Новые энергоотверждаемые полиуретановые дисперсии на водной основе

Мишель Тилеманс, Гвидо Ванмайлдер,, Микела Фуско
24.08.2020 235

Внедрение энергоотверждаемых полиуретановых дисперсий (УФ ПУД) в дополнение к традиционной технологии радиационного отверждения кардинально изменило ситуацию на рынке, подняв на новый уровень кроющие характеристики и экологичность покрытий. Это позволило объединить в одном продукте функциональные преимущества полиуретанов, водорастворимых дисперсий и энергетического отверждения.

Рисунок 1. Простая модель экологических характеристик УФ ПУД в форме анализа жизненного цикла.

Чтобы подчеркнуть экологические характеристики этого быстрорастущего сегмента продукции, мы создали простую модель по примеру анализа жизненного цикла, включающую три основных измерения: состав, эксплуатационные характеристики и срок службы и утилизация (рисунок 1).

СОСТАВ

Водные коллоидные дисперсии акрилатных полиуретановых олигомеров (УФ-отверждаемые полиуретановые дисперсии) в значительной степени отвечают экологическим требованиям, будучи водорастворимым и содержащими низкое количество летучих органических веществ (ЛОВ). В наших продуктах ограничено использование проблемного сырья; большинство из них не содержит оловянные катализаторы и алкилфенолэтоксилатные эмульгаторы. Можно также использовать возобновляемые материалы, получаемые из растительного сырья, и сертифицировать продукцию с содержанием углерода, полученного из биологических источников, согласно стандарту, ASTM D6866 как основу для подтверждения снижения углеродного следа данного материала.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

УФ ПУД обладают хорошей коллоидной устойчивостью, а низкая вязкость (иногда связанная с высоким содержанием твердых веществ) позволяет наносить их распылением, наливом или валиком на такие подложки, как древесина. Их уникальная особенность заключается в том, что образование пленки (сушка) и отверждение (фотоотверждение) происходят в процессе двух отдельных стадий. Минимальная температура пленкообразования (MFFT) обычно очень низкая (ниже 10 °C) и не требует применения дополнительных коалесцирующих агентов, которые могли бы повысить содержание ЛОВ. С физической точки зрения сушка многих продуктов (без отлипа перед отверждением) дает определенное преимущество в плане упрощения работы с окрашенными пластинами, нанесения рельефа на поверхности и выполнения операций на месте эксплуатации. Кроме того, некоторые продукты можно сделать водорастворимыми перед отверждением, что позволяет легко очищать высушенный полимер без использования растворителя во время нанесения. И наконец, УФ ПУД обладают высокой производительностью традиционных составов радиационного отверждения, сочетая в себе эффективное испарение влаги и быстрое ультрафиолетовое или электронно-лучевое отверждение. Предполагается, что дальнейшие перспективы данной технологии будут связаны с новыми разработками в области энергоэффективного светодиодного отверждения.

СРОК СЛУЖБЫ И УТИЛИЗАЦИЯ

Полученные после отверждения покрытия характеризуются высокой стойкостью. Микроструктура отвержденных покрытий обычно состоит из мягких и твердых сегментов, связанных водородными связями и захваченных в плотную сшитую сеть, что обеспечивает оптимальное сочетание таких свойств, как гибкость и адгезия к различным подложкам с одной стороны и механическая, и химическая стойкость, с другой стороны. Благодаря этим свойствам покрытия можно использовать для наружного применения, когда светостойкость и атмосферостойкость особенно важны для надежной защиты.

Все больше внимания уделяется утилизации изделий с покрытием. Пригодность к переработке, компостируемость и биоразлагаемость могут сократить воздействие на окружающую среду.

ЦЕННОСТНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

Древесная подложка – это природный, пористый материал, состоящий, главным образом, из целлюлозных волокон и лигнина, который требует использования экологически чистых покрытий.

Это не размерно-устойчивый материал, который очень подвержен разрушению под воздействием грибов, микроорганизмов, влаги и света, а также окрашиванию танином. Фактически, долговечность древесных подложек остается проблемой, для решения которой требуются эффективные покрытия с точки зрения эстетических и защитных свойств.

Рисунок 2. Полный ассортимент продукции, структурированный относительно связующих для грунтовочных слоев, верхних слоев или самоуплотняющихся покрытий (подразделяется на категории по цвету).

Для деревянных конструкций, напольных покрытий, мебели, столярных изделий и элементов отделки разработан широкий ассортимент грунтовок, покровных составов и уплотняющих покрытий. В любом случае, всегда можно выбрать подходящий продукт на основе потребительской ценности и эксплуатационных характеристик (рисунок 2).

Что касается продуктов с высокой потребительской ценностью, акцент делается на надежности продукта в процессе разработки и применения, а также на привлекательном соотношении цены и характеристик. Данные продукты обладают такими свойствами, как высокая адгезия и улучшение естественного цвета древесины (для грунтовок и красок), а также высокой стойкостью (для уплотняющих и финишных покрытий). Они могут служить основой для эффективной защиты древесины с последующим нанесением прозрачных или белых покрытий.

Что касается продуктов с высокими эксплуатационными характеристиками, акцент делается на конкретных выдающихся свойствах продуктов, которые способствуют развитию инноваций на рынке. Данные продукты используются для прозрачных, белых или цветных покрытий и обеспечивают эффективную защиту благодаря отличной химической и механической стойкости. Другие виды продукции включают составы с разным уровнем глянца (зеркальный эффект), составы для наружного применения (высокая атмосферостойкость) и покрытия с возможностью нанесения в полевых условиях.

Таблица 1. Характеристики новых полимерных дисперсий.

Наши новейшие разработки позволили привнести новые ценностные преимущества в нашу продукцию. Все эти продукты (таблица 1) обладают хорошей коллоидной устойчивостью и низкой вязкостью, что облегчает распыление покрытий. Низкое содержание ЛОВ и низкая минимальная температура пленкообразования позволяют не использовать дополнительные сорастворители.

Подробную информацию о составах и условиях нанесения, которые использовались при испытаниях продукции, описанных в последующих разделах, можно получить у авторов статьи.

МОРФОЛОГИЯ НОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Сложная морфология полимерной дисперсии1 может сбалансировать свойства покрытий для получения оптимальных кроющих характеристик. Частицы со структурой ядро-оболочка в определенном смысле привлекательны для многофазных покрытий со специфическими свойствами, однако их может быть трудно контролировать, поэтому их преимущества по сравнению с аналогичными полимерными смесями не всегда очевидно. Мы показали, что определенные полимерные частицы могут служить резервуаром для других элементов, таких как высокофункциональные олигомерные полиакрилатные молекулы, для создания набухших частиц с очень высоким содержанием акрилата.

Безоловянная УФ ПУД 1 (UCECOAT® 7230) – это новая запатентованная УФ-отверждаемая полиуретановая дисперсия, которая существенно повышает кроющие характеристики изготовленных из нее смесей. Данный продукт отличается высоким содержанием твердых веществ, что связано с хорошей коллоидной устойчивостью, и хорошо смешивается с другими водорастворимыми смолами для повышения реакционной способности при отверждении, а также механической и химической стойкости без ущерба для эластичности. Не рекомендуется использовать для однокомпонентных толстослойных покрытий из-за крайне высокой хрупкости.

Рисунок 3. Характеристики УФ ПУД 1 с 0% — 40% ALKYD 1 (алкидная дисперсия).

На рисунке 3 представлены сравнительные характеристики УФ ПУД 1 отдельно и в смеси (6:4) с алкидной эмульсией ALKYD 1 (RESYDROL AZ 6191w/42WA). Стоит отметить, что алкидная эмульсия не содержит акриловых функциональных групп, однако смесь эффективно отверждается под воздействием УФ-излучения и обеспечивает удовлетворительные и сбалансированные характеристики. В качестве дополнительного преимущества, готовый продукт примерно на 20% состоит из возобновляемого сырья благодаря природным маслам, содержащимся в алкидной композиции.

СТАБИЛИЗАЦИЯ НОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Стабилизация радиационно-отверждаемых олигомеров в водных системах прежде всего зависит от их молекулярного веса, будь то жидкость в жидкости (эмульсия) или твердая фаза в жидкости (дисперсия). Большинство из этих гетерогенных систем стабилизируется либо электростатически, либо благодаря стерическому отталкиванию в межфазном пространстве капель или частиц, что предотвращает их коалесценцию и флокуляцию. Электростатический механизм стабилизации может быть анионным или катионным, в то время как стерическая стабилизация обычно связана с неионными полиалкоксилированными гидрофильными веществами.

Химическая функциональность, необходимая для стабилизации, может быть либо ковалентно включена в полимер дисперсной фазы (внутренняя стабилизация), либо обеспечиваться дополнительным поверхностно-активным компонентом, адсорбированным на поверхности раздела фаз (внешняя стабилизация), хотя эти два случая могут сосуществовать.

Безоловянная УФ ПУД 2 (UCECOAT 7738) – это новое запатентованное связующее на основе УФ-отверждаемой полиуретановой дисперсии для прозрачных и белых покрытий с оптимальным балансом твердости. Этот продукт обеспечивает смешанную анионную и неионную стабилизацию, оптимизированную коллоидную устойчивость с устойчивым составом и pH. Он демонстрирует способность к сушке с эффективным удалением воды в процессе нанесения покрытия и идеальный баланс между твердостью и эластичностью поверхности после отверждения, а также отличную стойкость к царапанию. В частности, для белых пигментированных составов мы наблюдали эффект зеркального блеска, характерный для продуктов, которые физически высыхают перед отверждением.

Рисунок 4. Основные характеристики УФ ПУД 2 по сравнению с УФ ПУД 5.

На рисунке 4 представлены сравнительные характеристики УФ ПУД 2 и эталонного состава УФ ПУД 5 (UCECOAT 7788). Новый продукт превосходит эталонный состав по химической и механической стойкости, поэтому обладает ценностным преимуществом.

ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ НОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Как известно, пожелтение при отверждении может произойти в результате воздействия на энергоотверждаемые составы интенсивного ультрафиолетового излучения или электронных лучей. Через несколько часов пожелтение обычно уменьшается до исходного уровня. Таким образом, оно отличается от длительного пожелтения, которое связано с разрушением полимера в атмосферных условиях. Это может создать определенные трудности при подборе цветов на специализированных производственных линиях. Первопричины пожелтения при отверждении не всегда очевидны, однако снижение фотопожелтения можно наблюдать при реакции гидразидов алифатических карбоновых кислот с алифатическими изоцианатами, присутствующими в основной цепи полиуретана.

Безоловянная УФ ПУД 3 (UCECOAT 7510) – это новое запатентованное связующее на основе УФ-отверждаемой полиуретановой дисперсии, обладающее способностью к сушке с эффективным удалением воды в процессе нанесения покрытия. Продукт обеспечивает низкий уровень пожелтения при УФ-отверждении и поэтому рекомендуется для использования, когда соответствие цветов имеет крайне важное значение (например, на прозрачных подложках).

Обладает высокой твердостью, механической и химической стойкостью, а также стойкостью к растрескиванию при пониженных температурах.

Рисунок 5. Основные характеристики УФ ПУД 3 по сравнению с УФ ПУД 5.

На рисунке 5 представлены сравнительные характеристики УФ ПУД 3 и эталонного состава УФ ПУД 5. Новый продукт превосходит эталонный состав по показателю пожелтения при отверждении и при этом обеспечивает более высокую твердость. Кроме того, его проще матировать.

СОСТАВ НОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Типичные иономерные полиуретановые структуры могут обладать разным полимерным составом, молекулярным весом и конфигурацией. Они содержат полиизоцианаты и некоторые другие функциональные полиолы, например, обеспечивающие полимеру акриловые функциональные группы.

Диметилолпропионовая кислота (DMPA) часто используется в качестве мономера для получения карбоксильных функциональных групп, что дает аноинно стабилизированную полимерную коллоидную систему в воде. Мы разработали новый состав, в котором выгодно используются полимерные карбоксилированные полиолы вместо DMPA.

Безоловянная УФ ПУД 4 (UCECOAT 2501) – это новое запатентованное связующее на основе УФ-отверждаемой полиуретановой дисперсии, обеспечивающее рентабельность и устойчивость состава. Продукт демонстрирует хорошую совместимость, в частности со стандартными акриловыми латексами, что позволяет выводить характеристики и затраты на требуемый уровень. Покрытие обеспечивает хорошее влагоудаление и высыхает до отлипа перед УФ-отверждением. Можно отметить такие свойства, как высокая адгезия и улучшение естественного цвета древесины, а также хорошая устойчивость к образованию пятен и низкий уровень пожелтения при старении, как для прозрачных, так и для белых покрытий. Что не менее важно, большое разнообразие составов с УФ-отверждаемыми дисперсиями повышенного качества по-прежнему можно использовать по выгодной цене.

Рисунок 6. Основные характеристики УФ ПУД 4 отдельно и в смеси с УФ ПУД 6 и УФ ПУД 7.

На рисунке 6 представлены сравнительные характеристики УФ ПУД 4 отдельно и в смеси (7:3) с более твердыми УФ ПУД 6 (UCECOAT 7655) и УФ ПУД 7 (UCECOAT 7734). Очевидно, что, хотя эталонный продукт сам по себе, в целом, обладает привлекательными характеристиками, можно откорректировать твердость покрытия для областей применения с более жесткими требованиями, при этом обеспечивая высокую адгезию и разумное увеличение стоимости.

ВЫВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Благодаря непрерывным инновационным разработкам компания Allnex использует свои экологически чистые технологии, чтобы создать «устойчивый мир». Объединяя лучшие свойства водорастворимых полимеров и технологий радиационного отверждения, компания разрабатывает широкий ассортимент уникальных УФ-отверждаемых продуктов для древесины, который охватывает самые разнообразные потребности рынка и нацелен на удовлетворение запросов потребителей. Ассортимент покрытий для древесины теперь расширен четырьмя новыми продуктами, полученными в результате инновационных разработок. Эти продукты позволяют улучшить эксплуатационные характеристики в отношении механической и химической стойкости, стабильности, совместимости, а также пожелтения после отверждения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Тилеманс, М.; Русе, П.; Нго, К.; Лаззарони, Р.; Леклер, П. Многофазные покрытия на основе комплексных радиационно-отверждаемых полиуретановых дисперсий, журнал Progress in Organic Coatings 75 (2012 г.) 560-568.

Доктор Мишель Тилеманс, Гвидо Ванмайлдер, Компания Allnex, Дрогенбос, Бельгия, Доктор Микела Фуско, Компания Allnex, Берген-оп-Зум, Нидерланды

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

История полимерных материалов. Часть 1
История полимерных материалов. Часть 1
В этой серии статей мы обратимся к прошлому, к истории отрасли производства пластмасс и узнаем,…
Майк Сепе
22.03.2021
504
Первый в мире набор биоразлагаемых бутылок для воды
Первый в мире набор биоразлагаемых бутылок для воды
Биоразлагаемая бутылка Cove разлагается за 90 дней на промышленном компостном заводе и "менее чем за…
06.12.2022
68
Прочный, прозрачный и антибактериальный полиуретан на водной основе
Прочный, прозрачный и антибактериальный полиуретан на водной основе
Ученые представили высокопрочный, жесткий и прозрачный полиуретан на водной основе с хорошими антибактериальными свойствами.
20.01.2023
13
Оптимизация процесса окраски пластмассовых деталей
Оптимизация процесса окраски пластмассовых деталей
Объемы пластмассовых деталей, на которые наносят покрытия, неуклонно растут, а их разнообразие почти безгранично. Также…
Дорис Шульц
26.10.2020
161
Умное автокресло с использованием композитов
Умное автокресло с использованием композитов
Амортизирующее автокресло обеспечивает комплексный подход к безопасности благодаря материалам из углеродного волокна и D3O, а…
26.01.2023
14
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Новости 1-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
01.11.2022
99
Охрупчивание органических покрытий
Охрупчивание органических покрытий
В новой обзорной статье приводится перечень источников растягивающего напряжения органических покрытий, вызывающего растрескивание; основное внимание…
23.01.2023
20
Итоги 25-й международной выставки «ХИМИЯ-2022»
Итоги 25-й международной выставки «ХИМИЯ-2022»
Главное выставочно-конгрессное мероприятие привлекло внимание профессионалов, разработчиков, представителей власти, руководителей компаний для ознакомления с новинками…
14.11.2022
102
Rosmould | Rosplast 2022 пройдут в Москве 7-9 июня 2022 года 
Rosmould | Rosplast 2022 пройдут в Москве 7-9 июня 2022 года 
Совсем скоро в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут главные российские выставки в области промышленного…
26.05.2022
346