УФ-отверждаемые покрытия и технология светодиодного отверждения

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

Связаться с нами

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

Вам будет интересно

Axalta официальный спонсор Yamaha Factory Racing MotoGP в сезоне 2022
Axalta официальный спонсор Yamaha Factory Racing MotoGP в сезоне 2022
Компания Axalta (NYSE: AXTA), ведущий мировой производитель жидких и порошковых покрытий, укрепила свои партнерские отношения…
04.04.2022
450
Новое противообрастающее покрытие на биологической основе
Новое противообрастающее покрытие на биологической основе
Теперь в качестве противообрастающего поверхностного покрытия был использован фукоидан, полисахарид, полученный из бурых водорослей. Для…
17.08.2022
65
Экологически безопасная эксплуатация стального моста – роль окраски в оценке жизненного цикла
Экологически безопасная эксплуатация стального моста – роль окраски в оценке жизненного цикла
Значение защитных покрытий в предотвращении разрушения стальных конструкций сложно оценить количественно, однако исследование, проведенное в…
CEPE.
22.01.2020
656
Снижение использования шестивалентного хрома при анодировании в военных целях
Снижение использования шестивалентного хрома при анодировании в военных целях
Замена наполнителя, содержащего дихромат, в ВВС США.
Элизабет Берман, Роберт Б. Мэйсон-младший.
26.06.2019
617
Умное эпоксидное покрытие с использованием растительного масла
Умное эпоксидное покрытие с использованием растительного масла
Ученые описывают разработку умного эпоксидного покрытия с использованием растительного масла. Покрытие продемонстрировало отличные противокоррозионные свойства.
18.10.2022
41
Как фильтрация и регенерация сказываются на уровне расходов?
Как фильтрация и регенерация сказываются на уровне расходов?
Нестабильная экономическая ситуация и жесткие экологические требования заставляют гальванические производства тщательно следить за расходом химикатов
Ч. Шультц
07.08.2018
917
Латексные связующие, литий-ионные аккумуляторы и электромобили
Латексные связующие, литий-ионные аккумуляторы и электромобили
Хотя связующие составляют лишь небольшую часть литий-ионных аккумуляторов, на которых работают электромобили, они играют важнейшую…
Кристиан Пейдж
13.12.2021
362
Покрытие будущего для тканей медицинской и спортивной одежды
Покрытие будущего для тканей медицинской и спортивной одежды
Ученые из Университета Британской Колумбии разработали недорогое, нетоксичное покрытие практически для любых тканей, снижающее заразность…
16.03.2022
393
Современные способы обработки и модификации свойств поверхности электронных компонентов
Современные способы обработки и модификации свойств поверхности электронных компонентов
Процессы гальванической металлизации являются неотъемлемой частью производства печатных плат (ПП) и от качества их выполнения…
Терешкин В. А., к.т.н. (Мир гальваники 2008)
17.07.2018
1982