高性能UV硬化型塗料は、床材、家具、キャビネットの製造において長年にわたり使用されてきました。この期間のほとんどにおいて、100%固形分で溶剤ベースのUV硬化型塗料が市場の主流技術でした。近年、水性UV硬化型塗料技術が成長を遂げています。水性UV硬化型樹脂は、KCMAの染色性、耐薬品性試験に合格し、VOC（揮発性有機化合物）を削減するなど、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、いくつかの重要な改善点が特定されています。これらの改善により、水性UV硬化型樹脂は、ほとんどの樹脂が持つ「必須」特性を単に備えているだけでなく、さらに優れた特性を塗料に付加し、塗料配合者から工場施工者、設置業者、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るでしょう。
製造業者、特に今日では、単に仕様を満たすだけでなく、それ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、設置においてメリットをもたらす特性も重要です。望ましい特性の一つは、工場の効率向上です。水性コーティングの場合、これはより速い水放出とより速いブロッキング耐性を意味します。もう一つの望ましい特性は、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望ましい特性は、より優れた耐摩耗性と、設置時の金属痕跡がないことです。
本稿では、透明塗料および顔料入り塗料の両方において、50℃での塗膜安定性を大幅に向上させた水性UV硬化型ポリウレタンの新たな開発について解説します。また、これらの樹脂が、迅速な水放出、ブロッキング耐性の向上、およびライン外での溶剤耐性によって、塗装作業者の求めるライン速度向上という特性にどのように対応しているかについても説明します。これにより、積み重ねや梱包作業の速度が向上し、ライン外で発生する損傷も軽減されます。さらに、施工業者や所有者にとって重要な、汚れや薬品に対する耐性の向上についても解説します。
背景
塗料業界の状況は常に変化しています。単に仕様を満たし、塗布面積あたりの価格が妥当であるという「必須条件」だけではもはや十分ではありません。キャビネット、建具、床材、家具などに工場で塗布される塗料の状況は急速に変化しています。工場に塗料を供給する配合業者は、従業員が安全に塗布できる塗料の開発、高懸念物質の除去、VOC（揮発性有機化合物）を水に置き換えること、さらには化石燃料由来の炭素を減らしバイオ燃料由来の炭素を増やすことなどを求められています。実際、バリューチェーン全体を通して、顧客は塗料に仕様を満たす以上のことを求めているのです。
工場にとってより大きな価値を生み出す機会を見出した私たちのチームは、工場レベルでこれらの塗布作業員が直面している課題の調査を開始しました。多くのインタビューを経て、いくつかの共通するテーマが浮かび上がってきました。
- 許認可上の障害が、私の事業拡大目標の達成を阻んでいます。
- コストは増加している一方で、設備投資予算は減少している。
- エネルギーコストと人件費の両方が増加している。
- 経験豊富な従業員の喪失。
- 当社のSG&A目標、そして私の顧客のSG&A目標の両方を達成しなければなりません。
- 海外競争。
これらのテーマは、水性UV硬化型ポリウレタンの施工業者、特に建具・キャビネット市場において共感を呼ぶ価値提案へとつながりました。例えば、「建具・キャビネットメーカーは工場の効率改善を求めている」や「メーカーは、水放出速度の遅い塗料を使用することで、再加工による損傷を減らし、より短い生産ラインで生産を拡大できる能力を求めている」といったものです。
表1は、塗料原料メーカーにとって、特定の塗料特性や物理的特性の改善が、最終ユーザーが実現できる効率性につながる仕組みを示しています。
表1｜特性と利点
表1に示すような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効率の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、競争力を高め、ひいては現在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硬化型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が結合したアニオン性ポリウレタン分散液の商業利用が産業用途で始まり、1 これらの用途の多くは包装、インク、木材コーティングであった。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る。
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 硬化ポリウレタン分散液 (UV 硬化 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、またはエーテルの添加です。ビルディングブロックとして使用される材料の選択、およびポリマー構造と加工によって、PUD の性能と乾燥特性が決まります。これらの原材料と加工の選択により、フィルム形成しない UV 硬化 PUD とフィルム形成する UV 硬化 PUD ができます。3 フィルム形成、つまり乾燥タイプが、この記事の主題です。
フィルム形成、または乾燥と呼ばれる工程により、UV硬化前に触っても乾いている凝集フィルムが得られます。塗布業者は、微粒子によるコーティングの空気汚染を最小限に抑えたいこと、および製造工程のスピードが求められることから、UV硬化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の典型的な乾燥および硬化プロセスを示しています。
図2｜UV硬化性PUDの硬化プロセス。
一般的にはスプレー塗装が用いられるが、ローラーの上にナイフで塗布する方法や、全面塗布も用いられることがある。塗布後、塗料は通常、次の工程に進む前に4段階の工程を経る。
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：この工程では、コーティングから水分と共溶剤が除去されます。この工程は非常に重要であり、通常、プロセスの中で最も時間がかかります。この工程は通常、140°F（約60℃）以上の温度で行われ、最大8分間続きます。多ゾーン乾燥オーブンを使用することもできます。
- 赤外線ランプと送風：赤外線ランプと送風ファンを設置すると、水の噴射速度がさらに速くなります。
3.紫外線硬化。
4.冷却：硬化後、コーティングはブロッキング耐性を得るために一定時間硬化させる必要があります。この工程はブロッキング耐性が得られるまで最大10分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、当社が新たに開発した 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、耐薬品性に関して、標準 #1 および標準 #2 と PUD #65215A を比較しました。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した。表 2 には、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、および固形分レベルに配合されました。3 つの樹脂はすべて、3% の共溶媒で配合されました。
表2｜PUD樹脂の特性
インタビューで、建具・キャビネット市場で使用される水性UV硬化塗料のほとんどは生産ライン上で乾燥し、UV硬化前に5～8分かかることが分かりました。一方、溶剤系UV（SB-UV）塗料は3～5分で乾燥します。さらに、この市場では、塗料は通常4～5ミル（約10～13mm）の湿潤状態で塗布されます。水性UV硬化塗料の大きな欠点は、UV硬化溶剤系塗料と比較した場合、生産ライン上で水をフラッシュするのに時間がかかることです。4 UV硬化前に塗料から水が適切にフラッシュされないと、白斑などの塗膜欠陥が発生します。これは、湿潤塗膜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硬化中に塗膜内部に水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同様の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製造用途における現在の市場標準と比較して、ライン全体の速度を50%から60%向上させるものです。
図3｜塗布、乾燥、硬化、および包装のスケジュール。
以下は、本研究で使用した塗布条件および硬化条件です。
●メープル材の化粧板に黒色の下地塗料をスプレー塗布する。
●室温で30秒間のフラッシュ照射。
●140°F（約60℃）の乾燥オーブンで2.5分間（対流式オーブン）。
●UV硬化 – 強度約800 mJ/cm2。
- 透明コーティングは水銀ランプを用いて硬化させた。
- 顔料入りコーティングは、水銀/ガリウム複合ランプを用いて硬化させた。
●積み重ねる前に1分間冷ましてください。
今回の研究では、塗膜の厚さを3種類変えてスプレー塗装を行い、塗布回数の削減など、その他の利点も得られるかどうかを確認しました。WB UV塗装の一般的な塗膜厚は4ミルです。今回の研究では、6ミルと8ミルの塗膜厚についても検討しました。
治癒結果
標準品1である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、黒色のベースコートで下塗り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（湿潤）ではコーティングは合格しました。しかし、6ミルおよび8ミル（湿潤）ではコーティングにひび割れが生じ、8ミルではUV硬化前の水分放出不良により容易に除去されました。
図4｜標準規格1。
同様の結果は、図5に示す標準規格2でも見られる。
図5｜標準規格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した場合、PUD #65215Aは、水分放出/乾燥において著しい改善を示しました。湿潤膜厚が8ミルになった時点で、サンプルの下端にわずかなひび割れが見られました。
図6｜PUD #65215A。
PUD# 65215A の低光沢クリアコーティングと顔料入りコーティングを、黒色のベースコートを施した同じ MDF 上に塗布して追加試験を行い、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した。図 7 に示すように、低光沢配合では、湿潤状態で 5 ミルと 7 ミル塗布した場合、水分が放出され、良好な皮膜が形成された。しかし、湿潤状態で 10 ミル塗布した場合、図 3 に示す乾燥および硬化スケジュールでは水分を放出するには厚すぎた。
図7｜低光沢PUD #65215A。
白色顔料配合の場合、PUD #65215A は、図 3 に記載されている乾燥および硬化スケジュールで良好な性能を示しましたが、8 ミル湿潤状態で塗布した場合を除く。図 8 に示すように、8 ミルでは水分放出不良のためフィルムにひび割れが生じます。全体として、透明、低光沢、および顔料配合の場合、PUD# 65215A は、最大 7 ミル湿潤状態で塗布し、図 3 に記載されている加速乾燥および硬化スケジュールで硬化した場合、フィルム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
ブロッキング抵抗とは、重ね合わせたときにコーティングされた別の対象物に付着しないコーティングの能力のことです。製造においては、硬化したコーティングがブロッキング抵抗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、Standard #1 および PUD #65215A の顔料配合物を、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 枚のコーティングされたガラスパネルを同時に硬化し、硬化後 4 分でパネルをクランプで固定しました (図 9 参照)。パネルは室温で 24 時間クランプされたままにされました。パネルが簡単に分離でき、コーティングされたパネルに跡や損傷がない場合は、試験は合格とみなされました。
図10は、PUD#65215Aのブロッキング耐性の向上を示しています。前回の試験では、標準品#1とPUD#65215Aの両方が完全に硬化しましたが、ブロッキング耐性を達成するのに十分な水分放出と硬化を示したのはPUD#65215Aのみでした。
図9｜ブロッキング抵抗試験の図解。
図10｜標準品#1のブロッキング抵抗、続いてPUD #65215Aのブロッキング抵抗。
アクリルブレンドの結果
塗料メーカーは、コスト削減のため、水性UV硬化樹脂とアクリル樹脂を混合することがよくあります。今回の調査では、PUD#65215Aと水性アクリル樹脂であるNeoCryl® XK-12の混合についても検討しました。NeoCryl® XK-12は、建具やキャビネット市場でUV硬化水性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の染み試験が標準とみなされています。最終用途によっては、塗装品の製造業者にとって、ある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、評価は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、および顔料入り塗料のいずれの場合でも、KCMA染み抜き試験において非常に優れた性能を発揮します。アクリルと1：1で混合した場合でも、KCMA染み抜き試験の結果に大きな影響はありません。マスタードなどの染み抜き剤を使用した場合でも、24時間後には塗膜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（5段階評価が最高）。
KCMAの染みテストに加えて、メーカーはUV硬化後すぐに硬化テストも行います。多くの場合、このテストでは硬化ラインから出た直後にアクリルブレンドの影響が確認できます。20回のイソプロピルアルコール二重摩擦（20 IPA dr）後もコーティングの剥離がないことが期待されます。サンプルはUV硬化後1分でテストされます。当社のテストでは、PUD# 65215Aとアクリルの1:1ブレンドはこのテストに合格しませんでした。しかし、PUD #65215Aを25% NeoCryl XK-12アクリルとブレンドしても20 IPA drテストに合格することが確認されました（NeoCrylはCovestroグループの登録商標です）。
図11｜IPAで20回二度擦り、UV硬化1分後。
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週間経過後も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下に置くことにしました。この条件下では、標準品#1と#2は安定していませんでした。
本研究では、高光沢クリア、低光沢クリア、および低光沢顔料入り配合の3種類の配合について試験を行った。図12に示すように、3種類の配合すべてにおいてpH安定性は安定しており、pH7.0の閾値を上回っていた。図13は、50℃で6週間経過後の粘度変化が最小限であったことを示している。
図12｜製剤化されたPUD #65215AのpH安定性。
図13｜配合されたPUD #65215Aの粘度安定性。
PUD #65215Aの安定性性能を示すもう1つの試験は、50℃で6週間熟成させたコーティング組成物のKCMA耐汚染性を再度試験し、それを初期のKCMA耐汚染性と比較することでした。安定性の低いコーティングは、耐汚染性が低下します。図14に示すように、PUD#65215Aは、表3に示す顔料入りコーティングの初期耐薬品性/耐汚染性試験と同じレベル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、現在の標準的なUV硬化型水性塗料と比較して、塗装工程のライン速度を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、これは次のような意味を持ちます。
●生産速度の向上
●塗膜の厚みが増すことで、追加塗布の必要性が軽減されます。
●乾燥ラインを短くする。
●乾燥の必要性が減るため、エネルギーを節約できます。
●ブロッキング抵抗が速いため、不良品が少なくなります。
●樹脂の安定性により、塗料の廃棄物が削減されます。
VOC濃度が100g/L未満であれば、製造業者はVOC規制目標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製造業者にとって、急速放水型PUD #65215Aは、性能を犠牲にすることなく、規制上の義務をより容易に満たすことを可能にします。
本稿の冒頭で、溶剤系UV硬化性材料の塗布業者は、通常3～5分かけてコーティングを乾燥・硬化させていることをインタビューから引用しました。本研究では、図3に示すプロセスに従って、PUD #65215Aはオーブン温度140℃で4分以内に最大7ミル（約18mm）の湿潤膜厚ま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硬化時間範囲内に十分に収まっています。PUD #65215Aは、溶剤系UV硬化性材料の既存の塗布業者が、コーティングラインにほとんど変更を加えることなく、水性UV硬化性材料に切り替えること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、以下のことを可能にします。
●水性塗料の塗布ラインを短縮することでコストを削減できます。
●工場内の塗装ラインの設置面積を小さくする。
●現在のVOC許可への影響を軽減する。
●乾燥の必要性が減ることで、エネルギーの節約を実現します。
結論として、PUD #65215Aは、140℃で乾燥させた際の樹脂の高い物性性能と迅速な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向上に貢献するでしょう。
投稿日時：2024年8月14日
