Barnices UV al agua
Por Angel Lanchas Hervalejo
Introducción
Históricamente la desventaja principal de los sistemas convencionales curables por radiación comparados con sistemas curables de radiación al agua, es la necesidad de la retirada de agua como un paso previo al endurecimiento.
Los tiempos de curado totales son más largos con las formulaciones en base agua, debido al proceso de desalojo de agua que es esencial antes del curado UV.
Una desventaja que tienen estos materiales es que el agua tiene un alto poder latente de evaporación, por lo tanto requieren de una entrada de energía alta que facilite la sequedad, mientras que con una humedad relativa alta, la sequedad es muy lenta.
La incorporación de un sistema de proyección de aire seco facilita la acción de salida del agua en estos barnices.
Esta incorporación de aire deshumidificado puede reducir un 80% los tiempos con relación a los sistemas convencionales de secado por aire caliente sin deshumidificar.
Esta tecnología puede combinarse con los secaderos de alta velocidad de secado UV.
Esta tecnología puede abrir las puertas para una productividad más alta en procesos industriales como el acabado de madera, plásticos, y la impresión, empleando sistemas basados en barnices al agua curables por UV.
Las dispersiones acuosas forman la película por un proceso de fusión, en el que obligan a las partículas de polímero individuales junto con el agua a separarse en el proceso de la sequedad.
Para las formulaciones convencionales, el sistema de proyección de aire seco puede completar la sequedad de la película de barniz en un tiempo menor, pero en las formulaciones acuosas curables de radiación, este sistema, vence la barrera principal de la fase de retirada lenta de agua.
Barnices acuosos de secado UV.
La radiación UV como endurecimiento de las formulaciones en fase acuosa ha sido empleada desde hace unos 10 años. Sin embargo, sólo recientemente ha dado signos verdaderos de aceptación de mercado para tales usos, como son las tintas de impresión, la flexografía, y los barnices para la madera.
Las tecnologías más importantes que hay en el mercado como sistemas UV en base agua son dos:
- Sistemas basados en dispersiones acrílicas de doble curado
- Sistemas de poliuretano en base agua
Las dispersiones acrílicas puras tienen una temperatura de formación de film cercana a 0º C, por lo que no necesitan agentes coalescentes. Durante el endurecimiento se producen 2 reacciones de reticulación, una previa al endurecimiento por los rayos ultravioleta y otra debajo de las lámparas cuando reciben la radiación debajo del túnel.
Los sistemas de poliuretano UV al agua están creciendo y teniendo una gran expectación en los últimos años. Están basados en la química del poliuretano y sus materias primas están en el poliéster acrilato, epoxi acrilato y uretano acrilato.
Los fundamentos de Secado de los barnices UV al agua:
Para entender los diferentes métodos de secar los barnices al agua, es necesario repasar la química sobre como el agua es eliminada de la película. El agua en el film es eliminada de por evaporación. El agua debajo de la superficie emigra a la superficie a una velocidad basada en la teoría de difusión de la capa. Este proceso sigue mientras toda el agua se haya elevado a la superficie y sea evaporada.
El tiempo en el que el agua es evaporada esta basada en la cantidad de agua que debe ser secada (esto es, el espesor de capa y el % de agua del barniz ) y la velocidad de evaporación. La velocidad de evaporación depende de la diferencia de presión de vapor entre el agua en la capa de aire difundida sobre la superficie de la pieza.
La diferencia de presión de vapor puede ser aumentada por:
- Disminución de la humedad del aire circulante.
- Aumento de la temperatura del aire circulante.
- Aumento de la temperatura de la película.
- Aumento de la velocidad de aire a través de la superficie de sustrato.
A continuación explicaremos como el método de inyección de aire caliente seco permite secar más rápidamente:
Los barnices al agua se secan mejor bajando la humedad relativa del ambiente próximo a la zona de evaporación de la película y el mantenimiento de una velocidad alta a través de la superficie de sustrato.
La bajada de la humedad relativa aumenta la velocidad de evaporación por aumentar el cálculo diferencial de la presión de vapor. Además, porque la temperatura de la parte superior y el aire circulante es igual. Esto permite que esta variable pueda ser eliminada del proceso de evaporación, permitiendo un mejor control de la velocidad de salida del agua y así, los fabricantes pueden formular sus barnices para un proceso de secado más controlado.
Los sistemas de proyección de aire seco deshumidificado, emplean el poder de esta circulación de aire forzada para crear un ambiente de humedad controlada y limpio. El aire difundido es controlado en un punto determinado dado para airear la temperatura y la humedad. Este punto puede ser ajustado según los datos específicos de fabricante de barniz para el secado de sus formulaciones particulares.
Además del control de la humedad relativa y de la temperaturas, es necesario mantener unas constantes de velocidad del aire, este debe circular a unas velocidades de entre 3 y 12 metros por segundo a través de la película ( datos estos que se deberían corroborar con la formulación ), esto permitirá en proporción reducir el tiempo de secado previo a la fase de endurecimiento con las lámparas UV.
Los sistemas de proyección de aire caliente seco deben estar controlados para que puedan alcanzar en el menor tiempo posible la película de barniz. Por otra parte deberían poder tener el sistema de ahorro de energía para aprovechar las calorías residuales del aire húmedo caliente de la salida del secadero.
Para la mayor parte de las películas de barniz, la velocidad del aire no debería exceder de los metros por minuto necesarios para no poner en peligro los problemas de corrimiento o movimiento de la película superficial del film. Y por otra parte, la humedad relativa del aire proyectado no debería estar por debajo del 20 %.
Si el nivel de humedad que se consigue es inferior al 30% se producirá un aumento de energía a suministrar al sistema, con la consecuente perdi
da de rendimiento.
El elemento importante en el buen secado de barnices al agua UV es la calidad de la filtración del aire. Es necesario emplear unos filtros que permitan eliminar particulas de hasta 0,3 micras. Este concepto de espacio reducido similar a una sala limpia protege el espacio de trabajo de posibles suciedades o acumulaciones de polvo que pueden depositarse en la pieza.
Sistemas de aporte de calor al aire:
Horno de aire caliente (Convección ):
En un horno de calor por convección, casi todo el calor requerido para evaporar el agua se aprovecha, secando la superficie de la capa de película en caliente. Este sistema permite equilibrar las tensiones de vapor y por consiguiente poder programar las velocidades de evaporación del agua.
Horno Infrarrojo IR (Conducción ):
Un horno de secado infrarrojo secará la película de barniz al agua vía calefacción del sustrato y aumentando la temperatura de la película. Este aumento de la temperatura de la película, aumentará la presión de vapor y variará el cálculo diferencial de las tensiones de vapor, aumentando por consiguiente la velocidad de evaporación.
Para poder instalar este tipo de lámparas en los secaderos de barnices al agua UV se debería analizar el tipo de lámpara a emplear para que no se produzcan sobrecalentamientos excesivos en la película.
Diseño de un secadero de curado de barnices UV al agua
Con el Sistema de secado, tendrá que ser posible cumplir con la Directriz Europea de Medio Ambiente relativa a la emisión de Disolventes a la atmósfera.
Deberá ser un sistema fácil de instalar y manejar, económico y con mecanismos de ahorro de energía superiores a los hornos de gas y eléctricos
El Sistema funciona empleando la circulación de aire forzada creando un ambiente estable de humedad controlada. El sistema difunde primero el aire por filtros graduales para eliminar el 95 % de todas las partículas aerotransportadas. Después, este aire pasa por un absorbente de carbón activo para reducir los VOC’s a niveles permitidos.
Finalmente, el aire pasa por una unidad de deshumidificación que elimina el agua y calienta de nuevo el aire a la temperatura ambiente. El aire limpio y seco es pasado a contracorriente con la pieza de barniz a eliminar el agua, donde actua como una esponja y saca o retiene el agua de la película de barniz.
Esta tecnología incorporada a instalaciones de sacado UV de barnices al agua, está teniendo mucha aceptación debido al acortamiento de tiempos en la fase de espera previa al endurecimiento por las lámparas.
Las ventajas de este sistema compaginado con los barnices al agua UV son estas:
- Permite reducir los tiempos de secado
- Permite reducir la viscosidad incorporando más agua.
- Permite trabajar en sistemas aerograficos sin riesgos.
- Disminuye la toxicología de los materiales.
- Elimina falsas adherencias por problemas de curado UV
- Limpieza fácil del equipo.
- Reduce la inflamabilidad.
- Reduce los VOC´s.
El exceso de calor:
Las temperaturas de exceso cuando se endurecen sistemas UV, pueden causar la evaporación de algunos componentes volátiles. Un aumento de calor puede afectar negativamente todo el proceso de fotocurado. El calor juega un papel negativo en el secado de las películas de barniz sobre la madera, sobre todo cuando la madera es de pino. Una temperatura en exceso puede hace exudar la resina de los nudos provocando un problema de adherencia.
Un exceso de calor puede provocar burbujas en la superficie de la película sobre la madera y ocasionar despegues en los bordes de los cantos por un recalentamiento.
Conclusiones:
Como se ha indicado anteriormente y en repetidas ocasiones la necesidad de quitar el agua en las películas de barniz al agua en sistemas fotocurables es de vital importancia.
La industria que emplea estos sistemas tiene que darse cuenta y ser consciente del potencial de estos sistemas rápidos de deshumidificación con aire seco. Estos sistemas proporcionan en parte la solución a estas formulaciones acuosas
Estos sistemas pueden ahorrar entre un 60 y un 90 % de gastos de energía comparados con otros convencionales sin aprovechamiento de recirculación del aire húmedo caliente.
Bibliografía
Industrias OMAR
Industrias Quimicas Kupsa
Wessco
