INSTYTUT TECHNOLOGII DREWNA - WOOD TECHNOLOGY INSTITUTE POZNAŃ ZAKŁAD BADANIA POWIERZCHNI

Transkrypt

1 INSTYTUT TECHNOLOGII DREWNA - WOOD TECHNOLOGY INSTITUTE POZNAŃ ZAKŁAD BADANIA POWIERZCHNI Jarosław Banecki INNOWACYJNE I PRZYJAZNE DLA ŚRODOWISKA TECHNOLOGIE LAKIERNICZE STOSOWANE W MEBLARSTWIE

2 Szkic prezentacji Podstawowe dyrektywy europejskie Alternatywy dla rozpuszczalnikowych wyrobów lakierowych Technologia malowania proszkowego Technologia lakierowania wyrobami UV

3 Dyrektywy europejskie Podstawowe dyrektywy dotyczące emisji lotnych substancji organicznych (Volatile Organic Compounds VOC) między innymi z powłok lakierowych na materiałach drzewnych oraz zawartości VOC w wyrobach lakierowych, to: Dyrektywa 1999/13 13/EC - on the limitation of emissions of volatile organic compounds due to the use of organic solvents in certain activities and installations - VOC Solvents Directive Dyrektywa 2004/42 42/EC - on the limitation of emissions of volatile l organic compounds due to the useof organic solvents in certain paints and varnishes and vehicle refinishing products and amending Directive 1999/13/EC - VOC Paints Directive

4 Alternatywy dla wyrobów rozpuszczalnikowych Kategorie wyrobów lakierowych stosowane w meblarstwie wymieniane jako alternatywne, to: wyroby typu high solids (1-składnikowe, 2-skladnikowe lub utwardzane UV) - cz. stałe %m/m wyroby wodorozcieńczalne (1-składnikowe, 2-skladnikowe lub utwardzane UV) - cz. stałe %m/m farby proszkowe (termoreaktywne lub utwardzane UV) - cz. stałe %m/m wyroby naturalne (lakiery, woski lub oleje)

5 Technologia malowania proszkowego Postępy w technologii malowania powierzchni płyt drewnopochodnych Farby proszkowe Uszlachetniane podłoża (MDF, HDF) - wymagania Aplikacja, upłynnianie i utwardzanie farb proszkowych Przeznaczenie elementów meblowych malowanych proszkowo przykłady zastosowań Zalety i wady technologii

6 Postępy w technologii Dokonane zasadnicze zmiany w technologii malowania proszkowego płyt MDF (HDF) są następujące: zastosowanie sposobów natrysku elektrostatycznego w wersji Tribo oraz Corona w celu efektywnego nanoszenia cząstek farby proszkowej na szerokie i wąskie powierzchnie i płytył obniżenie temperatury stapiania proszków dzięki opracowaniu specjalnych niskotopliwych żywic jako spoiw farb proszkowych, skrócenie czasu termicznego obciążenia malowanego podłoża płytowego poprzez równomierne ogrzewanie promieniowaniem IR szerokich i wąskich powierzchni płyty z naniesioną farbą proszkową aż do jej upłynnienia, utwardzanie stopionej farby proszkowej również promieniowaniem UV jako alternatywy dla proszków utwardzanych termicznie, dokonanie doboru bardziej efektywnych y fotoinicjatorów procesu utwardzania UV stosowanie materiałów płytowych o określonej wilgotności, profilu gęstości oraz grubości.

7 Farby proszkowe Farby termoutwardzalne (termoreaktywne) Spoiwa: oligomery epoksydowe, poliestrowe, akrylowe lub ich hybrydy Pigmenty Barwniki Wypełniacze Utwardzacze Dodatki uszlachetniające Farby utwardzane promieniowaniem UV Spoiwa: nienasycone poliestry, oligomery akrylowe, hybrydy uretanowo-akrylowe, akrylowe poliestrowo-uretanowe lub epoksypoliestrowe Pigmenty Barwniki Wypełniacze Fotoinicjatory Środki matujące (np. woski) Środki wspomagające sieciowanie spoiwa Inne środki pomocnicze

8 Farby proszkowe ogólne właściwości Bardzo wysoka w porównaniu do ciekłych wyrobów lakierowych zawartość części stałych: % m/m Nie zawierają rozpuszczalników organicznych W czasie formowania powłoki z farby proszkowej wydzielane są bardzo niewielkie ilości VOC (0,1 1,0 % m/m) Są produktami ekologicznie i bezpiecznymi i Są bardziej wydajne (90 95 %) od ciekłych wyrobów kryjących y (około o o50 %) Tworzą powłoki o dobrych lub bardzo dobrych właściwościach użytkowych np. dużej odporności na zarysowanie i działanie chemikaliów

9 Farby proszkowe nowości Uzyskane w ostatnich latach niskotopliwe spoiwa farb proszkowych termoutwardzalnych tzw. Ultra Low Bake powders (ULB) umożliwiają utwardzanie stopionego proszku w temperaturacht niższych niż 130 C. Farby proszkowe UV nowej generacji stapiane w temperaturach C po czym stopiony proszek jest utwardzany radiacyjnie w czasie nie dłuższym niż 30 s, w temperaturach niższych niż 130 C, a kształtujących się również poniżej 100 C.

10 Materiały płytowe wymagania Płyty MDF przeznaczone do wykończania powłokami z farb proszkowych powinny wykazywać ć następujące istotne właściwości: ł ś ś i odpowiednie przewodnictwo elektryczne powierzchni płyty yy rezystancja elektryczna powierzchni płyty MDF Ω odpowiedni profil gęstości płyty stabilność cieplna mała podatność na zmiany wymiarowe wskutek zmian temperatury i wilgotności Wymienione właściwości wpływają na: proces aplikacji farby yproszkowej jakość wytworzonej powłoki

11 Materiały płytowe - wymagania Stosowane w praktyce sposoby zapewnienia właściwego przewodnictwa elektrycznego powierzchni płyty MDF, to: krótkotrwałe wstępne ogrzewanie płyty MDF (ang. preheating) przyużyciu promieniowania IR lub prądów wielkiej częstotliwości stosowanie płynnej warstwy przewodzącej (ang. conductive primer) na powierzchni płyty; sposób stosowany tylko w przypadkach, gdy stawiane są bardzo wysokie wymagania odnośnie jakości powłoki proszkowej użycież płytł specjalnie przystosowanych do pokrywania ih ich powierzchni farbą proszkową (ang. conductive powder coatable MDF); płyty MDF produkowane specjalnie dla potrzeb tej technologii z zachowaniem ostrych reżimów odnośnie jakości materiału włóknistego stosowanego do ich produkcji

12 Profil gęstości płyty Jednorodny profil gęstości surowej płyty odpowiedni do 800 powlekania powierzchni płyty 700 powłoką ą z farby yproszkowej 600 density [kg/m³] raw plate thickness [mm] Zbyt duża ż zmiana gęstości ś w 900 strefie przejścia warstwy 800 wierzchniej do warstwy 700 środkowej 600 raw density [kg/m³] [Źródło: H.Bauch i współ., Drewno-Wood 2007, vol.50, nr 177] plate thickness [mm]

13 Profil gęstości płyty Zbyt duża kompresja warstwy wierzchniej - problemy w postaci spęcherzenia powłoki raw de ensity [kg/m³] plate thickness [mm] Znaczne zmiany gęstości ś w strefie przejścia i strefie środkowej surowej płyty niebezpieczeństwo pękania krawędzi raw density [kg/m³] plate thickness [mm] [Źródło: H.Bauch i współ., Drewno-Wood 2007, vol.50, nr 177]

14 Linia lakiernicza schemat ideowy Mechaniczne i termiczne wygładzanie powierzchni płyty MDF Wstępne ogrzewanie płyty prądami o wielkiej częstotliwości lub promieniami IR Natrysk elektrostatyczny farby proszkowej na uziemioną płytę MDF Stopienie naniesionej farby pod wpływem promieniowania IR Sieciowanie spoiwa farby proszkowej promieniowaniem UV Końcowe schłodzenie utwardzonej powłoki proszkowej

15 Linia lakiernicza malowanie proszkowe MDF [Źródło:

16 Linia lakiernicza - systemy Wybrane konfiguracje przemysłowych ciągów lakierniczych w technologii malowania proszkowego [Źródło:

17 Aplikacja farb proszkowych Prowadzona w kabinie natryskowej przy użyciu automatycznych pistoletów wysokonapięciowych do natrysku elektrostatycznego Sprzężona z układem odzysku tych cząstek proszku, które nie dotarły ł do powierzchni malowanych (tzw. overspray) Pionowe ustawienie malowanego elementu, co umożliwia dotarcie proszku do wszystkich powierzchni (szerokich i wąskich) [Źródło:

18 Sposoby elektrycznego ładowania cząstek farby W sposób jonowy poprzez wyładowanie koronowe (CORONA) Z wykorzystaniem zjawiska elektrokinetycznego, prowadzonego w specjalnym kanale przepływowym lub złożu fluidalnym (TRIBO) Indukcyjne ładowanie cząstek farby proszkowej Wbudowanie do cząstki ą proszku spolaryzowanego polimeru - spolaryzowany ładunek elektryczny w masie cząstki

19 Stapianie i utwardzanie farb proszkowych Minimalizowanie stresu cieplnego dla lakierowanej farbą proszkową płyty MDF dzięki zastosowaniu pieca IR Intensywne ogrzewanie warstwy proszku poprzez równomierne napromieniowanie jej energią promieniowania IR - długości fal z przedziału nm (podczerwień średniofalowa) [Źródło:

20 Stapianie i utwardzanie farb proszkowych Systematyczne pomiary i monitorowanie temperatury w odpowiednio wybranych punktach na powierzchniach i krawędziach malowanej płyty ł tzw. punkty pomiarowe o Właściwa regulacja pieca IR temperatura mierzona w punktach pomiarowych powinna wahać się w przedziale o szerokości około 8 C wąski rozkład temperatury powierzchni o Bardzo równomierne napromieniowanie farby na szerokich iwąskich powierzchniach płyty skutkuje uzyskiwaniem bardziej jednorodnych powłok proszkowych utwardzonych termicznie

21 Stapianie i utwardzanie farb proszkowych Temperature T / C IR-rad.1 IR-rad.2 IR-rad.3 IR-rad.4 IR-rad.5 ventilation melting levelling and crosslinking cooling surface temperature (under powder coating) 3 mm under surface middle of plate Temperature T / C IR-radiator 1 IR-rad.2 UV-rad. ventilation plant crosslinking melting leveling cooling surface temperature (under powder coating) 3 mm under surface middle of plate time t / s time t / s Krzywe zmienności temperatury mierzonej na powierzchni płyty MDF [ ], 3 mm pod powierzchnią plyty [ ] oraz wewnątrz płyty [ ] podczas transportu t płyty ł z naniesioną i farbą proszkową przez piec IR do utwardzania termicznego Krzywe zmienności temperatury mierzonej na powierzchni płyty MDF [ ], 3 mm pod powierzchnią plyty [ ] oraz wewnątrz płyty [ ] podczas transportu t płyty ł z naniesioną i farbą proszkową przez kombinowany tunel IR / UV do utwardzania promieniowaniem UV [Źródło: H.Bauch i współ., Drewno-Wood 2007, vol.50, nr 177]

22 Przykłady zastosowań [Źródło:

23 Zalety i wady technologii ZALETY Technologia o wysokiej wydajnościś Niski wskaźnik wyrobów wybrakowanych - poniżej 2% Wysokie wykorzystanie materiału lakierniczego - powyżej 95% Bardzo małe ilości odpadów, wśród których nie ma odpadów niebezpiecznych Bardzo małe emisje VOC w procesie utwardzania powłokił Łatwość aplikacji farby proszkowej Redukcja liczby tych samych operacji technologicznych w procesie wykończania powierzchni i Powłoki malarskie w szerokim zakresie barw i struktur powierzchni o powtarzalnej jakości Powłoki o dobrej i bardzo dobrej odporności na zarysowanie i działanie ł i chemikaliów Szerokie możliwości projektowania elementów meblowych z płyt MDF wykończonych jednorodną powłoką lakierową (np. zaokrąglone i profilowane krawędzie, różnorodne profile i grawerowania powierzchni, organiczne kształty) WADY Powstawanie pęknięć ć powłok na krawędziach elementów lakierowanych proszkowo Wymóg zachowania reżimów technologicznych, z którymi są związane kosztowne działania w zakresie bieżących pomiarów i monitoringu parametrów procesu lakierowania Trudności z zapewnieniem równomierności rozkładu natężenia napromieniowania UV i energii tego promieniowania, i i a co za tym idzie podobnej szybkości utwardzania farby proszkowej upłynnionej na różnych powierzchniach malowanej płyty Problemy z efektywnością utwardzania farb proszkowych UV o intensywnych odcieniach żółci i żółto-zielonych

24 Technologia lakierowania wyrobami UV Ze względu na zawartość części stałych oraz rodzaj rozpuszczalnika/rozcieńczalnikań stosowanego w wyrobie lakierowym wyróżniamy następujące typy produktów utwardzanych UV: Wyroby typu high solids zawierające % m/m cz. stałych zawierające monomery akrylowe tzn. rozcieńczalniki organiczne - aplikowane za pomocą walców lakierniczych Wyroby typu high solids bezmonomerowe -100%m/mcz.stałych - aplikowane za pomocą walców lakierniczych Wyroby wodorozcieńczalne zawierające % m/m cz. stałych - aplikowane przy użyciu technik natryskowych Bejce UV Wyroby modyfikowane dodatkami wpostaci nanocząstek powłoki antybakteryjne i antystatyczne

25 Technologia UV uszlachetniane podłoża Płyty drewnopochodne (MDF, HDF) Płyty klejone z drewna litego Okleiny naturalne Drewno lite

26 Składniki wyrobów lakierowych UV Wyroby typu high solids Wyroby wodorozcieńczalne Spoiwa: akrylowane oligomery jako substancje powłokotwórczeł Monomery akrylowe jedno- i wielofunkcyjne Fotoinicjatory Środki pomocnicze (pigmenty, wypełniacze, środki matujące, środki odpieniające i zwilżające oraz inne) Spoiwa: oligomery wodorozcieńczalne (np. akrylowane oligomery poliestrowe lub epoksydowe, modyfikowane oligomery poliuretanowe) e) Fotoinicjatory (w postaci ciekłej) albo specjalne inicjatory rozpuszczalne w wodzie Środki pomocnicze (pigmenty, środki matujące, wypełniacze)

27 Podstawowe funkcje składników w wyrobach UV Składnik wyrobu lakierowego UV Podstawowe funkcje składnika Przykłady Akrylowane oligomery Substancje powłokotwórcze, których skład pozwala wpływać na akrylowane oligomery epoksydowe, właściwości mechaniczne i odporność chemiczną utwardzonej powłoki np. jej twardość, elastyczność lub odporność na rozpuszczalniki akrylowane poliestry, akrylowane oligomery uretanowe (izocyjaniany alifatyczne lub aromatyczne) Monomery akrylowe jednofunkcyjne Monomery akrylowe wielofunkcyjne Fotoinicjatory I typu Dobre rozcieńczalniki, stosunkowo łatwo obniżają lepkość wyrobu; podwyższają elastyczność uzyskiwanych y powłok; obniżają reaktywność kompozycji lakierowej Gorsze rozcieńczalniki, powodują zwiększenie reaktywności kompozycji lakierowej; podwyższają stopień usieciowania substancji powłokotwórczej; Inicjują chemiczne sieciowanie substancji powłokotwórczych pod wpływem promieniowania UV poprzez: absorpcję tego promieniowania i wytworzenie wolnych rodników albo kationów; stosowane do głębokiego utwardzania powłok promieniowaniem UV akrylan oktylu/decylu, akrylan 2-(2-etoksyetoksy) y) etylu diakrylan heksanodiolu 1,6 (HDDA), triakrylan trimetylolopropanu (TMPTA), triakrylan pentaerytrytu (PETA) benzoina i jej pochodne, dimetylowy ketal benzilu, pochodne dialkoksyacetofenonu, α-hydroksyalkilofenony, tlenki bisacylofosfinowe, organiczne diselenki Fotoinicjatory II typu Tzw. fotouczulacze; ten typ fotoinicjatorów wykorzystuje się do powierzchniowego utwardzania powłok przy użyciu promieniowania UV benzofenon i jego pochodne oraz pochodne tioksantonu Wypełniacze Są przezroczyste dla promieniowania UV; ich zadaniem jest nadanie utwardzonej powłoce określonych właściwości np. dobrej szlifowalności albo korzystnej odporności na zarysowanie: polega na obniżeniu ceny produktu lakierniczego specjalnie modyfikowane rodzaje pirogenicznych krzemionek Środki matujące Obniżają połysk powłok, ale równocześnie mogą poprawiać specjalne rodzaje krzemionek lub niektóre ich właściwości powierzchniowe, jak odporność na woski matujące i woski reaktywne zarysowanie, poślizg lub przylepność

28 Aplikacja wyrobów lakierowych UV Wyroby lakierowe UV w zależności od udziału części stałych oraz geometrii tii powierzchni i lakierowanych są nanoszone przy użyciu: Walców lakierniczych poziomych Walców lakierniczych pionowych po o Vacuum coater przelotowy Vacuum coater szczelinowy Automatycznych pistoletów natryskowych Ręcznych pistoletów natryskowych

29 Utwardzanie wyrobów lakierowych UV promienniki rtęciowe niskociśnieniowe, moc - poniżej 40 W/cm promienniki rtęciowe średniociśnieniowe, moc - od 40 do 240 W/cm promienniki iki rtęciowe dopowane -mogą zawierać halogenki galu, indu, żelaza lub ołowiu, zakresy widma emisyjnego UV-A ( nm) lub UV-V ( nm) pulsacyjne promienniki ksenonowe promienniki bezelektrodowe zasilane mikrofalowo, moc - 120, 200 i 300 W/cm promienniki UV-LED - emisja promieniowania UV o długości fali z wąskiego przedziału wartości; moc - około 140 W/cm; emisja bardzo niewielkich ilości energii cieplnej, przyjazność dla środowiska (brak emisji ozonu oraz obecności metali ciężkich) [Źródło:

30 Zalety i wady technologii ZALETY Mała powierzchnia produkcyjna w stosunku do wydajności linii lakierniczej (zwiększona produktywność) Relatywnie niski koszt wykończenia 1 m 2 powierzchni Obniżone koszty lub brak kosztów odzysku rozpuszczalników organicznych Śladowa lub całkowicie wyeliminowana emisja VOC Niskie zużycie energii Krótki czas utwardzania powłok Możliwość uszlachetniania powierzchni materiałów termicznie wrażliwych Jakość uzyskiwanych powłok malarskich Łatwość regulowania właściwościami wytworzonej powłoki lakierowej poprzez zmiany w recepturze wyrobu Technologia stosowana łącznie z innymi systemami lakierniczymi (np. typowymi wyrobami wodorozcieńczalnymi) WADY Koszty inwestycyjne związane z przemysłowym wdrażaniem technologii Wyższy koszt wyrobów utwardzanych UV w stosunku do niektórych innych produktów lakierniczych Problemy z obniżaniem połysku powłok Wysoka lepkość oligomerów stosowanych jako substancje powłokotwórcze Drażniące działania na oczy i skórę niektórych składników wyrobów lakierowych Generuje odpady niebezpieczne Wymóg kontroli bieżących parametrów procesu utwardzania (pomiary radiometryczne)

31 INSTYTUT TECHNOLOGII DREWNA - WOOD TECHNOLOGY INSTITUTE POZNAŃ POLAND Dziękuję Państwu za uwagę!

32 Dyskusja P y t a n i a