高性能 UV 硬化型コーティングは、フローリング、家具、キャビネットの製造に長年使用されてきました。これまでのほとんどの期間、100% 固体および溶剤ベースの UV 硬化型コーティングが市場で主流の技術でした。近年、水系UV硬化型コーティング技術が成長しています。水性 UV 硬化性樹脂は、KCMA 染色の合格、耐薬品性テスト、VOC の削減など、さまざまな理由からメーカーにとって有用なツールであることが証明されています。このテクノロジーがこの市場で成長し続けるためには、改善が必要な主要領域としていくつかの要因が特定されています。これらは、水性 UV 硬化性樹脂を、単にほとんどの樹脂が備えている「必須の機能」を備えたものにするだけではありません。彼らはコーティングに貴重な特性を追加し始め、コーティングの配合者から工場の塗布者、施工者、そして最終的には所有者に至るバリューチェーンに沿った各立場に価値をもたらします。
メーカーは、特に今日、仕様に合格するだけではないコーティングを望んでいます。製造、梱包、設置に利点をもたらす他の特性もあります。望ましい特性の 1 つは、プラントの効率の向上です。水性コーティングの場合、これは水の放出が速くなり、耐ブロッキング性が速くなるということを意味します。もう 1 つの望ましい特性は、コーティングの捕捉/再利用とその在庫の管理のための樹脂の安定性を向上させることです。エンドユーザーと設置者にとって望ましい特性は、より優れた耐磨耗性と、設置中に金属跡が残らないことです。
この記事では、クリアおよび着色コーティングにおける 50 °C での塗料の安定性が大幅に向上した、水性 UV 硬化型ポリウレタンの新開発について説明します。また、これらの樹脂が、迅速な水放出、耐ブロック性の向上、ライン外での耐溶剤性の向上によるライン速度の向上というコーティング アプリケーターの望ましい特性にどのように対応し、積み重ねや梱包作業の速度を向上させるかについても説明します。これにより、時々発生するオフラインの損傷も改善されます。この記事では、設置者と所有者にとって重要な耐汚染性と耐薬品性で実証された改善についても説明します。
背景
コーティング業界の状況は常に進化しています。適用されるミルごとに手頃な価格で仕様に合格するだけの「必須」では、まったく十分ではありません。キャビネット、建具、床材、家具に工場で塗布されるコーティングの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には、従業員がコーティングをより安全に施工できるようにすること、高懸念物質を除去すること、VOCを水に置き換えること、さらには化石炭素を減らしてバイオカーボンの使用を増やすことが求められています。現実には、バリューチェーン全体を通じて、各顧客はコーティングに対して単に仕様を満たす以上のことを求めています。
工場にさらなる価値を生み出す機会と見て、私たちのチームは、これらのアプリケーターが直面している課題を工場レベルで調査し始めました。多くのインタビューの後、私たちはいくつかの共通のテーマを聞き始めました。
- 障害を許容すると、拡張目標が妨げられます。
- コストは増加しており、資本予算は減少しています。
- エネルギーコスト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。
- 私たちの企業の販管費目標と私の顧客の目標は達成されなければなりません。そして
- 海外大会。
これらのテーマは、特に建具や家具の市場分野で、水性 UV 硬化型ポリウレタンの塗布者に共鳴し始めた価値提案ステートメントにつながりました。次のようなものです。「建具や家具のメーカーは工場効率の改善を求めている」、「製造業者は工場効率の改善を求めている」遅い水放出特性を持つコーティングにより、手戻りによる損傷を少なくし、より短い生産ラインで生産を拡大できることを望んでいます。」
表 1 は、コーティング原料のメーカーにとって、特定のコーティング特性と物理的特性の改善がどのようにエンドユーザーが実現できる効率につながるかを示しています。
表 1 |属性と利点。
表 1 に示す特定の特性を備えた UV 硬化型 PUD を設計することで、最終用途メーカーはプラントの効率を向上させる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、現在の生産量を拡大できる可能性があります。
実験結果と考察
UV硬化型ポリウレタンディスパージョンの歴史
1990 年代に、ポリマーにアクリレート基が結合し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使用され始めました 1。これらの用途の多くは、包装、インク、木材塗料でした。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 硬化型ポリウレタン ディスパージョン (UV 硬化型 PUD) は、ポリウレタン ディスパージョン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、鎖延長剤と反応します2。違いは、分散液の製造中にプレポリマー工程に組み込まれるアクリレート官能性エステル、エポキシ、またはエーテルの追加です。 。構成要素として使用される材料の選択、ポリマーの構造および加工によって、PUD の性能と乾燥特性が決まります。原材料と加工におけるこれらの選択により、膜形成可能なものだけでなく、非膜形成可能な UV 硬化型 PUD も生まれます。3 膜形成または乾燥タイプがこの記事の主題です。
フィルム形成、または乾燥とよく呼ばれる作業では、UV 硬化前に触ると乾燥している合体フィルムが得られます。アプリケーターは、製造プロセスのスピードの必要性と同様に、微粒子によるコーティングの空中汚染を制限したいと考えているため、UV 硬化の前に連続プロセスの一部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 の一般的な乾燥および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。
使用される塗布方法は通常スプレーです。ただし、ナイフオーバーロールやフラッドコートも使用されています。コーティングは一度塗布されると、通常、再び扱われる前に 4 段階のプロセスを経ます。
1.フラッシュ: これは室温または高温で数秒から数分間行うことができます。
2.オーブン乾燥: ここで水と共溶媒がコーティングから追い出されます。このステップは重要であり、通常、プロセス内で最も時間がかかります。通常、このステップは 140 °F 以上で行われ、最大 8 分間続きます。マルチゾーン乾燥オーブンも利用できます。
- IRランプと空気の動き：IRランプと空気の動き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、耐ブロッキング性を実現するには、コーティングを一定時間硬化する必要があります。このステップは、耐ブロッキング性が達成されるまでに 10 分ほどかかる場合があります
実験的
この研究では、キャビネットおよび建具市場で現在使用されている 2 つの UV 硬化型 PUD (WB UV) と、当社の新開発 PUD # 65215A を比較しました。この研究では、乾燥性、ブロッキング性、耐薬品性において、スタンダード #1 およびスタンダード #2 を PUD #65215A と比較します。また、オーバースプレー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す。以下の表 2 に、この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、同様の光開始剤レベル、VOC、および固体レベルで配合されました。 3 つの樹脂はすべて 3% の共溶媒を使用して配合されました。
表 2 | PUD樹脂の特性。
インタビューでは、建具やキャビネット市場のほとんどの WB-UV コーティング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。対照的に、溶剤ベースの 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 硬化可能な溶剤ベースの代替コーティングと比較したとき、水性 UV 硬化可能なコーティングの主な欠点は、生産ラインで水をフラッシュするのに時間がかかることです4。水が適切にフラッシュされなかった場合、白い斑点などの膜欠陥が発生します。 UV硬化前のコーティングです。これは、湿潤膜厚が厚すぎる場合にも発生する可能性があります。これらの白い斑点は、UV 硬化中に水分がフィルム内に閉じ込められることによって発生します。5
この研究では、UV 硬化可能な溶剤ベースのラインで使用されるものと同様の硬化スケジュールを選択しました。図 3 は、研究に使用した塗布、乾燥、硬化、およびパッケージング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、建具やキャビネットの用途における現在の市場標準と比較して、全体のライン速度が 50% ～ 60% 向上することを示しています。
図 3 |塗布、乾燥、硬化、梱包のスケジュール。
研究に使用した塗布条件と硬化条件は次のとおりです。
●黒色のベースコートを施したメープル単板の上にスプレー塗装。
●30秒室温フラッシュ。
●乾燥オーブン140°Fで2.5分(対流式オーブン)。
●UV硬化?強度約800mJ/cm2。
- クリアコーティングは水銀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。
●スタッキング前に1分間のクールダウン。
私たちの研究では、塗布回数の削減などの他の利点も実現されるかどうかを確認するために、3 つの異なる湿潤膜厚をスプレーしました。 WB UV では 4 ミルのウェットが標準的です。この研究では、6 ミルと 8 ミルのウェット コーティングの塗布も含めました。
硬化結果
標準 #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、あらかじめ黒色のベースコートでコーティングされた中密度繊維板 (MDF) に塗布され、図 3 に示すスケジュールに従って硬化されました。 ４ミルの湿潤状態でコーティングは通過する。しかし、6 ミルと 8 ミルの湿式塗布ではコーティングに亀裂が入り、8 ミルは UV 硬化前に水の放出が不十分なため簡単に除去されてしまいました。
図 4 |スタンダード #1。
図 5 に示すように、同様の結果が標準 #2 でも見られます。
図 5 |スタンダード #2。
図 6 に示すように、図 3 と同じ硬化スケジュールを使用すると、PUD #65215A は水分放出/乾燥において大幅な改善を示しました。 ８ミルの湿潤膜厚では、サンプルの下端にわずかな亀裂が観察された。
図 6 | PUD #65215A。
他の典型的なコーティング配合物における水放出特性を評価するために、黒色のベースコートを備えた同じ MDF 上の低光沢クリア コーティングおよび着色コーティングにおける PUD# 65215A の追加テストを評価しました。図 7 に示すように、5 ミルおよび 7 ミルの湿潤塗布で低光沢配合物は水を放出し、良好なフィルムを形成しました。ただし、10 ミルの湿潤状態では厚すぎて、図 3 の乾燥および硬化スケジュールで水を放出できませんでした。
図 7 |低光沢PUD #65215A。
白色顔料配合では、PUD #65215A は、8 ウェットミルで塗布した場合を除き、図 3 に記載した同じ乾燥および硬化スケジュールで良好に機能しました。図 8 に示すように、水の放出が不十分なため、フィルムは 8 ミルで亀裂が入ります。全体的に透明、低光沢、着色配合の PUD# 65215A は、湿った状態で最大 7 ミル塗布し、図 3 に示す加速乾燥および硬化スケジュールで硬化させた場合、フィルム形成と乾燥において良好な性能を発揮しました。
図 8 |ピグメント加工されたPUD #65215A。
ブロック結果
耐ブロッキング性は、重ねたときに他のコーティングされた物品に付着しないコーティングの能力です。製造において、硬化したコーティングが耐ブロック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になることがよくあります。この研究では、スタンダード #1 および PUD #65215A の着色配合物を、ドローダウン バーを使用して 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 つのコーティングされたガラス パネルが同時に硬化されました。図 9 に示すように、硬化の 4 分後にパネルが一緒にクランプされました。それらは室温で 24 時間一緒にクランプされたままでした。 。パネルがコーティングされたパネルに痕跡や損傷を与えることなく簡単に分離できた場合、テストは合格とみなされます。
図 10 は、PUD# 65215A の改良された耐ブロッキング性を示しています。標準 #1 と PUD #65215A の両方が前のテストで完全な硬化を達成しましたが、耐ブロッキング性を達成するのに十分な水の放出と硬化を実証したのは PUD #65215A だけでした。
図 9 |耐ブロッキング性試験の図。
図 10 |標準 #1 の耐ブロッキング性、次に PUD #65215A の耐ブロッキング性。
アクリルのブレンド結果
塗料メーカーはコストを下げるために、WB UV 硬化樹脂とアクリルをブレンドすることがよくあります。私たちの研究では、建具や家具の市場で UV 硬化型水性 PUD のブレンドパートナーとしてよく使用される水性アクリルである NeoCryl® XK-12 と PUD#65215A のブレンドも検討しました。この市場では、KCMA 染色試験が標準と考えられています。最終用途の用途に応じて、コーティングされた製品のメーカーにとって、一部の化学物質が他の化学物質よりも重要になります。評価 5 が最高、評価 1 が最低です。
表 3 に示すように、PUD #65215A は、KCMA 汚れ試験において、高光沢クリア、低光沢クリア、および着色コーティングとして非常に優れた性能を発揮します。アクリルと 1:1 でブレンドした場合でも、KCMA 汚れテストには大きな影響はありません。マスタードなどの薬剤で汚れた場合でも、コーティングは 24 時間後に許容レベルまで回復しました。
表 3 |耐薬品性と耐汚染性 (5 の評価が最適)。
KCMA 汚れ試験に加えて、メーカーはオフラインでの UV 硬化直後の硬化試験も行います。多くの場合、アクリルブレンドの効果は、このテストの硬化ラインからすぐにわかります。イソプロピルアルコールで 20 回（IPA dr 20 回）擦った後は、コーティングのブレークスルーが起こらないと予想されます。サンプルは UV 硬化の 1 分後にテストされます。私たちのテストでは、PUD# 65215A とアクリルの 1:1 ブレンドがこのテストに合格しないことがわかりました。ただし、PUD #65215A を 25% NeoCryl XK-12 アクリルとブレンドしても、20 IPA dr テストに合格できることがわかりました (NeoCryl は Covestro グループの登録商標です)。
図 11 | 20 IPA ダブルラビング、UV 硬化後 1 分。
樹脂の安定性
PUD #65215A の安定性もテストされました。配合物は、40 °C で 4 週間後でも pH が 7 未満に下がらず、初期と比較して粘度が安定している場合、保存安定性があるとみなされます。テストでは、サンプルを 50 °C で最大 6 週間という過酷な条件にさらすことにしました。これらの条件では、標準 #1 と #2 は安定していませんでした。
テストでは、この研究で使用した高光沢クリア、低光沢クリア、および低光沢着色配合物を調べました。図 12 に示すように、3 つの配合物すべての pH 安定性は安定しており、pH 閾値 7.0 を超えていました。図 13 は、50 °C で 6 週間後の最小粘度変化を示しています。
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 の安定性性能を実証する別のテストは、50 °C で 6 週間エージングしたコーティング配合物の KCMA 耐汚染性を再度テストし、それを初期の 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では、染色性能が低下します。図 14 に示すように、PUD# 65215A は、表 3 に示す着色コーティングの初期の耐薬品性/耐汚染性テストと同じレベルの性能を維持しました。
図 14 |着色 PUD #65215A 用の化学試験パネル。
結論
UV 硬化型水性塗料のアプリケーターの場合、PUD #65215A により、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ができるほか、コーティング プロセスのライン速度が 50 を超える向上が見られるようになります。現在の標準的な UV 硬化型水性コーティングより 60% 上回る。アプリケーターの場合、これは次のことを意味します。
●生産の迅速化。
●膜厚が厚くなったので追加塗装の必要性が減りました。
●乾燥ラインの短縮。
●乾燥の必要性が減少するため、エネルギーが節約されます。
●耐ブロッキング性が速いため、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軽減します。
VOC が 100 g/L 未満であれば、メーカーは VOC 目標をさらに達成できるようになります。許可の問題により拡張に関する懸念を抱えているメーカーにとって、水放出の速い PUD #65215A を使用すると、性能を犠牲にすることなく規制上の義務をより簡単に満たすことができます。
この記事の冒頭で、溶媒ベースの UV 硬化性材料のアプリケーターは、通常 3 ～ 5 分かかるプロセスでコーティングを乾燥および硬化させるとのインタビューから引用しました。この研究では、図 3 に示すプロセスに従って、PUD #65215A が 140 °C のオーブン温度で 4 分間で最大 7 ミルの湿潤膜厚を硬化することを実証しました。これは、ほとんどの溶剤ベースの UV 硬化性コーティングの範囲内に十分収まります。 PUD #65215A は、コーティング ラインをほとんど変更することなく、溶剤ベースの UV 硬化性材料を使用している現在のアプリケーターを水性 UV 硬化性材料に切り替えることができる可能性があります。
生産拡大を検討しているメーカーは、PUD #65215A に基づくコーティングにより次のことが可能になります。
●水性塗料ラインの短縮によりコストを節約します。
●施設内の塗装ラインの設置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。
●乾燥の必要性が減り省エネを実現します。
結論として、PUD #65215A は、140 °C で乾燥したときの樹脂の高い物性性能と速い水分放出特性により、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
