Waterborne UV coatings - The complexity of UV curing

Abstract (Swedish)

Inom lackindustrin har LED-lampor (från engelskans ”light emitting diode”), utvecklats som ett miljövänligt alternativ till de konventionellt använda kvicksilverlamporna. De konventionella lamporna avger breda spektra av UV-ljus och kan därför härda lacker med ett flertal olika fotoinitiatorer. Jämfört med de konventionella avger LED-lampor mindre energi och de avger endast UV-ljus vid enskilda våglängder. Därför måste fotoinitiatorerna som används effektivt absorbera vid de enskilda våglängderna som LED-lampan avger, vilket begränsar antalet användbara fotoinitiatorer.
Detta projekt hade två mål där det första målet var att utvärdera olika fotoinitiatorer för användning i en UV-härdad polyuretandispersion (UV-PUD) som härdats av antingen LED- eller kvicksilverlampa. Då UV-PUD:en är en dispersion måste fotoinitiatorerna även vara möjliga att dispergera i vattenbaserade system. För att bedöma fotoinitiatorernas kompatibilitet med det vattenbaserade systemet och den valda härdningsmetoden utvärderades flera egenskaper hos de slutgiltiga lackerna. Härdningsgraden mättes med FTIR-ATR (från engelskans ”fourier-transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance”), lackens gulning mättes med en spektrofotometer och lackens kemikalieresistensen testades genom exponering av kaffe och alkohol.
Flera av de studerade fotoinitiatorerna gav lacker med tillräcklig härdning och hög kemisk resistans när de härdas med konventionell kvicksilverlampan. När lackerna härdades med LED gav däremot ingen av de utvärderade fotoinitiatorerna de önskade egenskaperna. En möjlig förklaring till detta kan vara en dålig passning mellan LED-lampans avgivna våglängder och de våglängder som de utvärderade fotoinitiatorerna absorberade.
Projektets andra mål var att bedöma hur tillsatsen av ljusstabilisatorer (LS) påverkar UV-PUD-lacker. LS:er är tillsatser som skyddar lacker emot nedbrytning av UV-ljus. I detta projekt användes två sorter, HALS (från engelskans ”hindered amine light stabilizer”) och UV-absorptionsmedel (UVA). LS:er påverkar absorptionen av UV-ljus och kan därmed konkurrera med fotoinitiatorernas absorbering och initiering. Därför kan tillsatsen av LSer minska härdningen av lacken och påverka dess slutgiltiga egenskaper. För att utvärdera hur lacker påverkades av detta studerades ändringen i härdning och gulning före och efter accelererad solljus-exponering i en väderkammare. Resultaten visade en minskning av gulning och härdning vid tillsats av LS samt tecken på en synergistisk effekt mellan HALS och UVA.

Abstract

Light emitting diodes (LEDs) are an environmentally friendly alternative to the conventional medium pressure mercury (MPMs) lamps used in the coating industry. However, LEDs emit at defined wavelengths and have a lower energy output than the MPM lamps. Therefore, the used photoinitiators (PIs) must absorb the defined wavelengths of the LED efficiently. The first aim of this project was to evaluate PIs for use in a UV-curable polyurethane dispersion (UV-PUD) cured by either LED or a conventional MPM. This means the used PIs must be dispersible in waterborne (WB) systems. To assess the properties of the coatings, and thereby the PIs compatibility to the WB system and the used UV lamp, Fourier-transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance (FTIR-ATR) was used for determining cure. Evaluation of yellowing of the coating was done by a spectrophotometer. The chemical resistance of the coating was tested by exposure to coffee and alcohol.
Several of the assessed PIs could produce coatings with sufficient cure and high chemical resistance when cured by conventional oven and could therefore be recommend for further development. When cured by LED, none of the evaluated PIs provided coatings with the desired properties, possibly due to the mismatched emission and absorption wavelengths.
The second aim of this project was to assess the effect of the addition of Light Stabilizers (LS) on UV-PUD coatings. LS such as hindered amine light stabilizers (HALS) and UV-absorbers (UVA), are additives that protects against photodegradation. LS affect the absorption of UV-light and may compete with the absorption of the PI and thereby hinder the initiation and crosslinking process of the coating.
Using a weathering chamber, the samples were subjected to accelerated sunlight exposure (ASE) to evaluate how yellowing and curing of coatings were affected by the addition of LS. Results show a decrease in yellowing and curing upon addition of LS as well as evidence of a synergistic effect between the HALS and UVA.

Popular Abstract (Swedish)

Att vi behöver gå mot ett mer hållbart samhälle blir allt tydligare. Användningen av fossila bränslen och överkonsumtionen av kläder och elektronik börjar märkas. Inte minst genom årets alla bränder, men även genom klimatförändringar där extremväder blir allt vanligare. Konsumenter och politiker har börjat ställa krav på kemiföretag för att dessa ska minska sin klimatpåverkan. Inom färg- och lackindustrin har skiftningar mot miljövänligare alternativ pågått ett tag, men är långt ifrån klara. Ett exempel på detta är utvecklingen av vattenbaserade, UV-ljus härdande lacker som används i industriell målning. Dessa lacker härdas, alltså torkar på kemisk väg, med hjälp av UV-ljus och har utvecklats som ett alternativ till oljebaserade härdande lacker. Användningen av vattenbaserade lacker bidrar till en minskning av användning och utsläpp av skadliga och miljöfarliga kemikalier så som lösningsmedel.
Ytterligare ett sätt för färg och lackindustrin att minska sin klimatpåverkan är att utveckla system som kräver mindre energi vid applicering. Dagens industrier har jättelika ugnar och lampor för att härda sina lacker. Ett miljövänligt alternativ i denna processen är LED-lampor som används för att ge det UV-ljus som behövs för att härda lackerna. Redan idag används LED-lampor till mindre applikationer av till exempel nagellack eller inom tandvård. Inom industriell applicering av färg- och lack används istället LED-lamporna som ett energieffektivare alternativ till de vanliga kvicksilverlamporna som används idag. Att kombinera LED och vattenbaserad lack är inte etablerat i industrin ännu. Detta på grund av de speciella krav kombinationen sätter på kemikalierna i lacken, vilket gör det svårt att anpassa lackerna till LED. Dessa krav innebär bland annat att fotoinitiator, alltså själva molekylen som startar härdningen, har ljusupptag som matchar med LEDs avgivna ljus. Vattenbaserade lacker kräver dessutom att vattenlösliga kemikalier används. Fotoinitiatorn måste därför fungera med LED och vara vattenlöslig.
Ett annat sätt att minska miljöpåverkan är genom att öka lackens hållbarhet. Detta kan leda till mindre konsumtion och på så sätt göra produkten miljövänligare. Hållbarheten hos en lack kan ökas på flera sätt, bland annat genom att förhindra slitage och färgförändringar. Den vanligaste färgförändringen är gulning av lacken eller träet, som bland annat orsakas av solens strålar. Du har antagligen sett exempel på gulning i din eller bekantas bostad. Det kan till exempel synas på föremål som stått i fönster länge eller på trägolv där man flyttat på möbler som stått på samma plats länge. Då har golvet en helt annan kulör där möbeln stått. För att förhindra gulning kan speciella ämnen, så kallade ljusstabilisatorer, tillsättas till lacker. Dessa fungerar som en solkräm för lacken och skyddar mot solens skadliga ljus. Men att tillsätta ljusstabilisatorer kan också påverka härdningen av lacken. Vilken kan ge lacken sämre hållbarhet mot skav eller avskrap.
I detta projekt hittades inga tillräckligt bra lösningar för härdning med LED. När de vattenbaserade lackerna härdades med den vanliga kvicksilverlampan hade de bra egenskaper. Men när de härdades med LED hade ingen av lackerna alla de efterfrågade egenskaperna. Att tillsätta ljusstabilisatorer till lackerna var däremot effektiv, det minskade gulningen. Dessvärre påverkade ljusstabilisatorerna även härdningen.
Detta projekt utforskade alltså möjligheten att härda vattenbaserade lacker med hjälp av LED. Dessutom undersöktes också om ljusstabilisatorer minskade gulningen av lacken. Tyvärr så hittades ingen bra fotoinitiator som var både vattenlöslig och fungerade i LED. Däremot kan de prövade fotoinitiatorerna uteslutas från att användas och på så sätt underlätta framtida undersökningar. Att tillsätta ljusstabilisatorer till lacker gav däremot lovande resultat och om deras negativa påverkan på härdningen kan minskas eller förhindras kan de hjälpa till att skydda framtiden lacker mot gulning.
Utvecklingen av miljövänligare lacker och tillverkningsmetoder går dock vidare. Det utvecklas ständigt nya LED som kan avge mer anpassat ljus med mer energi. Dessutom upptäcks det nya fotoinitiatorer som kan vara både effektivare och bättre anpassade för användning i LED.
Nyckelord: Fotoinitiator, UV-LED, Vattenbaserad lack, UV-härdning, Ljusstabilisatorer

• author: Hallin, Elsa
• supervisor: Baozhong Zhang
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM15 20181
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry; Technology and Engineering
• keywords: UV-PUD, Light stabilizers, UV-LED, Photoinitiator, Coatings, polymer technology, polymerteknologi
• language: English
• id: 8966213
• date added to LUP: 2019-02-07 09:28:18
• date last changed: 2019-02-07 09:28:18