УФ-отверждение – это проверенная технология, которая представляет собой практически осуществимую и рентабельную альтернативу традиционному отверждению.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение используется для отверждения покрытий уже более 30 лет, и более 20 лет компании успешно используют УФ-отверждаемые порошковые покрытия. УФ-отверждаемые порошковые покрытия могут заменить содержащие растворители жидкие покрытия (в некоторых случаях термореактивные порошковые покрытия) и представляют собой отделочный материал, применимый для многих новых материалов и продуктов.
В качестве источника энергии светоотверждения используются высокомощные УФ-лампы, а дуговые лампы (или лампы среднего давления) занимают лидирующее положение на рынке. В течение последних пяти лет производители разрабатывают и выпускают УФ-светодиодные лампы (LED) с более высокой выходной мощностью. Они используются как альтернатива для дуговых ламп и ламп среднего давления, а некоторые предназначены специально для применения в новых системах отделки.
УФ-отверждение существенно отличается от воздушной сушки и теплового отверждения. Важно понимать, как происходит процесс отверждения, и знать, как его оценивать. Отверждение – это химическая реакция, которая протекает в покрытии и измеряется количеством сшитых звеньев олигомеров или полностью прореагировавших двойных связей, оставшихся в матрице покрытия после воздействия системы отверждения. Виды систем отверждения предполагают воздействие «сухого воздуха», тепловой энергии и УФ-излучения.
Рисунок 1. В качестве источника энергии светоотверждения используются высокомощные УФ-лампы, а дуговые лампы или лампы среднего давления занимают лидирующее положение на рынке.
Дифференциальная сканирующая калориметрия – это надежный и точный метод оценки отверждения систем покрытий. Для оценки степени отверждения специалисты часто используют испытание в растворителе (метилэтилкетон). Исследования показали, что это испытание может дать ложноотрицательные или ложноположительные результаты.
УФ-отверждаемые жидкие и порошковые покрытия – это фотополимеризованные материалы с химическим фотоинициатором, которые мгновенно реагируют на энергию УФ-излучения, начиная реакцию отверждения. При УФ-отверждении порошкового покрытия стадии отверждения предшествует отдельная стадия плавления, которая обычно длится 1-2 минуты или больше, в зависимости от подложки. УФ-отверждение происходит почти мгновенно.
При рассмотрении УФ-отверждаемых жидких или порошковых покрытий необходимо сбалансировать рабочие параметры системы покрытий, скорость процесса и материал покрытия со спектральным диапазоном УФ-лампы и выходной мощностью системы ламп. Если спектральное излучение лампы не соответствует диапазону поглощения фотоинициатора или если система ламп недостаточно мощная, покрытие может отвердиться не полностью.
НОРМАТИВНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ
Интерес потребителей к экологически чистым материалам, а также санитарно-гигиенические нормы, требующие исключения или снижения количества опасных веществ, заставляют менять способы изготовления покрытий и применения химических веществ. Альтернативные варианты для пользователей: покрытия на водной основе; без растворителя или с низким содержанием растворителя и УФ-отверждаемые покрытия; термореактивные и УФ-отверждаемые порошковые покрытия. Покрытия на водной основе представляют собой растущий сектор лакокрасочной промышленности.
Вода заменяет растворители в красках и покрытиях. Помимо того, что покрытия на водной основе должны быть равноценной заменой покрытий на основе растворителей по качеству и рабочим характеристикам, их применение сопряжено с экономическими, социальными и экологическими издержками, которые еще предстоит оценить. Вода – дефицитный и неравномерно распределенный природный ресурс.
УФ-отверждаемые порошковые покрытия обладают множеством эксплуатационных преимуществ: пониженное энергопотребление, небольшая занимаемая площадь системы нанесения, высокая производительность, снижение расхода материалов и повышение прибыли. Кроме того, УФ-отверждаемые порошковые покрытия обеспечивают преимущества с точки зрения безопасности, здоровья и законодательных норм. Поскольку эти покрытия полностью твердые, они не содержат растворитель и воду. Они не содержат опасные или контролируемые законодательством химические вещества, поэтому на их изготовление и использование не требуются разрешения. При учете в общей модели затрат эти преимущества делают УФ-отверждаемые порошковые покрытия надежной инвестицией. На графике 1 представлено сравнение характеристик УФ-отверждаемых порошковых покрытий и термореактивных порошковых и жидких покрытий. Каждая полоса на графике демонстрирует суммарное количество времени, необходимое для полного выполнения процесса от нанесения до отверждения.
УФ-отверждаемые порошковые покрытия и термореактивные порошковые покрытия изготавливаются одинаково. Отличие заключается в специально разработанной смоле, которая отверждается под воздействием УФ-излучения. Обычно применяются следующие виды смол: полиэфиры, эпоксидные смолы и уретаны. Добавки и пигменты (наряду с фотоинициатором) добавляются в смолу и дополняют состав. Разница между термореактивными и УФ-отверждаемыми порошковыми покрытиями заключается в разделении непрерывной фазы нагрев-плавление-отверждение на короткую фазу нагрев-расплавление и последующую почти мгновенную фазу УФ-отверждения.
На графике 2 представлено сравнение характеристик времени и температуры для порошковых покрытий, отверждаемых при сверхнизких температурах, и УФ-отверждаемых порошковых покрытий при нанесении на древесноволокнистые плиты средней плотности (MDF). Для порошкового покрытия, отверждаемого при сверхнизких температурах, время плавления/отверждения при 130°C составляет 5 минут при суммарной продолжительности процесса около 32 минут. УФ-отверждаемое порошковое покрытие в течение 1 минуты нагревается в печи до 110°C, затем следует почти мгновенное УФ-отверждение. Суммарное время процесса – 20 минут.
ТЕХНОЛОГИЯ УФ-ОТВЕРЖДЕНИЯ
Выходная мощность УФ-лампы определяется как интенсивность излучения; мощность лампы измеряется на определенном расстоянии в мВт/см². При изменении расстояния изменяется и интенсивность излучения. Вторым показателем является воздействие (плотность энергии), количество энергии лампы, достигающее поверхности отверждаемого объекта при его движении в световом поле лампы; измеряется в мДж/см². При изменении скорости движения изменяется и степень воздействия. Необходимо понимать, как изменяются условия отверждения при изменении мощности лампы, расстояния и времени воздействия.
В таблице 1 представлены результаты четырех измерений для трех типов ламп: ртутные лампы среднего давления на 300 и 600 Вт и светодиодная лампа 395 нм, при выходной мощности 50 и 100%. В таблице также указан спектральный диапазон УФ-излучения, при котором выполнялось измерение (UVV или UVA2). Две постоянные величины для всех испытаний – это расстояние 4 дюйма и скорость 5 футов в минуту.
Спектр УФ-излучения состоит из трех диапазонов от 100 до 400 нм. Производители ламп указывают четвертый диапазон UVV 400-450 нм. Он имеет важное значение, поскольку энергия УФ-излучения в этом диапазоне отверждает толстые покрытия, такие как УФ-отверждаемые порошковые покрытия. Дуговые лампы и УФ-лампы среднего давления излучают световую энергию во всех четырех УФ-диапазонах и в видимой области спектра выше 400 нм. В зависимости от типа лампы интенсивность излучения и степень воздействия варьируются. Фотоинициаторы поглощают ультрафиолетовый свет при различных длинах волн. Длины волн излучения ультрафиолетового света должны соответствовать длинам волн поглощения фотоинициатора для протекания реакции отверждения в покрытии.
СВЕТОДИОДНОЕ УФ-ОТВЕРЖДЕНИЕ
Развитие и коммерциализация ультрафиолетовых светодиодов – это значимое нововведение в сфере УФ-отверждения. Ультрафиолетовые дуговые лампы и лампы среднего давления весьма эффективны, но имеют свои ограничения. Они не являются энергосберегающими; колбы испускают ИК-излучение; интенсивность ламп со временем снижается; они легируются (усиливаются) тяжелыми металлами для изменения спектра излучения; большие системы требуют применения установок воздушного охлаждения и вызывают сложности при настройке и монтаже на роботизированных устройствах. УФ-светодиоды устраняют многие из этих ограничений.
Рисунок 2. При УФ-отверждении порошкового покрытия стадии отверждения предшествует отдельная стадия плавления, которая обычно длится 1-2 минуты или больше, в зависимости от подложки.
Результаты дифференциальной сканирующей калориметрии показывают, что УФ-светодиод 395 нм может отверждать прозрачные, черные, белые и другие совместимые, окрашенные пигментами, УФ-отверждаемые порошковые покрытия. Производители светодиодов увеличивают выходную мощность (интенсивность) излучателей УФ-светодиодов, тем самым расширяя возможности применения. Излучатель УФ-светодиода можно установить на роботизированной системе, чтобы обеспечить его перемещение в труднодоступные зоны, которые иначе нельзя было бы отвердить, поскольку УФ-отверждение происходит в пределах прямой видимости. Поверхность отверждаемого объекта должна «видеть» ультрафиолетовый свет. Светодиодное УФ-отверждение также имеет свои трудности. Необходимы дополнительные исследования и разработки, чтобы решить проблемы поглощения ультрафиолетовых лучей в пигментах и фотоинициаторах.
УФ-отверждение покрытий – это отработанная технология, которая обеспечивает существенные преимущества (эксплуатация, здоровье, безопасность и законодательные нормы), что делает ее практически применимой и экономически выгодной альтернативой для традиционных методов отверждения.
Продолжающиеся разработки в области светодиодного УФ-отверждения способствуют развитию рынка УФ-отверждаемых материалов, особенно порошковых покрытий.
Усовершенствование оборудования светодиодного УФ-отверждения и сопутствующие разработки рецептур УФ-отверждаемых порошковых покрытий позволили получить новую технологию отделки, которую можно использовать не только как альтернативу покрытий на основе растворителей, но и для новых рынков материалов и продуктов.
Майкл Кноблаух, Директор компании KEYLAND POLYMER
