고성능 UV 경화 코팅은 오랫동안 바닥재, 가구, 캐비닛 제조에 사용되어 왔습니다. 대부분의 기간 동안 100% 고형분 및 용제 기반 UV 경화 코팅이 시장의 주요 기술이었습니다. 최근 몇 년 동안 수성 UV 경화 코팅 기술이 발전했습니다. 수성 UV 경화 수지는 KCMA 스테인 통과, 내화학성 테스트, VOC 감소 등 다양한 이유로 제조업체에 유용한 도구임이 입증되었습니다. 이 기술이 시장에서 지속적으로 성장하기 위해서는 몇 가지 핵심 개선 영역이 필요합니다. 이러한 핵심 개선 영역은 수성 UV 경화 수지를 단순히 대부분의 수지가 가진 "필수품"을 넘어 더욱 발전시킬 것입니다. 코팅에 귀중한 특성을 더하여 코팅 제조 업체부터 공장 시공업체, 시공업체, 그리고 최종적으로 소유주에 이르기까지 가치 사슬의 모든 단계에 가치를 더할 것입니다.
제조업체, 특히 오늘날 제조업체들은 단순히 사양을 통과하는 것 이상의 성능을 갖춘 코팅을 원합니다. 제조, 포장 및 설치 과정에서 이점을 제공하는 다른 특성들도 있습니다. 가장 중요한 특성 중 하나는 설비 효율 향상입니다. 수성 코팅의 경우, 이는 빠른 수분 방출과 빠른 블로킹 저항성을 의미합니다. 또 다른 중요한 특성은 코팅의 포집/재사용 및 재고 관리를 위한 수지 안정성 향상입니다. 최종 사용자와 설치자에게 가장 중요한 특성은 더 나은 광택 저항성과 설치 중 금속 자국이 남지 않는 것입니다.
본 논문에서는 투명 및 유색 코팅에서 50°C 도료 안정성이 크게 향상된 수성 UV 경화 폴리우레탄의 새로운 개발 사례에 대해 논의합니다. 또한, 이러한 수지가 빠른 수분 방출, 향상된 블록 저항성, 그리고 생산 라인에서의 내용제성을 통해 라인 속도를 향상시켜 스태킹 및 포장 작업 속도를 개선하는 코팅 도포기의 요구 특성을 어떻게 충족하는지에 대해 논의합니다. 이는 또한 때때로 발생하는 생산 라인에서의 손상을 개선하는 데에도 도움이 될 것입니다. 또한, 시공자와 소유주에게 중요한 얼룩 방지 및 내화학성 개선 효과에 대해서도 논의합니다.
배경
코팅 산업의 환경은 끊임없이 변화하고 있습니다. 단순히 적용밀당 합리적인 가격으로 사양을 통과하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 캐비닛, 목공, 바닥재, 가구 등에 사용되는 공장 코팅의 환경은 빠르게 변화하고 있습니다. 공장에 코팅제를 공급하는 제조업체들은 직원들이 코팅을 더 안전하게 도포할 수 있도록 하고, 고위험 물질을 제거하고, VOC를 물로 대체하고, 심지어 화석 탄소 사용량을 줄이고 바이오 탄소 사용량을 늘려야 한다는 요구를 받고 있습니다. 하지만 가치 사슬 전반에 걸쳐 모든 고객은 코팅제에 단순히 사양을 충족하는 것 이상의 기능을 요구하고 있습니다.
공장에 더 많은 가치를 창출할 수 있는 기회를 포착한 저희 팀은 공장 차원에서 이러한 애플리케이터들이 직면한 어려움을 조사하기 시작했습니다. 여러 차례 인터뷰를 진행한 후, 다음과 같은 공통적인 주제를 접하게 되었습니다.
- 허가 장애물로 인해 확장 목표가 방해받고 있습니다.
- 비용은 증가하고 자본 예산은 감소하고 있습니다.
- 에너지 비용과 인건비가 모두 증가하고 있습니다.
- 경험이 풍부한 직원의 손실
- 우리 회사의 SG&A 목표는 물론 고객의 SG&A 목표도 충족되어야 합니다.
- 해외 경쟁.
이러한 주제는 특히 목공 및 캐비닛 시장 분야에서 수성 UV 경화 폴리우레탄 적용자에게 공감을 불러일으키는 가치 제안 진술로 이어졌습니다.예를 들어, "목공 및 캐비닛 제조업체는 공장 효율성 개선을 모색하고 있습니다" 및 "제조업체는 물 방출 속도가 느린 코팅으로 인해 재작업 손상이 줄어들면서 더 짧은 생산 라인에서 생산량을 늘릴 수 있는 능력을 원합니다."
표 1은 코팅 원료 제조업체가 특정 코팅 속성과 물리적 특성을 개선하면 최종 사용자가 실현할 수 있는 효율성이 어떻게 향상되는지 보여줍니다.
표 1 | 속성 및 이점
표 1에 나열된 특정 특성을 갖춘 UV 경화 PUD를 설계함으로써 최종 사용 제조업체는 공장 효율성 향상에 대한 요구를 충족할 수 있습니다. 이를 통해 제조업체는 경쟁력을 강화하고 잠재적으로 현재 생산량을 확대할 수 있습니다.
실험 결과 및 논의
UV 경화 폴리우레탄 분산의 역사
1990년대에는 아크릴레이트기가 결합된 음이온성 폴리우레탄 분산액이 산업 분야에서 상업적으로 활용되기 시작했습니다.1 이러한 응용 분야는 포장, 잉크, 목재 코팅 등 다양했습니다. 그림 1은 UV 경화형 PUD의 일반적인 구조를 보여주며, 이러한 코팅 원료가 어떻게 설계되는지 보여줍니다.
그림 1 | 일반 아크릴레이트 작용성 폴리우레탄 분산액.3
그림 1에서 볼 수 있듯이, UV 경화 폴리우레탄 분산액(UV 경화 PUD)은 폴리우레탄 분산액 제조에 사용되는 일반적인 성분들로 구성됩니다. 지방족 디이소시아네이트는 폴리우레탄 분산액 제조에 사용되는 일반적인 에스테르, 디올, 친수성기 및 사슬 연장제와 반응합니다.2 차이점은 분산액 제조 시 프리폴리머 단계에 아크릴레이트 작용성 에스테르, 에폭시 또는 에테르를 첨가한다는 것입니다. 빌딩 블록으로 사용되는 재료의 선택, 폴리머 구조 및 가공 방식은 PUD의 성능과 건조 특성을 결정합니다. 이러한 원료 및 가공 방식의 선택은 필름을 형성하는 것뿐만 아니라 필름을 형성하지 않는 UV 경화 PUD를 만들어냅니다.3 필름 형성 또는 건조 유형이 본 논문의 주제입니다.
필름 형성, 또는 건조라고 불리는 이 과정은 UV 경화 전에 만져도 건조한 합착 필름을 생성합니다. 도포 업체는 미립자로 인한 코팅의 공기 중 오염을 최소화하고 생산 공정의 속도를 높이기 위해, UV 경화 전 연속 공정의 일부로 오븐에서 건조하는 경우가 많습니다. 그림 2는 UV 경화 PUD의 일반적인 건조 및 경화 과정을 보여줍니다.
그림 2 | UV 경화 PUD를 경화하는 과정.
일반적으로 스프레이 방식으로 도포합니다. 하지만 나이프 오버 롤(knife over roll)이나 플러드 코트(flood coat) 방식도 있습니다. 도포 후, 코팅은 보통 4단계 공정을 거쳐 다시 처리됩니다.
1. 플래시: 이 작업은 실온이나 고온에서 몇 초에서 몇 분 동안 수행할 수 있습니다.
2. 오븐 건조: 코팅에서 물과 공용매를 제거하는 단계입니다. 이 단계는 매우 중요하며 일반적으로 공정에서 가장 많은 시간이 소요됩니다. 이 단계는 보통 74°C 이상의 온도에서 최대 8분 동안 진행됩니다. 여러 구역으로 구성된 건조 오븐을 사용할 수도 있습니다.
- IR 램프와 공기 흐름: IR 램프와 공기 흐름 팬을 설치하면 물 플래시가 더욱 빠르게 진행됩니다.
3.UV 경화.
4. 냉각: 코팅이 경화되면 블로킹 저항성을 얻기 위해 일정 시간 동안 경화해야 합니다. 이 단계는 블로킹 저항성을 얻기까지 최대 10분 정도 걸릴 수 있습니다.
실험적
본 연구에서는 현재 캐비닛 및 목공 시장에서 사용되는 두 가지 UV 경화 PUD(WB UV)를 당사의 신규 개발 PUD #65215A와 비교했습니다. 본 연구에서는 표준 #1과 표준 #2를 PUD #65215A와 건조, 차단 및 내화학성 측면에서 비교했습니다. 또한, 오버스프레이 재사용 및 유통기한을 고려할 때 중요할 수 있는 pH 안정성과 점도 안정성도 평가했습니다. 아래 표 2는 본 연구에 사용된 각 수지의 물리적 특성을 보여줍니다. 세 가지 시스템 모두 유사한 광개시제 함량, VOC 및 고형분 함량을 갖도록 제조되었습니다. 세 가지 수지 모두 3% 공용매를 사용하여 제조되었습니다.
표 2 | PUD 수지 특성.
인터뷰를 통해 목공 및 캐비닛 시장에서 사용되는 대부분의 WB-UV 코팅은 생산 라인에서 건조되며, UV 경화 전 5~8분이 걸린다고 들었습니다. 반면, 용제 기반 UV(SB-UV) 라인은 3~5분 안에 건조됩니다. 또한, 이 시장에서는 코팅이 일반적으로 4~5밀(mil)의 습윤 두께로 도포됩니다. UV 경화 용제 기반 코팅과 비교할 때 수성 UV 경화 코팅의 주요 단점은 생산 라인에서 물을 분사하는 데 걸리는 시간입니다.4 UV 경화 전에 코팅에서 물이 제대로 분사되지 않으면 백색 반점과 같은 필름 결함이 발생합니다. 습윤 필름 두께가 너무 두꺼울 경우에도 발생할 수 있습니다. 이러한 백색 반점은 UV 경화 과정에서 물이 필름 내부에 갇히면서 발생합니다.5
본 연구에서는 UV 경화형 용제 기반 라인에서 사용되는 것과 유사한 경화 스케줄을 선택했습니다. 그림 3은 본 연구에 사용된 도포, 건조, 경화 및 포장 스케줄을 보여줍니다. 이 건조 스케줄은 목공 및 캐비닛 분야에서 현재 시장 표준 대비 전체 라인 속도가 50%에서 60% 향상되었음을 보여줍니다.
그림 3 | 적용, 건조, 경화 및 포장 일정.
우리 연구에 사용된 적용 및 경화 조건은 다음과 같습니다.
●검은색 베이스코트를 메이플 베니어 위에 스프레이로 도포합니다.
●30초간 실온 플래시.
●건조 오븐 140°F에서 2.5분(대류 오븐).
●UV 경화 – 강도 약 800 mJ/cm2.
- 투명 코팅은 Hg 램프를 사용하여 경화되었습니다.
- 색소 코팅은 Hg/Ga 램프를 조합하여 경화되었습니다.
●스태킹하기 전 1분간 식혀주세요.
본 연구에서는 코팅 횟수 감소와 같은 다른 장점도 있는지 확인하기 위해 세 가지 다른 습윤 도막 두께를 분무했습니다. WB UV의 일반적인 습윤 도막 두께는 4밀입니다. 본 연구에서는 6밀과 8밀 습윤 도막 두께도 포함했습니다.
경화 결과
표준 #1, 고광택 투명 코팅의 결과는 그림 4에 나와 있습니다. WB UV 투명 코팅은 이전에 검은색 베이스코트로 코팅된 중밀도 섬유판(MDF)에 도포하고 그림 3에 표시된 일정에 따라 경화했습니다. 4밀(mil) 두께에서는 코팅이 통과했습니다. 그러나 6밀과 8밀(mil) 두께에서는 코팅에 균열이 발생했고, 8밀(mil) 두께는 UV 경화 전 수분 방출이 불량하여 쉽게 제거되었습니다.
그림 4 | 표준 #1.
그림 5에 나타난 표준 #2에서도 비슷한 결과가 나타납니다.
그림 5 | 표준 #2.
그림 6에서 볼 수 있듯이, 그림 3과 동일한 경화 일정을 적용한 PUD #65215A는 수분 방출/건조 측면에서 엄청난 개선을 보였습니다. 습윤 필름 두께 8밀(8mil)에서 샘플 하단 가장자리에 약간의 균열이 관찰되었습니다.
그림 6 | PUD #65215A.
동일한 MDF 위에 검은색 베이스코트를 도포한 저광택 투명 코팅과 유색 코팅에 PUD# 65215A를 추가로 시험하여 다른 일반적인 코팅 제형의 수분 방출 특성을 평가했습니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 저광택 제형은 5밀과 7밀 두께로 도포했을 때 수분을 방출하고 양호한 도막을 형성했습니다. 그러나 10밀 두께에서는 그림 3의 건조 및 경화 일정에 따라 수분 방출이 너무 어려웠습니다.
그림 7 | 저광택 PUD #65215A.
백색 안료 제형에서 PUD #65215A는 그림 3에 설명된 것과 동일한 건조 및 경화 스케줄에서 우수한 성능을 보였지만, 8 습윤밀(wet mil)로 도포했을 때는 예외였습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이, 수분 방출이 좋지 않아 8 습윤밀에서 필름 균열이 발생했습니다. 전반적으로 투명, 저광택 및 안료 제형에서 PUD #65215A는 최대 7 습윤밀까지 도포하고 그림 3에 설명된 가속 건조 및 경화 스케줄로 경화했을 때 필름 형성 및 건조에서 우수한 성능을 보였습니다.
그림 8 | 색소 PUD #65215A.
결과 차단
블로킹 저항성은 코팅이 다른 코팅된 물품을 겹쳐 쌓았을 때 달라붙지 않는 능력입니다. 제조 과정에서 경화된 코팅이 블로킹 저항성을 얻는 데 시간이 걸리면 종종 병목 현상이 발생합니다. 본 연구에서는 표준 #1과 PUD #65215A의 안료 제형을 드로우다운 바를 사용하여 5 습밀로 유리에 도포했습니다. 이 두 패널은 그림 3의 경화 일정에 따라 각각 경화되었습니다. 두 코팅된 유리 패널을 동시에 경화시켰습니다. 경화 후 4분 후에 그림 9와 같이 패널을 클램프로 고정했습니다. 두 패널은 실온에서 24시간 동안 클램프로 고정된 상태를 유지했습니다. 코팅된 패널에 자국이나 손상 없이 패널이 쉽게 분리되면 시험은 통과로 간주했습니다.
그림 10은 PUD# 65215A의 향상된 내블로킹성을 보여줍니다. 표준 #1과 PUD #65215A 모두 이전 시험에서 완전 경화를 달성했지만, PUD #65215A만이 내블로킹성을 달성할 만큼 충분한 수분 방출 및 경화를 보였습니다.
그림 9 | 차단 저항 테스트 그림.
그림 10 | 표준 #1의 차단 저항, 그 다음 PUD #65215A.
아크릴 블렌딩 결과
코팅 제조업체는 비용 절감을 위해 WB UV 경화 수지를 아크릴 수지와 혼합하는 경우가 많습니다. 본 연구에서는 PUD#65215A와 NeoCryl® XK-12(목공 및 캐비닛 시장에서 UV 경화 수성 PUD의 혼합 파트너로 자주 사용되는 수성 아크릴)를 혼합하는 방법도 살펴보았습니다. 이 시장에서는 KCMA 얼룩 테스트가 표준으로 간주됩니다. 최종 사용 용도에 따라 코팅 제품 제조업체에 따라 일부 화학 물질이 다른 화학 물질보다 더 중요해질 수 있습니다. 5점은 최고 등급이고 1점은 최악 등급입니다.
표 3에서 볼 수 있듯이, PUD #65215A는 고광택 투명 도료, 저광택 투명 도료, 그리고 유색 도료로서 KCMA 얼룩 시험에서 탁월한 성능을 보였습니다. 아크릴 도료와 1:1로 혼합하더라도 KCMA 얼룩 시험에 큰 영향을 미치지 않았습니다. 겨자 등의 도료로 얼룩을 처리한 경우에도 24시간 후 도료의 색이 허용 가능한 수준으로 회복되었습니다.
표 3 | 내화학성 및 내오염성(5등급이 가장 좋음).
제조업체는 KCMA 얼룩 테스트 외에도 UV 경화 직후 경화 테스트를 실시합니다. 이 테스트에서는 아크릴 블렌딩의 영향이 경화 라인 직후에 나타나는 경우가 많습니다. 이소프로필 알코올을 20회 이중 문지르는 것(IPA dr 20회) 후에도 코팅이 깨지지 않아야 합니다. UV 경화 후 1분 후에 샘플을 테스트합니다. 저희 테스트에서 PUD# 65215A와 아크릴을 1:1로 혼합한 경우 이 테스트를 통과하지 못했습니다. 그러나 PUD# 65215A를 NeoCryl XK-12 아크릴 25%와 혼합하여도 20 IPA dr 테스트를 통과할 수 있음을 확인했습니다(NeoCryl은 Covestro 그룹의 등록 상표입니다).
그림 11 | UV 경화 후 1분 후 IPA를 20회 두 번 문지름.
수지 안정성
PUD #65215A의 안정성도 시험했습니다. 40°C에서 4주 후에도 pH가 7 이하로 떨어지지 않고 점도가 초기와 비교하여 안정적으로 유지되면 해당 제형은 상온에서 안정한 것으로 간주됩니다. 본 시험을 위해 샘플을 50°C에서 최대 6주 동안 더 가혹한 조건에 노출하기로 결정했습니다. 이러한 조건에서 표준 #1과 #2는 안정적이지 않았습니다.
본 연구에서는 고광택 투명, 저광택 투명, 그리고 저광택 색소 제형을 테스트했습니다. 그림 12에서 볼 수 있듯이, 세 제형 모두 pH 안정성이 안정적으로 유지되었으며 pH 7.0 이상이었습니다. 그림 13은 50°C에서 6주 후 최소 점도 변화를 보여줍니다.
그림 12 | 제형화된 PUD #65215A의 pH 안정성.
그림 13 | 제형화된 PUD #65215A의 점도 안정성.
PUD #65215A의 안정성 성능을 입증하는 또 다른 시험은 50°C에서 6주간 숙성된 코팅 제형의 KCMA 얼룩 저항성을 다시 시험하고, 이를 초기 KCMA 얼룩 저항성과 비교하는 것이었습니다. 안정성이 좋지 않은 코팅은 얼룩 저항성이 저하됩니다. 그림 14에서 볼 수 있듯이, PUD# 65215A는 표 3에 제시된 유색 코팅의 초기 내화학성/내얼룩성 시험과 동일한 수준의 성능을 유지했습니다.
그림 14 | 색소 PUD #65215A에 대한 화학 테스트 패널.
결론
UV 경화형 수성 코팅제 도포 업체의 경우, PUD #65215A는 목공, 목재 및 캐비닛 시장의 현행 성능 기준을 충족할 수 있도록 지원하며, 코팅 공정의 라인 속도를 기존 표준 UV 경화형 수성 코팅제 대비 50~60% 이상 향상시킬 수 있습니다. 도포 업체의 경우, 이는 다음과 같은 의미를 가질 수 있습니다.
●더 빠른 생산;
●필름 두께가 두꺼워지면 추가 코팅의 필요성이 줄어듭니다.
●더 짧은 건조 라인;
●건조 필요성 감소로 인한 에너지 절약
●빠른 차단 저항으로 인해 스크랩이 적습니다.
●수지의 안정성으로 코팅 낭비 감소
VOC가 100g/L 미만이면 제조업체는 VOC 목표를 더욱 효과적으로 달성할 수 있습니다. 허가 문제로 인해 확장에 어려움을 겪고 있는 제조업체의 경우, 속효성 PUD #65215A를 통해 성능 저하 없이 규제 의무를 더욱 쉽게 충족할 수 있습니다.
본 논문 서두에서 저희는 인터뷰를 통해 용제 기반 UV 경화 소재 도포자들이 일반적으로 코팅을 건조 및 경화하는 데 3~5분이 걸린다는 점을 언급했습니다. 본 연구에서는 그림 3에 제시된 공정에 따라 PUD #65215A가 140°C의 오븐 온도에서 4분 만에 최대 7밀(mil) 두께의 습윤 필름을 경화할 수 있음을 입증했습니다. 이는 대부분의 용제 기반 UV 경화 코팅의 경화 범위 내에 있습니다. PUD #65215A는 현재 용제 기반 UV 경화 소재 도포자들이 코팅 라인을 거의 변경하지 않고도 수성 UV 경화 소재로 전환할 수 있도록 지원할 수 있습니다.
생산 확장을 고려하는 제조업체의 경우 PUD #65215A 기반 코팅을 사용하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.
●짧은 수성 코팅 라인을 사용하여 비용을 절감합니다.
●시설 내 코팅 라인 설치 면적을 줄입니다.
●현재 VOC 허가에 미치는 영향이 감소합니다.
●건조 필요량 감소로 에너지 절감을 실현합니다.
결론적으로, PUD #65215A는 140°C에서 건조 시 수지의 높은 물리적 특성 성능과 빠른 물 방출 특성을 통해 UV 경화 코팅 라인의 제조 효율성을 개선하는 데 도움이 될 것입니다.
게시 시간: 2024년 8월 14일
