Effect of exposure conditions on UV-curable coatings films performance

Abstract

The ultraviolet-radiation (UV) curing represents a growing technology where the conversion of a radiation sensitive polymeric system from a liquid to a solid (upon curing) is achieved when the system is exposed to UV radiation. Instantaneous cure, even at room temperature, low energy consumption, films with great mechanical and chemical resistance, together with low volatile organic compounds (VOC) emissions, are examples of the type of questions that raised the interest on UV curing technology in the last years, trying to extend its application to demanding new markets, such as the automotive one. UV curing technology should be thought as a complex system, based on three structural elements, which are integrally related: the part to be coated, the formulation of the UVcurable system, and the exposure conditions (which are defined by the UV reactor performance, the part geometry and the cure atmosphere). This work was devoted to understanding the correlation between the exposure conditions and the formulation of UV-curable coatings, on coating films performance. For this sake, a methodology was proposed to evaluate the performance of UV reactors based on the response surface methodology (RSM), being the same applied and validated for an industrial UV reactor. Based on the regression models developed, the UV reactor was configured to cure two coatings, one transparent and one black, with a high gloss finish, with two conditions of energy density (500mJcm-2 and 2000mJcm-2) and in two cure atmospheres (inert and non-inert). The effect of the exposure conditions was evaluated through the gel content of the films and through coating films properties like colour, adhesion, scratch resistance, hardness and reduced modulus. The coated samples were further aged and characterized. The performance of coatings improved when UV-curable coatings were cured with high energy density and with inert atmosphere, showing higher hardness, reduced modulus and abrasion resistance. However, under these curing conditions the coating films also showed a greater tendency to yellowing and darken. Curing in inert atmosphere and with lower energy density allowed to minimize these secondary effects, and to optimize the overall performance of the coating films.

A cura por radiação ultravioleta (UV) representa uma tecnologia em crescimento, onde a conversão de um sistema polimérico fotossensível do estado líquido ao sólido, é alcançada quando este é exposto à radiação ultravioleta. A cura instantânea, mesmo à temperatura ambiente, o baixo consumo de energia, a grande resistência mecânica e química dos filmes, juntamente com as baixas emissões de compostos orgânicos voláteis (VOC), são exemplos do tipo de questões que fomentaram o interesse na tecnologia UV nos últimos anos, para a sua aplicação em novos mercados, como o automóvel. A tecnologia de cura por UV deve ser pensada como um sistema complexo, baseado em três pilares estruturais, que estão integralmente relacionados: a peça a revestir, a formulação da tinta e as condições de exposição (que são definidas pelo desempenho do reator UV, a geometria da peça e a atmosfera de cura). Este trabalho focou-se no estudo da correlação entre as condições de exposição, a formulação das tintas curáveis por UV e o desempenho do revestimento. Para isso foi proposta uma metodologia para avaliar o desempenho dos reatores UV baseada na metodologia de superfície de resposta (RSM), tendo a mesma sido aplicada e validada num reator UV industrial. Com base nos modelos de regressão desenvolvidos, o reator UV foi configurado para curar duas tintas, uma transparente e outra preta, com acabamento alto brilho, sob duas condições de densidade energia (500mJcm-2 e 2000mJcm-2) e sob duas atmosferas de cura (inerte e não inerte). O efeito das condições de exposição foi avaliado através do teor de gel dos revestimentos e o desempenho destes através de propriedades como a cor, a adesão, a resistência ao risco, a dureza e o módulo reduzido. As amostras pintadas foram ainda envelhecidas e caracterizadas. O desempenho dos revestimentos melhorou quando as tintas UV foram curadas sob elevada densidade de energia e sob atmosfera inerte, apresentando maior dureza, módulo reduzido e resistência à abrasão. No entanto, sob estas condições de cura os revestimentos apresentaram maior tendência a amarelecer e a escurecer. Curar sob atmosfera inerte e com menor densidade de energia permitiu minimizar estes efeitos secundários e otimizar globalmente o desempenho do revestimento.