高性能UV硬化型コーティングは、長年にわたり、床材、家具、キャビネットの製造に使用されてきました。この間、市場では100%固形および溶剤型のUV硬化型コーティングが主流でした。近年、水性UV硬化型コーティング技術が成長しています。水性UV硬化型樹脂は、KCMAの耐汚染性、耐薬品性試験への合格、VOCの削減など、さまざまな理由から、製造業者にとって有用なツールであることが証明されています。この技術が市場で成長を続けるためには、改善が必要な重要な領域として、いくつかの推進要因が特定されています。これらの推進要因により、水性UV硬化型樹脂は、ほとんどの樹脂が備えている単なる「必須機能」の域を超え、コーティングに貴重な特性を付加し、コーティング配合者から工場塗布者、施工者、そして最終的には所有者に至るまで、バリューチェーンの各段階に価値をもたらすようになります。
特に今日の製造業者は、仕様を満たす以上の性能を持つコーティングを求めています。製造、梱包、施工においてメリットをもたらす特性も求められています。求められる特性の一つは、工場の効率向上です。水性コーティングの場合、これは水離れとブロッキング耐性の向上を意味します。もう一つの求められる特性は、コーティングの回収・再利用と在庫管理のために樹脂の安定性を向上させることです。エンドユーザーと施工業者にとって求められる特性は、耐摩耗性の向上と施工時の金属痕の付着防止です。
本稿では、水性UV硬化型ポリウレタンの新開発について解説します。この樹脂は、クリア塗料および着色塗料において、50℃における塗料安定性を大幅に向上させます。また、これらの樹脂が、速やかな水離れ、優れた耐ブロッキング性、そしてライン外における耐溶剤性によってライン速度を向上させ、積み重ねや梱包作業のスピードを向上させるという、塗装業者が求める特性をどのように満たしているかについても解説します。さらに、ライン外で発生する可能性のある損傷も改善します。さらに、施工業者やオーナーにとって重要な、耐汚染性と耐薬品性の向上についても解説します。
背景
コーティング業界の状況は絶えず変化しています。仕様を満たし、塗布量1ミルあたりの価格が適正というだけの「必須条件」では、到底不十分です。キャビネット、建具、床材、家具などに工場で塗布されるコーティングを取り巻く状況は急速に変化しています。工場にコーティングを供給する配合業者は、従業員にとってより安全なコーティングの開発、懸念物質の除去、VOC（揮発性有機化合物）の水への代替、さらには化石燃料由来の炭素の使用量削減とバイオカーボンの使用量増加を求められています。現実には、バリューチェーン全体を通して、各顧客はコーティングに仕様を満たす以上のものを求めています。
工場の価値をさらに高める機会を見出し、私たちのチームは工場レベルで、これらの塗布業者が直面している課題の調査を始めました。多くのインタビューを重ねるうちに、いくつかの共通のテーマが浮かび上がってきました。
- 許可の障害が私の拡大目標の達成を妨げています。
- コストは増加し、資本予算は減少しています。
- エネルギーと人件費の両方が増加しています。
- 経験豊富な従業員の喪失;
- 弊社のSG&A目標と顧客のSG&A目標の両方を達成する必要がある。
- 海外大会。
これらのテーマは、特に建具およびキャビネット市場において、水性 UV 硬化型ポリウレタンの塗布業者の共感を呼び始めた価値提案ステートメントにつながりました。たとえば、「建具およびキャビネットの製造業者は、工場の効率性の向上を求めています」や「製造業者は、ゆっくりと水を放出するコーティングにより、手直しによる損傷が少なく、より短い生産ラインで生産を拡大する能力を求めています」などです。
表 1 は、コーティング原料の製造業者にとって、特定のコーティング属性と物理的特性の改善が、エンドユーザーが実現できる効率にどのようにつながるかを示しています。
表 1 | 特性と利点。
表1に示す特定の特性を持つUV硬化型PUDを設計することで、最終製品メーカーは工場の効率向上というニーズに対応できるようになります。これにより、競争力が高まり、既存の生産量を拡大できる可能性が高まります。
実験結果と考察
UV硬化性ポリウレタン分散液の歴史
1990年代には、ポリマーにアクリレート基を結合させたアニオン性ポリウレタン分散液が工業用途で商業的に利用され始めました。1 これらの用途の多くは、包装材、インク、木材コーティングでした。図1は、UV硬化型PUDの一般的な構造を示しており、これらのコーティング原料がどのように設計されているかを示しています。
図1 | 一般的なアクリレート官能性ポリウレタン分散液3
図1に示すように、UV硬化性ポリウレタン分散液（UV硬化性PUD）は、ポリウレタン分散液の製造に使用される一般的な成分で構成されています。脂肪族ジイソシアネートは、ポリウレタン分散液の製造に使用される一般的なエステル、ジオール、親水化基、および鎖延長剤と反応します。2 違いは、分散液の製造時にプレポリマー段階に組み込まれるアクリレート官能性エステル、エポキシ、またはエーテルの添加です。PUDの性能と乾燥特性は、構成要素として使用される材料の選択、ポリマー構造、および処理によって決まります。これらの原材料と処理の選択によって、UV硬化性PUDは、フィルム形成性のものだけでなく、非フィルム形成性のものにもなります。3 この記事の主題は、フィルム形成性、つまり乾燥性です。
フィルム形成、あるいは一般的に乾燥と呼ばれる工程では、UV硬化前に触ると乾燥した合体したフィルムが形成されます。塗布業者は、粒子によるコーティングの空気汚染を抑えたいと考えていること、そして製造工程のスピードを重視するため、UV硬化前の連続工程の一環として、オーブンで乾燥させることがよくあります。図2は、UV硬化型PUDの典型的な乾燥・硬化プロセスを示しています。
図 2 | UV 硬化型 PUD を硬化するプロセス。
塗布方法は主にスプレーですが、ナイフオーバーロールやフラッドコートも使用されることがあります。塗布後、コーティングは通常、4段階の工程を経てから再び処理されます。
1.フラッシュ: 室温または高温で数秒から数分間実行できます。
2. オーブン乾燥：水分と共溶媒をコーティングから除去する工程です。この工程は非常に重要で、通常、プロセスの中で最も多くの時間を要します。この工程は通常70℃以上で、最大8分間続きます。マルチゾーン乾燥オーブンも使用される場合があります。
- IR ランプと空気移動: IR ランプと空気移動ファンを設置すると、水のフラッシュがさらに速くなります。
3.UV硬化。
4. 冷却：硬化後、コーティングは耐ブロッキング性を得るために、ある程度の時間をかけて硬化させる必要があります。この工程は、耐ブロッキング性が得られるまで10分ほどかかる場合があります。
実験的
本研究では、現在キャビネットおよび建具市場で使用されている2種類のUV硬化型PUD（WB UV）と、当社の新開発PUD # 65215Aを比較しました。本研究では、乾燥性、ブロッキング性、耐薬品性について、標準品#1および標準品#2をPUD #65215Aと比較しました。また、スプレー塗料の再利用や保存期間を考慮する際に重要となるpH安定性と粘度安定性も評価しました。表2に、本研究で使用した各樹脂の物理的特性を示します。3つのシステムはすべて、光開始剤濃度、VOC濃度、固形分濃度が同程度になるように配合しました。また、3つの樹脂はすべて3%の共溶媒を用いて配合しました。
表2 | PUD樹脂の特性
インタビューでは、建具・キャビネット市場におけるWB-UVコーティングのほとんどは生産ラインで乾燥し、UV硬化までに5～8分かかると聞きました。一方、溶剤系UV（SB-UV）ラインは3～5分で乾燥します。さらに、この市場では、コーティングは通常4～5ミルのウェット状態で塗布されます。UV硬化型溶剤系コーティングと比較した場合、水性UV硬化型コーティングの大きな欠点は、生産ラインで水をフラッシュするのにかかる時間です。4 UV硬化前にコーティングから水分が適切にフラッシュされていない場合、白斑などの塗膜欠陥が発生します。これは、ウェットフィルムの厚さが厚すぎる場合にも発生する可能性があります。これらの白斑は、UV硬化中に塗膜内に水分が閉じ込められることで発生します。5
本研究では、UV硬化型溶剤系ラインで使用されるものと類似した硬化スケジュールを選択しました。図3は、本研究で使用した塗布、乾燥、硬化、および包装のスケジュールを示しています。この乾燥スケジュールは、建具およびキャビネット用途における現在の市場標準と比較して、全体的なライン速度を50%～60%向上させます。
図 3 | 塗布、乾燥、硬化、および梱包のスケジュール。
以下は、私たちの研究に使用したアプリケーションと硬化条件です。
●メープル材の上に黒のベースコートをスプレー塗装します。
●30秒間常温フラッシュ。
●140°Fの乾燥オーブンで2.5分間（コンベクションオーブン）。
●UV硬化 - 強度約800mJ/cm2。
- クリアコーティングはHgランプを使用して硬化されました。
- 着色コーティングは、Hg/Ga ランプの組み合わせを使用して硬化されました。
●積み重ねる前に1分間クールダウンしてください。
本研究では、3種類の異なるウェット膜厚でスプレー塗装を行い、塗装回数の削減など、他の利点も得られるかどうかを確認しました。WB UVでは4ミル（約100mm）のウェット膜厚が一般的です。本研究では、6ミル（約150mm）と8ミル（約200mm）のウェット膜厚での塗布も行いました。
硬化結果
標準規格1（高光沢クリアコーティング）の結果を図4に示します。WB UVクリアコーティングは、黒色ベースコートを塗布した中密度ファイバーボード（MDF）に塗布し、図3に示すスケジュールに従って硬化させました。ウェットコートの塗布厚が4ミル（約10mm）の時点では、コーティングは合格しました。しかし、ウェットコートの塗布厚が6ミル（約15mm）および8ミル（約18mm）の時点では、コーティングにひび割れが発生し、8ミル（約18mm）はUV硬化前の水分放出が不良であったため、容易に剥がれ落ちました。
図 4 | 標準 #1。
図 5 に示す標準 #2 でも同様の結果が見られます。
図 5 | 標準 #2。
図6に示すように、図3と同じ硬化スケジュールを用いた場合、PUD #65215Aは水分放出性／乾燥性において大幅な改善を示しました。ウェットフィルム厚が8ミルの時点で、サンプルの下端にわずかなひび割れが観察されました。
図 6 | PUD #65215A。
PUD# 65215Aを、黒色ベースコートを塗布した同じMDF上に低光沢クリアコートおよび着色コートで塗布し、他の一般的なコーティング配合における水分放出特性を評価するための追加試験を実施しました。図7に示すように、低光沢配合は、5ミルおよび7ミルのウェット塗布で水分を放出し、良好な塗膜を形成しました。しかし、10ミルのウェット塗布では、図3の乾燥・硬化スケジュールでは水分を放出するには厚すぎました。
図 7 | 低光沢 PUD #65215A。
白色顔料配合の配合において、PUD #65215Aは、図3に示した乾燥・硬化スケジュールで良好な性能を示しました。ただし、ウェット膜厚8ミルで塗布した場合は例外です。図8に示すように、8ミルで塗膜にひび割れが生じ、これは水分の放出が不十分なためです。透明で低光沢の顔料配合の配合において、PUD # 65215Aは、ウェット膜厚7ミルまで塗布し、図3に示した加速乾燥・硬化スケジュールで硬化させた場合、塗膜形成と乾燥において良好な性能を示しました。
図 8 | 着色 PUD #65215A。
ブロック結果
耐ブロッキング性とは、コーティングが重ね塗りされた際に他のコーティングされた物品に付着しない能力のことです。製造工程において、硬化したコーティングが耐ブロッキング性を達成するまでに時間がかかる場合、これがボトルネックとなることがよくあります。この研究では、標準#1およびPUD #65215Aの着色配合物を、ドローダウンバーを用いて5ウェットミルでガラスに塗布しました。これらはそれぞれ、図3の硬化スケジュールに従って硬化されました。2枚のコーティングされたガラスパネルは同時に硬化されました。硬化4分後、図9に示すようにパネルをクランプで固定しました。そして、室温で24時間固定したままにしました。コーティングされたパネルに跡や損傷が残らずに簡単にパネルを分離できた場合、試験は合格とみなされました。
図10は、PUD# 65215Aの耐ブロッキング性の向上を示しています。標準#1とPUD #65215Aはどちらも前回の試験で完全硬化を達成しましたが、PUD #65215Aのみが耐ブロッキング性を達成するのに十分な水分放出と硬化を示しました。
図9 | ブロッキング耐性試験の図
図 10 | 標準 #1 のブロッキング抵抗、続いて PUD #65215A。
アクリルブレンド結果
コーティングメーカーは、コスト削減のため、水性UV硬化樹脂をアクリル樹脂と混合することがよくあります。本研究では、PUD#65215Aと水性アクリル樹脂NeoCryl® XK-12の混合についても調査しました。NeoCryl® XK-12は、建具・キャビネット市場において、UV硬化型水性PUDの混合パートナーとしてよく使用されています。この市場では、KCMAの汚染試験が標準とされています。最終用途によっては、コーティング製品メーカーにとって、特定の化学物質が他の化学物質よりも重要になる場合があります。評価は5が最高で、1が最低です。
表3に示すように、PUD #65215Aは、高光沢クリア、低光沢クリア、そして着色塗料として、KCMA汚染試験において非常に優れた性能を示しました。アクリルと1:1で混合した場合でも、KCMA汚染試験に大きな影響はありません。マスタードなどの薬剤で汚染された場合でも、塗膜は24時間後には許容レベルまで回復しました。
表 3 | 耐薬品性および耐汚染性 (評価 5 が最高)。
KCMAの着色試験に加え、メーカーはUV硬化直後の硬化試験もラインオフで行います。多くの場合、アクリル系塗料の配合効果は、この試験で硬化ラインオフ直後に確認できます。イソプロピルアルコールによる20回のダブルラビング（20 IPA dr）後でもコーティングのブレイクスルーが発生しないことが期待されます。サンプルはUV硬化後1分後に試験されます。当社の試験では、PUD# 65215Aとアクリル系塗料を1:1で混合したものは、この試験に合格しませんでした。ただし、PUD # 65215AをNeoCryl XK-12アクリル系塗料25%と混合することで、20 IPA dr試験に合格することを確認しました（NeoCrylはCovestroグループの登録商標です）。
図 11 | IPA ダブル ラブ 20 回、UV 硬化後 1 分。
樹脂の安定性
PUD #65215Aの安定性も試験しました。製剤は、40℃で4週間保存後もpHが7を下回らず、粘度が初期値と比較して安定している場合、保存安定性があるとみなされます。今回の試験では、サンプルを50℃で最大6週間というより厳しい条件にさらすことにしました。この条件では、標準品#1と#2は安定しませんでした。
試験では、高光沢クリア、低光沢クリア、そして本研究で使用した低光沢着色配合の配合を検討しました。図12に示すように、3つの配合すべてにおいてpH安定性は安定しており、pH閾値7.0を上回っていました。図13は、50℃で6週間放置した後の粘度変化が最小限であったことを示しています。
図12 | 配合されたPUD #65215AのpH安定性。
図13 | 配合されたPUD #65215Aの粘度安定性。
PUD #65215Aの安定性を示すもう一つの試験は、50℃で6週間熟成させたコーティング配合物のKCMA耐汚染性を再度試験し、初期のKCMA耐汚染性と比較することでした。良好な安定性を示さないコーティングは、耐汚染性が低下します。図14に示すように、PUD# 65215Aは、表3に示した着色コーティングの初期耐薬品性／耐汚染性試験と同等の性能を維持しました。
図 14 | 着色 PUD #65215A の化学試験パネル。
結論
UV硬化型水性塗料の塗布業者にとって、PUD #65215Aは、建具、木材、キャビネット市場における現在の性能基準を満たすことを可能にするだけでなく、塗布工程のライン速度を、現在の標準的なUV硬化型水性塗料と比較して50～60%以上向上させることを可能にします。塗布業者にとって、これは次のようなメリットをもたらします。
●生産の高速化
●フィルムの厚さが増すため、追加塗装の必要性が減ります。
●乾燥ラインが短くなります。
●乾燥の必要性が減るのでエネルギーを節約できます。
●耐ブロッキング性が優れているため、スクラップが少なくなります。
●樹脂の安定性により塗料の無駄を削減します。
VOC濃度が100g/L未満であれば、メーカーはVOC規制をより容易に達成できます。許可取得の問題で事業拡大に不安を抱えているメーカーにとって、速放性PUD #65215Aは、性能を犠牲にすることなく、規制義務をより容易に満たすことを可能にします。
この記事の冒頭で、溶剤系UV硬化性材料の塗布者は通常、コーティングの乾燥・硬化に3～5分かかるとインタビューで述べました。本研究では、図3に示すプロセスに従うと、PUD #65215Aはオーブン温度140℃で最大7ミルのウェットフィルム厚を4分で硬化できることを実証しました。これは、ほとんどの溶剤系UV硬化性コーティングの許容範囲内です。PUD #65215Aは、現在溶剤系UV硬化性材料を使用している塗布者にとって、コーティングラインをほとんど変更することなく、水性UV硬化性材料への切り替えを可能にする可能性があります。
生産拡大を検討しているメーカーにとって、PUD #65215A をベースとしたコーティングは次のようなメリットをもたらします。
●水性コーティングラインを短縮することでコストを削減します。
●施設内のコーティングラインの占有面積が小さくなります。
●現在のVOC許可への影響が軽減されます。
●乾燥時間の短縮により省エネを実現。
結論として、PUD #65215A は、140 °C で乾燥した場合の樹脂の高い物理的特性と速放水性により、UV 硬化型コーティング ラインの製造効率の向上に役立ちます。
投稿日時: 2024年8月14日
