¿Qué monómeros y resinas acrílicas se utilizan en los recubrimientos metálicos UV?
La aplicación de recubrimientos UV para metales (DTM) requiere resinas con un equilibrio adecuado entre elasticidad y resistencia para garantizar que los artículos puedan soportar condiciones exigentes que requieren capacidad de conformado post-proceso, incluyendo arañazos y abrasión.
Además, la capa final debe ser adecuada para diversos tipos de metales que pueden presentar contaminación superficial que dificulte la adhesión.
Presentación
Este trabajo investigará los resultados del rendimiento de monómeros y oligómeros acrílicos cuando se someten a aplicaciones finales típicas, midiendo principalmente la flexibilidad y las características de adhesión del recubrimiento.
Los zwitteriones con propiedades que promueven la adhesión se probarán por separado o en combinación con promotores de adhesión funcionales de monómeros ácidos para determinar el tipo de zwitterión más adecuado para un sustrato específico. También se determinará el nivel adecuado de adición del promotor de adhesión para obtener los mejores resultados de rendimiento. Además, se explorará la resistencia a la humedad en relación con el tipo de oligómero.
Otro avance significativo en la industria del envasado es la eliminación del bisfenol A (BPA) de los recubrimientos utilizados en envases alimentarios. Las ventajas de rendimiento de los oligómeros de poliéster acrilato frente al BPA epoxi acrilato son extraordinarias. Todas las formulaciones utilizadas en este estudio son prácticamente libres de BPA.
Experimentos
Para los recubrimientos curables por radiación para metales, se requieren criterios habituales de resistencia al rayado y a la abrasión. Sin embargo, esta tarea es desafiante, ya que estos recubrimientos deben aplicarse a diversos sustratos metálicos con propiedades superficiales diferentes que pueden afectar a la adhesión. Además, si estos recubrimientos se utilizan para latas y envases rígidos, no solo se requiere adherencia, sino también un grado de flexibilidad para soportar los procesos rigurosos que implican la fabricación de envases metálicos acabados. La resistencia al calor y a la humedad también son factores importantes cuando se consideran los procesos de destilación asociados al envasado de alimentos o si las tuberías recubiertas se van a utilizar en exteriores.
Para cumplir con estos requisitos exigentes, se han desarrollado dos tipos de productos. El primero es una serie de monómeros de éster fosfato, que se utilizan como aditivos. Estos varían en grupos funcionales, desde mono hasta trifuncionales, y tienen diferentes valores de acidez. A efectos de la discusión, se describen como monómeros funcionales ácidos o AFM.
El segundo grupo se describe mejor como zwitteriones acrílicos funcionales de alto peso molecular que contienen promotores de adhesión que reaccionan con la cadena principal. Los oligómeros son bifuncionales y, para una adhesión óptima, la composición final debe ser del 30-50 %. Para facilitar la discusión, se recomienda denominar a este componente «oligómero promotor de adhesión» o APO. La lista de componentes se proporciona en la Figura 1.
Condiciones de aplicación y curado
Las condiciones elegidas aquí representan las que se utilizan habitualmente en la industria de la decoración de metales. El espesor ideal de la película debe mantenerse al mínimo coste, pero al mismo tiempo ser lo suficientemente grueso como para no comprometer el rendimiento. Esto se consigue con los espesores nominales de película que se indican a continuación. Además, las condiciones de curado indicadas son bastante comunes para estas aplicaciones, ya que la aplicación de capas transparentes finas no requiere fuentes de luz especiales. También se indica el tipo de radiómetro y los resultados obtenidos para evitar cualquier variación en las condiciones que pudiera afectar a las propiedades de la película, garantizando así la uniformidad de los resultados de las pruebas de uso final. La figura 2 muestra las condiciones de curado de la aplicación.
Opciones de formulación sin bisfenol A
El bisfenol A (BPA) es una materia prima importante que se utiliza principalmente en la fabricación de resinas epoxi. Gracias a su excelente resistencia, adhesión, moldeabilidad y propiedades químicas, los acrilatos epoxi de BPA han sido un oligómero importante para la industria de los recubrimientos durante muchos años. Un estudio reciente realizado por el Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental expresó su preocupación por los efectos a largo plazo de la exposición al BPA en la salud. Como resultado, los fabricantes y formuladores de envases para alimentos están pasando a utilizar sistemas sin BPA. Los oligómeros que cumplen los criterios de ausencia de BPA son los acrilatos de poliéster (PEA). La tabla siguiente ofrece una comparación de las propiedades físicas de los PEA y los epoxis, y destaca las ventajas de utilizar alternativas sin BPA.
Además de no contener BPA, los PEA presentan las siguientes ventajas.
1) Curado más rápido, cuatrifuncional en comparación con bifuncional.
2) Manejo más fácil debido a la viscosidad significativamente menor de los PEA.
3) Mayor libertad en la formulación, ya que se pueden utilizar más PEA en la formulación final sin afectar negativamente a la viscosidad.
4) Los PEA son tan resistentes y flexibles como las resinas epoxi.
Los PEA tienen mejor resistencia al amarilleamiento que los oligómeros basados en BPA.
La formulación utilizada para este estudio
Como se ha demostrado anteriormente con evidentes ventajas, se eligió el PEA como componente principal de esta formulación. Los monómeros seleccionados para este estudio incluyen diacrilato de tripropilenglicol (TPGDA), diacrilato de dipropilenglicol (DPGDA) y triacrilato de 3-etoxitrimetilpropano (3EO-TMPTA). El TPGDA es un monómero de baja volatilidad y baja viscosidad que se utiliza ampliamente en la polimerización por radicales libres por razones de coste. El DPGDA es también un sustituto económico del diacrilato de hexanodiol (HDDA) como monómero reactivo. Tiene buenas propiedades reductoras de la viscosidad, es más fácil de usar y tiene un índice de irritación principal (PII) de 2, frente al 5 del HDDA. El TMPTA etoxilado también se seleccionó por su baja irritación cutánea, pero ofrece la ventaja añadida de una mayor reticulación y un mejor curado superficial. El fotoiniciador utilizado para estas formulaciones fue alfa-hidroxifenil cetona polimerizada mezclada con 2-hidroxi-2-metil-1-fenil-1 acetona. Se utilizan tensioactivos para garantizar la correcta humectación del sustrato. La viscosidad de la formulación base es de 300 cps a 25 °C.
Sustratos utilizados y ensayos de uso final
Todos los paneles metálicos utilizados para los ensayos proceden de QPanel. Antes del recubrimiento, los paneles se limpian con un disolvente (MEK) para eliminar la contaminación superficial. Los sustratos utilizados habitualmente para los ensayos incluyen aluminio (Alum), acero estañado (TPS) y acero laminado en frío (CRS). Los ensayos realizados sobre la película curada son los siguientes. Se elige la adhesión cruzada porque está relacionada con la afinidad de un recubrimiento determinado con el sustrato. El impacto inverso es interesante porque no está relacionado con la adhesión del recubrimiento, sino con la flexibilidad del mismo y proporciona una indicación de la capacidad de conformado. La resistencia al MEK proporciona una indicación rápida del grado de curado del recubrimiento. A continuación se indican las referencias de los números ASTM.
1) Adhesión cruzada: ASTM D 3359
2) Resistencia al impacto inverso: ASTM D 2794
3) Resistencia a los disolventes: ASTM D 5402
Descripción de los monómeros funcionales ácidos (AFM)
Como familia, estos productos pueden describirse como ésteres ácidos. El CD9050 (ahora SR9050) es un monómero tackificante de función única que proporciona una excelente adhesión sobre sustratos metálicos. El CD9051 (SR9051) y el CD9053 (SR9053) son versiones trifuncionales del CD9050. Proporcionan la misma adhesión. Sin embargo, al ser trifuncionales, ofrecen una respuesta de curado más rápida y una mayor dureza. Estos productos no se recomiendan para su uso en ácidos grasos que contengan aminas terciarias debido a sus altos valores de acidez. El nivel de uso recomendado es del 3 % al 7 %. Los valores de acidez oscilan entre 120 y 195 mg KOH/g. La siguiente tabla ilustra las propiedades físicas de los monómeros.
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