 그림 3에 설명된 가속 건조 및 경화 조건으로 경화시켰을 때 도막 형성 및 건조 성능이 우수했습니다.
그림 8 | 색소 함유 PUD #65215A.
차단 결과
블록 저항성은 코팅된 물체를 겹쳐 놓았을 때 다른 코팅된 물체에 달라붙지 않는 코팅의 능력을 말합니다. 제조 과정에서 경화된 코팅이 블록 저항성을 확보하는 데 시간이 오래 걸리면 종종 병목 현상이 발생합니다. 본 연구에서는 표준 #1 및 PUD #65215A의 안료 제형을 드로다운 바를 사용하여 유리 표면에 5 습윤 밀 두께로 도포했습니다. 각 제형은 그림 3의 경화 일정에 따라 경화시켰습니다. 코팅된 유리 패널 두 개를 동시에 경화시킨 후, 경화 4분 후 그림 9와 같이 패널을 함께 고정했습니다. 패널은 실온에서 24시간 동안 고정된 상태로 유지했습니다. 코팅된 패널에 자국이나 손상 없이 쉽게 분리되면 시험을 통과한 것으로 간주했습니다.
그림 10은 PUD #65215A의 향상된 블록 저항성을 보여줍니다. 이전 시험에서 표준 #1과 PUD #65215A 모두 완전 경화되었지만, PUD #65215A만이 블록 저항성을 확보할 만큼 충분한 수분 방출 및 경화를 보였습니다.
그림 9 | 차단 저항 테스트 예시.
그림 10 | 표준 #1과 PUD #65215A의 차단 저항.
아크릴 블렌딩 결과
코팅 제조업체는 비용 절감을 위해 수성 UV 경화형 수지를 아크릴과 혼합하는 경우가 많습니다. 본 연구에서는 가구 및 캐비닛 시장에서 UV 경화형 수성 PUD의 혼합 파트너로 자주 사용되는 수성 아크릴인 NeoCryl® XK-12와 PUD#65215A의 혼합도 살펴보았습니다. 이 시장에서는 KCMA 얼룩 방지 테스트가 표준으로 여겨집니다. 최종 용도에 따라 코팅 제품 제조업체에게는 특정 화학 물질의 중요성이 달라질 수 있습니다. 5점은 최고 등급이고 1점은 최저 등급입니다.
표 3에서 볼 수 있듯이, PUD #65215A는 고광택 투명, 저광택 투명 및 유색 코팅 모두에서 KCMA 얼룩 테스트에서 탁월한 성능을 보였습니다. 아크릴과 1:1로 혼합했을 때에도 KCMA 얼룩 테스트 결과는 크게 영향을 받지 않았습니다. 겨자 같은 착색제를 사용했을 때도 코팅은 24시간 후 허용 가능한 수준으로 회복되었습니다.
표 3 | 화학 물질 및 얼룩 저항성 (5점이 최고 등급)
KCMA 얼룩 방지 테스트 외에도 제조업체는 UV 경화 직후 경화 테스트를 진행합니다. 이 테스트에서는 아크릴 혼합의 영향이 경화 직후 바로 나타나는 경우가 많습니다. 20회 이소프로필 알코올(20 IPA dr) 문지르기 후에도 코팅이 벗겨지지 않는 것이 목표입니다. 샘플은 UV 경화 후 1분 뒤에 테스트합니다. 저희 테스트 결과, PUD #65215A와 아크릴을 1:1로 혼합한 샘플은 이 테스트를 통과하지 못했습니다. 하지만 PUD #65215A를 NeoCryl XK-12 아크릴(NeoCryl은 Covestro 그룹의 등록 상표입니다)과 25% 혼합했을 때는 20 IPA dr 테스트를 통과하는 것을 확인했습니다.
그림 11 | IPA 20회 이중 문지르기, UV 경화 후 1분.
수지 안정성
PUD #65215A의 안정성도 테스트했습니다. 제형은 40°C에서 4주 후에도 pH가 7 이하로 떨어지지 않고 점도가 초기 값과 비교하여 안정적으로 유지되면 유통기한이 있는 것으로 간주됩니다. 본 테스트에서는 샘플을 50°C에서 최대 6주 동안 더 가혹한 조건에 노출시키기로 했습니다. 이러한 조건에서 표준 #1과 #2는 안정적이지 않았습니다.
본 연구에서는 고광택 투명, 저광택 투명, 그리고 저광택 유색 제형을 대상으로 테스트를 진행했습니다. 그림 12에서 볼 수 있듯이, 세 가지 제형 모두 pH 안정성이 7.0 이상으로 안정적으로 유지되었습니다. 그림 13은 50°C에서 6주 후에도 점도 변화가 거의 없음을 보여줍니다.
그림 12 | 제조된 PUD #65215A의 pH 안정성.
그림 13 | 제조된 PUD #65215A의 점도 안정성.
PUD #65215A의 안정성 성능을 입증하는 또 다른 시험은 50°C에서 6주 동안 숙성시킨 코팅 제형의 KCMA 얼룩 저항성을 다시 시험하고 초기 KCMA 얼룩 저항성과 비교하는 것이었습니다. 안정성이 좋지 않은 코팅은 얼룩 방지 성능이 저하됩니다. 그림 14에서 볼 수 있듯이, PUD #65215A는 표 3에 제시된 유색 코팅의 초기 화학/얼룩 저항성 시험에서와 동일한 수준의 성능을 유지했습니다.
그림 14 | 색소 함유 PUD #65215A에 대한 화학 테스트 패널.
결론
UV 경화형 수성 코팅제를 사용하는 업체라면 PUD #65215A를 통해 목공, 목재 및 캐비닛 시장의 현재 성능 기준을 충족할 수 있을 뿐 아니라, 기존 표준 UV 경화형 수성 코팅제 대비 생산 속도를 50~60% 이상 향상시킬 수 있습니다. 이는 업체에 다음과 같은 이점을 제공할 수 있습니다.
●생산 속도 향상;
●도막 두께가 증가하면 추가 도포 횟수가 줄어듭니다.
●더 짧은 건조 라인;
●건조 필요량 감소로 인한 에너지 절약;
●빠른 막힘 저항으로 인해 폐기물 발생량이 줄어듭니다.
●수지 안정성으로 인해 코팅 폐기물이 감소합니다.
VOC 함량이 100g/L 미만이므로 제조업체는 VOC 목표치를 더욱 쉽게 충족할 수 있습니다. 허가 문제로 확장에 대한 우려가 있는 제조업체의 경우, 빠른 방출이 가능한 PUD #65215A를 사용하면 성능 저하 없이 규제 의무를 더욱 쉽게 이행할 수 있습니다.
이 글의 서두에서 우리는 인터뷰를 통해 용매 기반 UV 경화성 재료를 사용하는 경우 일반적으로 코팅 건조 및 경화에 3~5분이 소요된다는 점을 언급했습니다. 본 연구에서는 그림 3에 나타낸 공정에 따라 PUD #65215A가 오븐 온도 140°C에서 최대 7mil 두께의 습윤 필름을 4분 만에 경화시킬 수 있음을 입증했습니다. 이는 대부분의 용매 기반 UV 경화성 코팅의 건조 및 경화 시간 범위 내에 있습니다. PUD #65215A를 사용하면 현재 용매 기반 UV 경화성 재료를 사용하는 업체들이 코팅 라인에 큰 변화 없이 수성 UV 경화성 재료로 전환할 수 있을 것으로 기대됩니다.
생산 확장을 고려하는 제조업체의 경우, PUD #65215A 기반 코팅을 사용하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.
●수성 코팅 라인을 단축하여 비용을 절감하세요.
●시설 내 코팅 라인 설치 공간을 최소화합니다.
●기존 VOC 허가에 미치는 영향을 줄입니다.
●건조 필요량 감소로 에너지 절약을 실현하세요.
결론적으로, PUD #65215A는 140°C에서 건조 시 우수한 물리적 특성과 빠른 수분 방출 특성을 통해 UV 경화형 코팅 라인의 제조 효율을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다.
게시 시간: 2024년 8월 14일
