Наиболее важные свойства для УФ/ЭП-технологии отверждения лакокрасочных материалов

Коммерческое применение технологии отверждения лакокрасочных материалов (ЛКМ) с использованием ультрафиолетового излучения (УФ, UV) и пучка ускоренных электронов (ЭП, EB) началось в 1960-е гг. Когда промышленности стало известно о преимуществах УФ/ЭП-технологии, спрос на УФ/ЭП отверждаемые ЛКМ вырос. В настоящее время УФ/ЭП отверждаемые ЛКМ используются во всем мире во многих сферах.

Ниже представлены преимущества, которыми обладают УФ/ЭП отверждаемые ЛКМ по сравнению с традиционно отверждаемыми ЛКМ:

• отверждение за счет энергии источника излучения УФ/ЭП происходит за доли секунды;
• снижение производственных площадей — оборудование для УФ/ЭП-отверждения намного более компактно, чем традиционные сушильные печи; композиции, которые не содержат растворителей, требуют меньших площадей для хранения, чем органо- и водорастворимые ЛКМ, для получения сопоставимого веса сухой пленки;
• подходит для теплочувствительных подложек — при УФ/ЭП-отверждении ЛКМ достигаются более высокие скорости линии, а отсутствие теплового отверждения в результате дает относительно холодный процесс, который может быть использован для теплочувствительных подложек: пластиков, древесины, бумаги;
• снижение единиц оборудования в процессе — технология УФ/ЭП-отверждения ЛКМ может заменить многостадийный производственный процесс термоотверждения ЛКМ/печатных красок одностадийным процессом;
• снижение стоимости страхования и уменьшение опасности работы — безрастворительные УФ/ЭП отверждаемые ЛКМ рассматриваются как негорючие жидкости, а это ведет к снижению расходов на страхование, менее жестким требованиям по хранению и снижению опасности работы по сравнению с воспламеняемыми органорастворимыми ЛКМ;
• благоприятная технология — мировые регулирующие организации признают, что УФ/ЭП отверждаемые ЛКМ обладают многими преимуществами по соответствию требованиям по ЛОС и веществам, опасным для воздушной среды;
• снижение энергозатрат — ряд исследований показывает значительное снижение стоимости потребления энергии, достигаемое за счет перехода от обычных термоотверждаемых ЛКМ к УФ/ЭП отверждаемым ЛКМ.

Как было показано выше, технология УФ/ЭП-отверждения ЛКМ имеет много преимуществ по сравнению с ЛКМ, отверждаемыми традиционными методами. Однако при использовании УФ/ЭП отверждаемых ЛКМ существует ряд проблем. Чтобы очертить круг проблем, с которыми специалисты сталкиваются на практике, Special Chem задал вопрос: «Какое свойство для вас наиболее важно при выборе технологии УФ/ЭП-отверждения ЛКМ?». Ниже
приведены результаты голосования 229 участников опроса.

Смолы с пониженной усадкой отвержденной пленки, получив 22,3% голосов, заняли первое место среди наиболее важных свойств при выборе технологии УФ/ЭП-отверждения. Химия акрилатов преобладает на рынке УФ/ЭП отверждаемых ЛКМ. Однако известно, что пленки акрилатов также претерпевают значительную усадку при отверждении. Чрезмерная усадка в результате плохого отверждения может вызвать проблемы адгезии, особенно для непористых оснований. Ниже в таблице сравнивается усадка пленки для различных функциональных акриловых мономеров.

Снижение усадки пленки различных функциональных акриловых мономеров

Методы, которые могут быть использованы для снижения усадки отвержденной пленки, включают:

• уменьшение концентрации многофункциональных акриловых мономеров;
• использование составов на основе катионной или тиоленной химии — катионные и тиоленные мономеры претерпевают меньшую усадку, чем акриловые мономеры;
• комбинированные акриловые составы с катионным или тиоленным компонентом;
• использование водно-дисперсионных УФ/ЭП отвержденных высокомолекулярных полиуретановых дисперсий (PUDs).

Возможность отверждения на поверхностях, закрытых от прямого воздействия УФ/ЭП-энергии, заняла второе место, получив 20,5% голосов среди наиболее важных свойств при выборе УФ/ЭП-технологии. Один из методов, которые может исключить проблему отверждения ЛКМ на поверхностях, закрытых от УФ/ЭП-излучения, состоит во включении в состав постотверждающих компонентов.

Примеры постотверждающих компонентов:

• использование катионной технологии — кислота, образующаяся в катионных покрытиях, остается активной после воздействия УФ/ЭП-излучения, что приводит к постотверждению;
• использование катион-акриловой гибридной композиции — катионная часть состава может продолжить полимеризацию после УФ/ЭП-воздействия;
• присоединение реакционных силикон/силоксановых компонентов к акриловому мономеру/олигомеру — силикон/силоксановые компоненты постотверждаются в присутствии влаги;
• присоединение реакционного компонента, например изоцианатной (NCO) группы, к акриловому мономеру/олигомеру — изоцианатная группа будет отверждаться в присутствии влаги.

Возможность полного отверждения толстых слоев ЛКМ получила третье место с 16,6% голосов среди наиболее важных свойств при выборе УФ/ЭП-технологии. Отверждать толстые пленки УФ-светом весьма не просто, поскольку проникновение УФ-излучения экспоненциально снижается по толщине покрытия. В то же время ЭП-отверждение более равномерно, чем УФ-отверждение, так как проникновение ЭП-излучения зависит от плотности покрытия. Толстые покрытия могут быть отверждены радиацией ЭП за счет подбора и увеличения напряжения, подходящего для толщины покрытия. 

Методы, которые можно применять при отверждении толстых пленок УФ-облучением включают:

• применение мультислоев для отверждения, чтобы поддерживать поверхность каждого нанесенного слоя частично отвержденной. Неотвержденная поверхность может затем вступить в сополимеризацию со следующим наносимым жидким слоем;
• использование УФА отверждающей системы — УФА абсорбционные фотоинициаторы имеют низкий коэффициент экстинкции, который позволяет УФ-излучению глубже проникать в материал;
• использование источника УФ-излучения с высоким пиковым излучением;
• использование низкой концентрации фотоинициатора;
• принятие преимуществ постотверждения катионных систем;
• включение постреакционного компонента, такого как изоцианат.

Улучшенные свойства атмосферостойкости получили четвертое место с 16% голосов среди важнейших свойств при выборе УФ/ЭП-технологии. Каждый УФ-отвержденный ЛКМ требует фотоинициатора, который сорбирует УФ-излучение. Для типичного прозрачного УФ отвержденного состава нужно от 3 до 5% инициатора. Во время процесса отверждения разлагается менее 1% фотоинициатора. Остаточный фотоинициатор, остающийся в отвержденной пленке, сорбирует внешний солнечный свет, который привносит свой вклад в ухудшение атмосферостойкости покрытия.

Методы, используемые для повышения атмосферостойкости:

• использование технологии отверждения ЭП — эта технология не требует применения фотоинициаторов;
• исключение ароматических групп или других компонентов, которые сорбируют УФ- и/или видимое излучение;
• избегать применения фотоинициаторов, которые требуют аминного синергетика. Амины, как правило, влияют на ухудшение атмосферостойкости покрытия;
• использование пространственно-затрудненных аминных светостабилизаторов (HALS), чтобы убрать и удалить свободные радикалы, образующиеся в покрытии со временем;
• добавление небольших количеств органических соединений, которые сорбируют УФ- и видимое излучение и рассеивают сорбированное излучение за счет проведения внутримолекулярной обратимой химической реакции без деструкции. Она включает 2-гидроксибензофеноны, 2-гидроксифенилтиразины и 2-гидроксифенилбензотриазолы.

Мономеры, имеющие пониженные риски для здоровья, занимают пятое место, получив 13,1% голосов, при выборе УФ/ЭП-технологии. Акриловые лакокрасочные композиции предлагают широкий выбор мономеров и олигомеров для УФ/ЭП отвержденных ЛКМ, что позволяет разработчикам создавать УФ/ЭП отверждаемые ЛКМ для широкой сферы применения по сравнению с другими доступными химикатами. Однако одна из проблем при использовании ЛКМ на основе акрилатов — их опасность для здоровья. Акрилаты известны как вещества, раздражающие и сенсибилизирующие кожу. Поэтому, как и с другими жидкими химикатами, необходимо защищать глаза и кожу во время работы с УФ/ЭП отверждаемыми ЛКМ. Раздражающее действие на кожу и глаза и повышенная опасность устраняются сразу после полного отверждения акрилатов.

Улучшенная технология трехмерного (3D-) отверждения получила шестое место и 11,8% голосов среди важнейших свойств технологии УФ/ЭП-отверждения. ЛКМ УФ/ЭП-отверждения традиционно применяются на плоских поверхностях. Производители изделий сложной формы, таких как мебель, тесно сотрудничают с изготовителями оборудования для УФ/ЭП-отверждения по разработке производственных линий для трехмерного (3D) отверждения.

Наиболее сложный барьер 3D-отверждения — подача энергии излучения одинаковой плотности на всю поверхность. Этого можно добиться при использовании УФ-излучения, но, к сожалению, этого невозможно достичь при отверждении потоком электронов. Контроль количества УФ-облучения может достигаться путем: 1) вращения изделия при прохождении через камеру УФ-отверждения, 2) продуманного расположения источников УФ-света и отражателей УФ-излучения в камере, чтобы гарантировать, что на всю поверхность изделия подается излучение энергии одинаковой плотности.

Преимущества, которые дает технология УФ/ЭП-отверждения ЛКМ, обеспечивают коммерциализацию новых технологий. Например, высокая скорость полимеризации УФ-отверждаемых покрытий внесла существенный вклад в коммерциализацию оптических волокон низкой стоимости, используемых для высокоскоростной связи. УФ/ЭП отверждаемые ЛКМ позволяют создавать новые технологии и в то же время удовлетворяют все время ужесточающимся правительственным правилам по содержанию летучих органических соединений и вредных веществ в атмосфере.

Дж. Пастернак, Special Chem