Kuruma Süresinden Ödün Vermeyen 2K Su Kaynaklı Poliüretan Sistemler
Küresel endüstriyel ahşap kaplama piyasasının yaklaşık %40’ı geleneksel solvent bazlı poliüretan teknolojisine dayanmaktadır.
Su kaynaklı poliüretan sistemler yüksek performanslı ve çevre uyumludur, ancak kendiliğinden daha yavaş kuruması pazarın bu düşük emisyon alternatifine doğru kaymasını sınırlamıştır. Yeni hibrit hidrofilik poliizosiyanat, hızlı kuruyarak ümit verici bir çözüm sunar.
Küresel endüstriyel kaplama pazarının [1] %5’ini temsil eden endüstriyel ahşap kaplama pazarı, aşağıdakilerin birleşiminden dolayı hala 2K solvent kaynaklı (SB) poliüretan teknolojisi [2] tarafından yönetilmektedir.
• Yüksek mekanik ve kimyasal dayanıklılık,
• Eşsiz bir esneklik ve sertlik dengesi,
• Yüksek verimlilik sağlayan çok hızlı kuruma.
Sürdürülebilirlik daha önemli hale geliyor ve bu kaplama uygulamalarında VOC’leri azaltmak için alternatiflere duyulan ihtiyaç artıyor. Su bazlı (WB) çözümler piyasada zaten mevcut, bu sebeple kullanıcıların hızlı kuruyan ancak düşük performanslı (1K poliakrilat (PAC) sistemleri) veya daha yavaş kuruyan (2K WB PU) yüksek performanslı sistemler arasından seçim yapmaları gerekiyor.
Diğer uygulamalardan farklı olarak, SB ahşap kaplamalar genellikle kurumayı hızlandırmak için aromatik veya karışık aromatik/alifatik poliizosiyanat çapraz bağlayıcılara dayanır.
Aromatik poliizosiyanatların neden olduğu sararma, ahşabın sararma eğilimi yüksek (ahşap aromatik poliizosiyanatların neden olduğu sararmadan daha büyük bir oranda) olduğu için, ahşap üzerindeki şeffaf kaplamalar için bir sorun değildir.
Beyaz pigmentli sistemler için, alifatik poliizosiyanatlar (veya aromatik poliizosiyanatlarla karışımlar), gerektiğinde düşük sararma seviyeleri elde etmek için polyollerle kombinasyon halinde kullanılır, ancak bu durumda kuruma daha yavaş gerçekleşir.
Sertleştirici Hızlı Çapraz Bağlantı Geliştirmenin Anahtarıdır
Alifatik hidrofilik olarak değiştirilmiş su ile emülsifiye edilebilir poliizosiyanatlar [3] sulu iki bileşenli poliüretan kaplamaları formüle etmek için kullanılır. Modern WB 2K PU kaplamalar kesinlikle karşılaştırılabilir ve bazen mekanik ve kimyasal direnç açısından solvent bazlı kaplama malzemelerine bile üstün gelir.
Bununla birlikte, gözle görülür şekilde daha yavaş kuruma gerçekleşmesi, bitmiş parçalar kuruyana kadar zımparalanamadığından veya istiflenemediğinden ahşap sektöründe daha çok öne çıkmasını önler.
Sulu hızlı kuruyan poliollerin seçilmesiyle, 2K WB sistemlerinin reaktivitesi geliştirilebilir, ancak 2K SB Pu kaplamaların kuruma hızını yakalamak hala daha mümkün olmamıştır.
Sistemin sertleşme hızını belirleyen sertleştiricidir, bu nedenle su bazlı kaplamalardaki hızlı çapraz bağlayıcıların geliştirilmesinin en zorlu kısmının tamamlanması için sertleştiricilerin iyileştirilmesi gerekmektedir.
2K WB Sistemlerinin Daha Hızlı Kürlenmesi için Yeni HDI-TDI Sertleştiricisi
Doğru monomerleri seçerek ve hidrofilizasyonun miktarını ve tipini optimize ederek, 2K WB PU kaplama sistemleri için çapraz bağlayıcı bir bileşen olarak uygun olan, HDI ve TDI bazlı ilk karışık alifatik-aromatik poliizosiyanatı geliştirebiliriz.
Bu yeni çapraz bağlayıcının mevcut standart sulu bağlayıcılar ile kombinasyon halinde kullanılması, yerleşik su ile emülsifiye edilebilir poliizosiyanatlarla karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha hızlı kurumayı sağlar.
Bu yeni sertleştirici; Bayhydur® quix 306-70, (Tablo 1), yüksek mekanik ve kimyasal direnç, iyi film görünümü ve uzun kap ömrü ile hızlı kuruyan WB 2K PU ahşap kaplamaların formülasyonunu sağlar.
En Az Ödünle Daha Hızlı Kürlenme
Yeni sertleştirici, yeni HDI/TDI trimerlerin faydalarını görmek için farklı sistemlerde test edilmiştir. Özellikler, iki farklı sertleştiriciye (yeni PIC, anyonik olarak hidrofilize edilmiş standart bir HDI trimere karşı (STD PIC)) iki farklı akrilik poliolle birleştirilmiş bir birincil (Prim. PAC) ve bir ikincil (Sec. PAC) bazlı kaplamaların hazırlanmasıyla karşılaştırılmıştır.
Birincil PAC, katı bazında %1,5 OH içeren %40 katı içerikli bir akrilik dispersiyondur, ikincil PAC ise katı bazında %3 OH ve %40 katı içerir. Karşılaştırma için aynı NCO/OH kullanılmıştır.
Standart sertleştiriciyi yeni olan ile değiştirirken son filmlerde karşılaştırılabilir parlaklık ve pus değerleri elde edilir (bkz. Şekil 1). Beklendiği gibi, yeni hibrit sertleştirici içeren kaplamalar, standart alifatik poliizosiyanat kullanılarak hazırlananlardan önemli ölçüde daha hızlı kürlenir.
Sertleştiricilerin reaktivitesi ile bağlantılı T4’te (toplam kuruma) belirgin bir gelişme vardır. Zımpara kuruma süresi, sertleştiricinin aromatik karakterinden neredeyse etkilenmez, çünkü Tl, çapraz bağlayıcının reaktivitesi ile değil, çözücü ve su buharlaşması ile ilgilidir (Şekil 2).
Daha hızlı sertleşme, yeni PIC kullanıldığında sistemin daha hızlı sertlik evriminde de belirgindir (Şekil 3).
Yukarıdaki örneklerde gösterilen daha hızlı kürlenmeye rağmen, yeni PIC’e dayanan formülasyonlar yeterince uzun bir kap ömrüne sahiptir (test edilen formülasyonlar >7 saat sürmüştür). Formülasyona bağlı olarak, kap ömründe bir miktar azalma gözlemlendi, ancak genel olarak kap ömründe büyük bir azalma oluşmadı.
Yeni poliizosiyanat, anyonik hidrofilizasyona dayandığından, beyaz pigmentli kaplamalarda bile çok yüksek kimyasal direnç sağlar. Alifatik/aromatik poliizosiyanat (yeni PIC) bazlı bir kaplamanın kimyasal direnci, standart bir üst uç hidrofilik poliizosiyanatla (STD PIC) elde edilen ile karşılaştırılabilir: yeni sertleştiriciye dayanan sistemin, DIN 68861-1B’yi geçebildiği, yani beyaz renkli pigmentli bir formülasyonda bile 16 saatlik kahve ve 6 saatlik kırmızı şarap testini geçebildiği ortaya çıkmıştır.
Yeni sertleştirici ayrıca bir poliüretan poliol dispersiyonu (OH-PUD) ile birlikte test edildi. Bu poliüretan dispersiyon %38 katıdır ve %3 OH içerir.
Bu poliüretan, çok yüksek nihai sertlik ve çok hızlı kuruma özelliğine sahiptir [6]. Şekil 4, iki poliizosiyanat tipi ile birlikte bu poliüretan poliolün kuruma ve sertlik evrimini göstermektedir. Böyle hızlı bir sistemde bile, yeni HDI/ TDI hidrofilik sertleştirici kullanarak sertleşme süresini %60’a kadar azaltmak mümkündür.
Yeni ürünün bir başka avantajı da mat formülasyonlar için matlaştırmanın daha kolay olmasıdır. Daha hızlı sistemlerin daha az matlaştırıcı madde gerektirdiği iyi bilinmektedir, bu nedenle yeni PIC’in daha hızlı kürlenmesi matlaştırıcı miktarından tasarruf sağlar.
Örnek olarak OH-PUD formülasyonu aynı parlaklık değerlerini elde etmek için %20 daha az TS100’e ihtiyaç duyar (STD PIC’de %1.8, 60°C’de 18 GU parlaklık elde etmek için kullanılırken yeni PIC’de %1.4, 60°C’de 15 GU parlaklık elde etmek için kullanılır).
2K SB Standardına Göre Kuruma Süresi
Genel olarak, sertleştirici içindeki aromatik içeriğin oranının optimize edilmesi ve doğru poliol ile birleştirilmesiyle, su bazlı bir sistem, oldukça düşük VOC seviyelerinde ve sararma davranışında standart 2K SB PU sistemlerine benzer reaktivite elde edebilir.
Tablo 2, iki standart solvent bazlı aromatik sistemi yeni sertleştiriciye dayanan iki formülasyonla karşılaştırmaktadır. Solvent kaynaklı sistemler, aromatik poliizosiyanatlar ile çapraz bağlanmış bir polyester poliole dayanır ve yeni sertleştiriciye dayanan iki 2K WB kaplama ile karşılaştırılır.
Su bazlı formülasyonlar için iki farklı poliol seçtik; bir birincil akrilik poliol ve bir OH fonksiyonel poliüretan dispersiyonu. Tablo, yeni sertleştiriciye dayanan su bazlı kaplamaların standart solvent bazlı sistemleri eşleştirebileceğini hatta geliştirebileceğini ancak daha düşük bir VOC seviyesinde olabileceğini göstermektedir. Poliüretan poliol kullanımı, VOC seviyesini daha da azaltır, çünkü bu ürün bir yardımcı çözücü eklenmeden formüle edilebilir.
Ek bir yarar, yeni hidrofilik sertleştiricinin spesifik aromatik karakterine rağmen (bakınız Şekil 5), ürünün beyaz pigmentli formülasyonlar için uygun olduğu anlamına gelen, ürünün sararma davranışının bir alifatik ürüne daha yakın olmasıdır.
Yeni bir hidrofilik HDI/TDI poliizosiyanat çapraz bağlayıcı, yüksek performanslı 2K WB PU kaplamaların, standart solvent kaynaklı 2K PU sistemleri ile benzer reaktiviteye sahip, ancak daha düşük VOC seviyeleri ve geliştirilmiş sararma davranışı ile formülasyonuna izin verir.
Diğer tüm kaplama özellikleri, mevcut yüksek performanslı standart 2K WB sistemleriyle aynı seviyededir. Bu yeni gelişme, yerleşik 2K solvent kaynaklı teknolojiden daha çevre dostu yüksek performanslı su bazlı çözümlere geçişi kolaylaştıracaktır.
Bir Bakışta Sonuçlar
• Solvent bazlı poliüretan teknolojisi, yüksek performansı ve hızlı kuruması nedeniyle şu anda ahşap kaplama pazarına hakimdir,
• Yeni bir hibrit hidrofilik poliizosiyanat, daha çevre dostu bir alternatif sunar, • Yeni aromatik-alifatik çapraz bağlayıcı, standart solvent bazlı sistemler kadar hızlı ancak daha düşük VOC ile kuruyan yüksek performanslı 2K su bazlı kaplamaların formüle edilmesini mümkün kılar,
• Sararma davranışı, alifatik bir ürünün davranışına yakındır; bu, sistemin beyaz pigmentli formülasyonlar için de uygun olduğu anlamına gelir.
Şekil 2. Camda DIN 53150, 120 g/m2’ye göre farklı 2K WB kaplamaların (ikincil ve birincil akrilik poliol ve iki farklı sertleştiriciye dayanarak) oda sıcaklığında (23°C, %50 RH) kuruma süresi karşılaştırması. Yeni sertleştirici kullanıldığında 2K WB sistemlerinin toplam kuruma zamanı (T4) standart bir sisteme kıyasla yarı yarıya azaltılabilir.
Şekil 3. Her iki sertleştiriciyle birleştirilen farklı poliollere dayanan kaplamaların sertlik gelişimi. Yeni gelişme, homolog HDI tipinden daha hızlı sertlik gelişimi göstermektedir
Şekil 4. OH fonksiyonel PUD ve farklı sertleştiricilere dayalı kaplamaların kuruması ve sertliği. Yeni PIC, homolog HDI tipinden daha hızlı sertlik gelişimi görülür.
Şekil 5. Doğal ışık altında (45°C güney yönünde cam altında) sararmanın yeni sertleştirici ve standart tiplere (alifatik ve aromatik) dayalı kaplamalardan karşılaştırılması
Referanslar
[1]O. Menukhin, Irfab-Marktstudien, Polyurethanlacke, FARBE UND LACK, 04/2018, S. 15
[2]IrfabTM Global Industrial Coatings Markets (GICM), PRA World Ltd (2017)
[3]Meier-Westhues U., Danielmeier K., Kruppa P., Squiller E. P., Polyurethanes: Coatings, Adhesives and Sealants,
2nd Revised Edition Hanover: Vincentz Network 2019, p. 48 – 51
[4]Maria Almatö, Martin Melchiors, Eva Tejada “The solventless solution” European Coatings Journal 07 | 08 l
2010, p.38
