고성능 UV 경화 코팅은 오랫동안 바닥재, 가구, 캐비닛 제조에 사용되어 왔습니다. 대부분의 기간 동안 100% 고체 및 용매 기반 UV 경화 코팅이 시장에서 지배적인 기술이었습니다. 최근에는 수성 UV 경화 코팅 기술이 성장했습니다. 수성 UV 경화 수지는 KCMA 얼룩 통과, 내화학성 테스트, VOC 감소 등 다양한 이유로 제조업체에 유용한 도구임이 입증되었습니다. 이 기술이 이 시장에서 계속 성장하려면 개선이 필요한 핵심 영역으로 몇 가지 동인이 확인되었습니다. 이는 단순히 대부분의 수지가 갖고 있는 "필수품"을 넘어서는 수성 UV 경화 수지를 필요로 합니다. 그들은 코팅에 귀중한 특성을 추가하기 시작하여 코팅 제조자부터 공장 도포자, 설치자, 그리고 마지막으로 소유자에 이르기까지 가치 사슬을 따라 각 위치에 가치를 제공할 것입니다.
특히 오늘날 제조업체는 단순히 사양을 통과하는 것 이상의 기능을 제공하는 코팅을 원합니다. 제조, 포장, 설치 시 이점을 제공하는 다른 속성도 있습니다. 원하는 특성 중 하나는 플랜트 효율성의 향상입니다. 수성 코팅의 경우 이는 더 빠른 물 방출과 더 빠른 차단 저항을 의미합니다. 또 다른 바람직한 속성은 코팅의 회수/재사용 및 재고 관리를 위한 수지 안정성을 향상시키는 것입니다. 최종 사용자와 설치자가 원하는 특성은 더 나은 광택 저항성과 설치 중 금속 표시가 없는 것입니다.
이 기사에서는 투명 코팅과 유색 코팅에서 훨씬 향상된 50°C 페인트 안정성을 제공하는 수성 UV 경화성 폴리우레탄의 새로운 개발에 대해 논의합니다. 또한 이러한 수지가 빠른 물 방출, 향상된 블록 저항성 및 라인 밖의 내용매성을 통해 라인 속도를 증가시켜 적층 및 포장 작업 속도를 향상시키는 코팅 어플리케이터의 원하는 특성을 어떻게 해결하는지 논의합니다. 이로 인해 가끔 발생하는 오프라인 피해도 개선됩니다. 이 기사에서는 또한 설치자와 소유자에게 중요한 얼룩 및 내화학성에서 입증된 개선 사항에 대해서도 설명합니다.
배경
코팅 산업의 환경은 끊임없이 진화하고 있습니다. 단순히 적용 밀당 합리적인 가격으로 사양을 통과시키는 "필수 사항"만으로는 충분하지 않습니다. 캐비닛, 가구 제조, 바닥재 및 가구에 공장에서 적용되는 코팅의 환경은 빠르게 변화하고 있습니다. 공장에 코팅제를 공급하는 제조사들은 직원들이 코팅을 더 안전하게 적용할 수 있도록 하고, 우려되는 물질을 제거하고, VOC를 물로 대체하고, 심지어 화석 탄소를 줄이고 바이오 탄소를 더 많이 사용하도록 요청받고 있습니다. 현실은 가치 사슬 전반에 걸쳐 각 고객이 코팅에 사양을 충족하는 것 이상의 기능을 요구하고 있다는 것입니다.
공장에 더 많은 가치를 창출할 수 있는 기회를 포착한 우리 팀은 이러한 어플리케이터가 직면하고 있는 문제를 공장 수준에서 조사하기 시작했습니다. 많은 인터뷰 후에 우리는 몇 가지 공통된 주제를 듣기 시작했습니다.
- 장애물을 허용하면 확장 목표가 방해됩니다.
- 비용은 증가하고 자본예산은 감소하고 있습니다.
- 에너지와 인건비 모두 증가하고 있습니다.
- 숙련된 직원의 손실
- 우리 회사의 SG&A 목표는 물론 고객의 목표도 달성해야 합니다. 그리고
- 해외경쟁.
이러한 주제는 특히 가구 제조 및 캐비닛 시장 공간에서 수성 UV 경화성 폴리우레탄 도포기와 반향을 일으키기 시작한 가치 제안 진술로 이어졌습니다. 느린 물 방출 특성을 지닌 코팅으로 인해 재작업 손상을 줄이면서 더 짧은 생산 라인에서 생산을 확장할 수 있는 능력을 원합니다.”
표 1은 코팅 원료 제조업체의 경우 특정 코팅 속성 및 물리적 특성의 개선이 최종 사용자가 실현할 수 있는 효율성으로 어떻게 이어지는지 보여줍니다.
표 1 | 속성 및 이점.
표 1에 나열된 특정 특성을 지닌 UV 경화형 PUD를 설계함으로써 최종 용도 제조업체는 공장 효율성 개선에 대한 요구 사항을 해결할 수 있습니다. 이를 통해 경쟁력을 높이고 잠재적으로 현재 생산을 확대할 수 있습니다.
실험 결과 및 논의
UV 경화성 폴리우레탄 분산액의 역사
1990년대에는 폴리머에 아크릴레이트 그룹이 부착된 음이온성 폴리우레탄 분산액의 상업적 용도가 산업 응용 분야에서 사용되기 시작했습니다.1 이러한 응용 분야 중 다수는 포장, 잉크 및 목재 코팅 분야였습니다. 그림 1은 UV 경화형 PUD의 일반적인 구조를 보여주며 이러한 코팅 원료가 어떻게 설계되는지 보여줍니다.
그림 1 | 일반 아크릴레이트 기능성 폴리우레탄 분산액.3
그림 1에 표시된 것처럼 UV 경화성 폴리우레탄 분산액(UV 경화성 PUD)은 폴리우레탄 분산액을 만드는 데 사용되는 일반적인 구성 요소로 구성됩니다. 지방족 디이소시아네이트는 폴리우레탄 분산액을 만드는 데 사용되는 일반적인 에스테르, 디올, 친수화 그룹 및 사슬 연장제와 반응합니다.2 차이점은 분산액을 만드는 동안 프리폴리머 단계에 아크릴레이트 작용성 에스테르, 에폭시 또는 에테르를 첨가한다는 것입니다. . 빌딩 블록으로 사용되는 재료의 선택은 물론 폴리머 구조 및 가공에 따라 PUD의 성능과 건조 특성이 결정됩니다. 원자재 및 가공에 대한 이러한 선택은 필름 형성이 가능한 것뿐만 아니라 비필름 형성이 가능한 UV 경화성 PUD로 이어질 것입니다.3 필름 형성 또는 건조 유형이 이 기사의 주제입니다.
필름 형성 또는 종종 건조라고 불리는 작업을 수행하면 UV 경화 전에 만졌을 때 건조한 응집된 필름이 생성됩니다. 도포기는 미립자로 인한 코팅의 공기 중 오염을 제한하고 생산 공정의 속도에 대한 필요성을 원하기 때문에 UV 경화 전에 연속 공정의 일부로 오븐에서 건조되는 경우가 많습니다. 그림 2는 UV 경화형 PUD의 일반적인 건조 및 경화 공정을 보여줍니다.
그림 2 | UV 경화성 PUD를 경화시키는 공정.
사용되는 적용 방법은 일반적으로 스프레이입니다. 그러나 나이프 오버 롤과 심지어 플러드 코팅도 사용되었습니다. 일단 도포된 코팅은 일반적으로 다시 처리되기 전에 4단계 과정을 거칩니다.
1.플래시: 실온이나 높은 온도에서 몇 초에서 몇 분 동안 수행할 수 있습니다.
2. 오븐 건조: 물과 공용매가 코팅에서 빠져나가는 곳입니다. 이 단계는 중요하며 일반적으로 프로세스에서 가장 많은 시간을 소비합니다. 이 단계는 일반적으로 140°F 이상에서 진행되며 최대 8분 동안 지속됩니다. 다중 구역 건조 오븐도 활용될 수 있습니다.
- IR 램프 및 공기 이동: IR 램프 및 공기 이동 팬을 설치하면 물 플래시가 더욱 빠르게 가속화됩니다.
3.UV 경화.
4.냉각: 코팅이 경화되면 차단 저항을 달성하기 위해 일정 시간 동안 경화해야 합니다. 이 단계는 차단 저항이 달성되기까지 최대 10분 정도 걸릴 수 있습니다.
실험적
이 연구에서는 현재 캐비닛 및 가구 제조 시장에서 사용되는 두 개의 UV 경화형 PUD(WB UV)를 당사의 새로운 개발 PUD # 65215A와 비교했습니다. 본 연구에서는 표준 #1 및 표준 #2를 건조, 차단 및 내화학성 측면에서 PUD #65215A와 비교합니다. 우리는 또한 오버 스프레이의 재사용과 유통기한을 고려할 때 중요할 수 있는 pH 안정성과 점도 안정성을 평가합니다. 본 연구에 사용된 각 수지의 물성을 아래 표 2에 나타내었다. 세 가지 시스템 모두 유사한 광개시제 수준, VOC 및 고형물 수준으로 구성되었습니다. 세 가지 수지는 모두 3% 공용매로 제제화되었습니다.
표 2 | PUD 수지 특성.
우리는 인터뷰에서 가구 제조 및 캐비닛 시장의 대부분의 WB-UV 코팅이 UV 경화 전 5~8분 정도 소요되는 생산 라인에서 건조된다고 들었습니다. 대조적으로, 용매 기반 UV(SB-UV) 라인은 3~5분 안에 건조됩니다. 또한 이 시장의 경우 코팅은 일반적으로 습식으로 4~5밀 도포됩니다. UV 경화형 용제 기반 코팅과 비교할 때 수성 UV 경화형 코팅의 주요 단점은 생산 라인에서 물을 플래시하는 데 걸리는 시간입니다.4 물이 제대로 플래시되지 않으면 흰색 반점과 같은 필름 결함이 발생합니다. UV 경화 전 코팅. 이는 습윤 필름 두께가 너무 높을 경우에도 발생할 수 있습니다. 이러한 흰색 반점은 UV 경화 중에 물이 필름 내부에 갇힐 때 생성됩니다.5
이 연구를 위해 우리는 UV 경화성 용매 기반 라인에서 활용되는 것과 유사한 경화 일정을 선택했습니다. 그림 3은 연구에 사용된 적용, 건조, 경화 및 포장 일정을 보여줍니다. 이 건조 일정은 가구 제조 및 캐비닛 응용 분야의 현재 시장 표준에 비해 전체 라인 속도가 50% ~ 60% 향상되었음을 나타냅니다.
그림 3 | 적용, 건조, 경화 및 포장 일정.
다음은 연구에 사용한 적용 및 경화 조건입니다.
●검은색 베이스코트로 단풍나무 베니어 위에 스프레이 도포합니다.
●상온에서 30초 동안 깜박입니다.
●140°F 건조 오븐에서 2.5분간 건조합니다(대류 오븐).
●UV 경화 – 강도 약 800mJ/cm2.
- 투명 코팅은 Hg 램프를 사용하여 경화되었습니다.
- 착색된 코팅은 Hg/Ga 조합 램프를 사용하여 경화되었습니다.
●스태킹 전 1분간 식혀줍니다.
우리의 연구를 위해 우리는 또한 더 적은 수의 코팅과 같은 다른 이점도 실현되는지 확인하기 위해 세 가지 다른 습식 필름 두께를 스프레이했습니다. WB UV의 경우 일반적으로 4mils의 습식입니다. 이 연구에는 6밀 및 8밀 습식 코팅 적용도 포함되었습니다.
경화 결과
고광택 투명 코팅인 표준 #1의 결과는 그림 4에 나와 있습니다. WB UV 투명 코팅은 이전에 검정색 베이스코트로 코팅된 중밀도 섬유판(MDF)에 적용되었으며 그림 3에 표시된 일정에 따라 경화되었습니다. 4mils에서 코팅이 통과됩니다. 그러나 6밀과 8밀의 습식 도포에서는 코팅이 깨졌고, UV 경화 전 물 방출 불량으로 인해 8밀은 쉽게 제거되었습니다.
그림 4 | 표준 #1.
그림 5에 표시된 표준 #2에서도 비슷한 결과가 나타납니다.
그림 5 | 표준 #2.
그림 6에 표시된 것처럼 그림 3과 동일한 경화 일정을 사용하여 PUD #65215A는 물 방출/건조에 있어 엄청난 개선을 보여주었습니다. 8mils의 습윤 필름 두께에서 샘플의 하단 가장자리에 약간의 균열이 관찰되었습니다.
그림 6 | PUD #65215A.
저광택 투명 코팅과 검정색 베이스코트가 포함된 동일한 MDF 위의 유색 코팅에서 PUD# 65215A에 대한 추가 테스트를 평가하여 다른 일반적인 코팅 제제의 수분 방출 특성을 평가했습니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 5밀과 7밀의 습식 적용에서 저광택 제제는 물을 방출하고 좋은 필름을 형성했습니다. 그러나 10mil의 젖은 상태에서는 그림 3의 건조 및 경화 일정에 따라 물을 방출하기에는 너무 두꺼웠습니다.
그림 7 | 저광택 PUD #65215A.
흰색 유색 제제에서 PUD #65215A는 8 wet mils로 적용된 경우를 제외하고 그림 3에 설명된 것과 동일한 건조 및 경화 일정에서 우수한 성능을 보였습니다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 필름은 물 방출 불량으로 인해 8mils에서 균열이 발생합니다. 전반적으로 투명하고 저광택이며 착색된 제형에서 PUD# 65215A는 그림 3에 설명된 가속 건조 및 경화 일정에 따라 최대 7mil의 습식 도포 및 경화 시 필름 형성 및 건조 성능이 뛰어났습니다.
그림 8 | 착색된 PUD #65215A.
차단 결과
내블로킹성은 적층 시 다른 코팅된 제품에 달라붙지 않는 코팅의 능력입니다. 제조 과정에서 경화된 코팅이 내블록성을 달성하는 데 시간이 걸리면 병목 현상이 발생하는 경우가 많습니다. 이 연구를 위해 표준 #1 및 PUD #65215A의 착색된 제제를 드로우다운 바를 사용하여 5습밀에서 유리에 적용했습니다. 이는 그림 3의 경화 일정에 따라 각각 경화되었습니다. 두 개의 코팅된 유리 패널이 동시에 경화되었습니다. 그림 9에 표시된 대로 경화 후 4분 후에 패널을 함께 고정했습니다. 실온에서 24시간 동안 함께 고정된 상태를 유지했습니다. . 코팅된 패널에 자국이나 손상 없이 패널이 쉽게 분리되면 테스트는 합격으로 간주됩니다.
그림 10은 PUD# 65215A의 향상된 차단 저항을 보여줍니다. 표준 #1과 PUD #65215A 모두 이전 테스트에서 완전 경화를 달성했지만, PUD #65215A만이 내블로킹성을 달성할 만큼 충분한 수분 방출 및 경화를 보여주었습니다.
그림 9 | 차단 저항 테스트 그림.
그림 10 | 표준 #1과 PUD #65215A의 차단 저항성.
아크릴 혼합 결과
코팅 제조업체는 비용을 낮추기 위해 WB UV 경화 수지를 아크릴과 혼합하는 경우가 많습니다. 연구를 위해 우리는 또한 가구 제조 및 캐비닛 시장에서 UV 경화형 수성 PUD의 혼합 파트너로 자주 사용되는 수성 아크릴인 NeoCryl® XK-12와 PUD#65215A를 혼합하는 방법도 살펴보았습니다. 이 시장에서는 KCMA 얼룩 테스트가 표준으로 간주됩니다. 최종 용도에 따라 일부 화학물질은 코팅 제품 제조업체에게 다른 화학물질보다 더 중요해집니다. 5등급이 가장 좋은 등급이고 1등급이 가장 나쁜 등급입니다.
표 3에서 볼 수 있듯이 PUD #65215A는 KCMA 얼룩 테스트에서 고광택 투명, 저광택 투명 및 착색 코팅으로서 탁월한 성능을 발휘합니다. 아크릴과 1:1로 혼합하더라도 KCMA 얼룩 테스트에는 큰 영향을 미치지 않습니다. 겨자 등으로 염색한 경우에도 24시간 후에 코팅이 허용 가능한 수준으로 회복되었습니다.
표 3 | 내화학성 및 내오염성(등급 5가 가장 좋음).
KCMA 얼룩 테스트 외에도 제조업체는 라인에서 UV 경화 직후 경화 테스트도 수행합니다. 종종 아크릴 혼합의 효과는 이 테스트의 경화 라인에서 즉시 나타납니다. 이소프로필 알코올을 20번 두 번 문지른 후에도(20 IPA dr) 코팅이 새어 나오지 않을 것으로 예상됩니다. UV 경화 후 1분 후에 샘플을 테스트합니다. 테스트에서 PUD# 65215A와 아크릴의 1:1 혼합이 이 테스트를 통과하지 못한 것으로 나타났습니다. 그러나 우리는 PUD #65215A가 25% NeoCryl XK-12 아크릴과 혼합되어도 여전히 20 IPA dr 테스트를 통과할 수 있다는 것을 확인했습니다(NeoCryl은 Covestro 그룹의 등록 상표입니다).
그림 11 | UV 경화 1분 후 IPA 이중 문지름 20회.
수지 안정성
PUD #65215A의 안정성도 테스트되었습니다. 40°C에서 4주 후에도 pH가 7 이하로 떨어지지 않고 점도가 초기와 비교하여 안정적으로 유지되는 경우 제제는 보관 안정성이 있는 것으로 간주됩니다. 테스트를 위해 우리는 샘플을 50°C에서 최대 6주 동안 더 가혹한 조건에 적용하기로 결정했습니다. 이러한 조건에서 표준 #1과 #2는 안정적이지 않았습니다.
테스트를 위해 우리는 고광택 투명, 저광택 투명 및 본 연구에 사용된 저광택 색소 제제를 살펴보았습니다. 도 12에 나타난 바와 같이, 세 가지 제제 모두의 pH 안정성은 안정적으로 유지되었으며 7.0 pH 역치 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 테스트는 50°C에서 6주 동안 숙성된 코팅 제제의 KCMA 얼룩 저항성을 다시 테스트하고 이를 초기 KCMA 얼룩 저항성과 비교하는 것이었습니다. 좋은 안정성을 나타내지 않는 코팅은 염색 성능이 저하됩니다. 그림 14에 표시된 것처럼 PUD# 65215A는 표 3에 표시된 착색 코팅의 초기 내화학성/오염 방지 테스트에서와 동일한 수준의 성능을 유지했습니다.
그림 14 | 착색된 PUD #65215A에 대한 화학 테스트 패널.
결론
UV 경화형 수성 코팅 도포기의 경우 PUD #65215A를 사용하면 가구 제조, 목재 및 캐비닛 시장의 현재 성능 표준을 충족할 수 있을 뿐만 아니라 코팅 공정에서 라인 속도가 50 이상 향상될 수 있습니다. 현재 표준 UV 경화형 수성 코팅보다 -60% 더 높습니다. 어플리케이터의 경우 이는 다음을 의미할 수 있습니다.
●빠른 생산;
●도막 두께가 증가하면 추가 코팅 필요성이 줄어듭니다.
●더 짧은 건조 라인;
●건조 필요성 감소로 인한 에너지 절약;
●빠른 내블로킹성으로 스크랩이 적습니다.
●수지 안정성으로 인해 코팅 낭비가 줄어듭니다.
VOC가 100g/L 미만이면 제조업체는 VOC 목표를 더 잘 충족할 수 있습니다. 허가 문제로 인해 확장에 대한 우려가 있는 제조업체의 경우 빠른 물 방출 PUD #65215A를 사용하면 성능 저하 없이 규제 의무를 보다 쉽게 충족할 수 있습니다.
이 기사의 시작 부분에서 우리는 용매 기반 UV 경화성 재료를 적용한 사용자가 일반적으로 3~5분 정도 소요되는 공정에서 코팅을 건조하고 경화한다는 인터뷰를 인용했습니다. 우리는 이 연구에서 그림 3에 표시된 프로세스에 따라 PUD #65215A가 140°C의 오븐 온도에서 4분 안에 최대 7mils의 습식 필름 두께를 경화할 수 있음을 입증했습니다. 이는 대부분의 용매 기반 UV 경화 코팅의 범위 내에 있습니다. PUD #65215A는 코팅 라인을 거의 변경하지 않고도 용제 기반 UV 경화 재료를 사용하는 현재 어플리케이터를 수성 UV 경화 재료로 전환할 수 있는 가능성이 있습니다.
생산 확장을 고려하는 제조업체의 경우 PUD #65215A 기반 코팅을 통해 다음을 수행할 수 있습니다.
●더 짧은 수성 코팅 라인을 사용하여 비용을 절감합니다.
●시설 내 코팅 라인 면적이 더 작습니다.
●현재 VOC 허가에 미치는 영향이 줄어듭니다.
●건조 필요성 감소로 인한 에너지 절약을 실현합니다.
결론적으로, PUD #65215A는 140°C에서 건조 시 수지의 높은 물리적 특성과 빠른 수분 방출 특성을 통해 UV 경화 코팅 라인의 제조 효율성을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다.
게시 시간: 2024년 8월 14일
