ipcm® n. 2, Vol I, 2010, p. 66 - 77 “Reticulation of Coatings for Coil-Coating in NIR Ovens” “La reticolazione delle vernici per coil-coating in forni NIR” Author: Ezio Pedroni, Salchi Metalcoat Srl
Opening Photo: A coil coating line in Turkey – in the background on the left the entrance to the NIR oven Foto d’Apertura: Una linea di coil coating in Turchia – in basso a sinistra sullo sfondo si nota l’ingresso del nastro metallico nel forno NIR
RETICULATION OF COATINGS FOR COIL-COATING IN NIR OVENS La reticolazione delle vernici per coil-coating in forni NIR Ezio Pedroni, Salchi Metalcoat Srl, Burago Molgora (Mb), Italy
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ntroduction Over forty years have passed since the birth of the technology for the continuous roller application of metal coils (coil coating) and yet still today, with about 180 lines and a production capacity of over 11 million tons in Europe alone, between steel and aluminium, this now consolidated and mature technology continues to undergo new developments, tied both to new fields of use for prepainted metal, and to the development of new reticulation
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remessa Sono trascorsi oltre quarant’anni da quando è nata la tecnica di applicazione a rullo in continuo dei nastri metallici (coil-coating) e tuttavia ancora oggi, con ca. 180 linee e una capacità produttiva di oltre 11 milioni di tonnellate nella sola Europa, fra acciaio e alluminio, questa tecnologia,ormai consolidata e matura, continua ad avere sempre nuovi sviluppi, legati sia a nuovi campi di impiego del preverniciato, sia allo sviluppo di nuove tecniche di reticolazione dei
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technologies for coating products that allow you to maximise the efficiency of the coating lines. With the development of reticulation systems, change has even come to some characteristics of coating products applied with a roller and more generally to the formulations themselves, especially because of the fact that reticulation times have been reduced to just a few seconds.
prodotti vernicianti che permettono di massimizzare l’efficienza delle linee di verniciatura. Contestualmente all’evolversi dei sistemi di reticolazione, sono pure mutate alcune caratteristiche dei prodotti vernicianti applicati a rullo e più in generale le formulazioni nel loro complesso, soprattutto per il fatto che i tempi di reticolazione si sono ridotti a soli pochi secondi.
Reticulation technologies The reticulation of coatings in the coil-coating process takes place in ovens where the thermal energy needed for the reticulation chemical reaction (known commonly as “curing”), is still supplied today mainly through hot air convection, in catenary or floatation ovens, where the metal strip passes continually, immediately after the roller application of the coatings (fig. 1). In this case the heat needed for the chemical reaction, transported by the hot air, first hits the surface of the coating and then goes down deeper until it reaches the metallic support. In more recent systems that are equipped with these types of ovens, the speed of the line can reach values of 160-180 m/min and curing times can also be reduced to a dozen or so seconds. One can understand then that in this short time the coating products have to allow the liquids to completely evaporate (solvents or water), before the chemical reaction between the resins, constituting the polymeric matrix of the film, has brought the viscosity to a value that no longer allows its diffusion from the inside to the outside of the film. At the same time, the film that forms has to have the functional and aesthetic characteristics required by the end use, i.e. where the prepainted product will go.
Le tecniche di reticolazione La reticolazione delle vernici nel processo di coil-coating avviene in forni nei quali l’energia termica necessaria per la reazione chimica di reticolazione (nel gergo indicata come “cottura”), viene fornita ancora oggi principalmente per convezione di aria calda, in forni a catenaria o a flottazione, dove il nastro metallico passa in continuo, immediatamente dopo l’applicazione a rullo delle vernici (fig. 1). In tal caso il calore necessario alla reazione chimica, trasportato dall’aria calda, investe dapprima la superficie della vernice per trasferirsi poi in profondità, fino a raggiungere il supporto metallico. Negli impianti più recenti, dotati di forni di questo tipo, la velocità della linea può raggiungere valori di 160 – 180 m/min. e i tempi di cottura si possono ridurre anche all’ordine di una decina di secondi. Si comprende quindi che, in questo breve tempo, i prodotti vernicianti devono consentire l’evaporazione completa della fase liquida (solventi o acqua), prima che la reazione chimica fra le resine, costituenti la matrice polimerica del film, abbia portato la viscosità ad un valore tale da non consentirne più la diffusione 1 dall’interno all’esterno del film. Nel contempo, il film formatosi deve avere le caratteristiche funzionali ed estetiche richieste dagli utilizzi finali cui il preverniciato è destinato.
1 - Representation of the propagation of the energy in the various cases (by kind permission of adphosThermal Processing GmbH) 1 - Rappresentazione della propagazione dell’energia nei diversi casi (per gentile concessione di adphosThermal Processing GmbH)
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RETICULATION OF COATINGS FOR COIL-COATING IN NIR OVENS La reticolazione delle vernici per coil-coating in forni NIR This method of supplying energy, together with technical improvements to the coatings, application test control systems and the refinement of the coating formulations have provided extremely high levels of productivity. However, it does have some limits: these ovens require relatively lengthy times to become fully operational after being switched on or when, because of a coating change, you have to vary the PMT (Peak Metal Temperature) or when, because of the increase of the thickness of the support, you have to increase the air temperature or reduce the speed of the line. Moreover, most of the thermal energy is absorbed by the metallic support. An alternative to the traditional convection ovens are the IR ovens where the thermal energy is supplied by infrared lamps with wavelengths that exceed 1500 nm. Like convection ovens, also with IR ovens the heating of the coating starts on the surface of the film in contact with the air, to be then transferred by means of conduction inside the film. Also in this case, then, though with some differences, there are benefits and limitations to the process, similar to those of the previous case. The manufacturers of coating products, therefore, have to take in to account these critical factors and also the fact that solvents that evaporate from the film sometimes lick the lamps, and even though diluted by the air current being fanned, this can cause them to ignite more easily. Introduced already some years ago, electromagnetic induction ovens reverse the direction in which the energy is supplied for the reticulation of the coating, because the heating starts from the support, through the Joule effect, and from here it propagates to the lower strata of the film up to the surface. These are ovens in which, thanks to their high power, can very quickly reach the peak temperatures of the metal needed to obtain the reticulation of the coating, normally between 6 and 12 seconds. Compared to traditional convection ovens they have the advantage of being able to supply energy only when needed and they do not need to remain switched on during eventual pauses in working; also the evaporation of solvents is easier because of the direction of the propagation of the heat in the film.
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Questa modalità di fornire energia, unitamente ai miglioramenti tecnici dei materiali, dei sistemi di controllo delle teste di applicazione e dell’affinamento della formulazione delle vernici, ha permesso il raggiungimento di livelli di produttività molto elevati. Essa tuttavia presenta dei limiti: questi forni necessitano di tempi di attesa relativamente lunghi per arrivare a regime all’accensione o quando, per cambio di vernice, si deve variare la PMT (Temperatura di Picco del Metallo ) o quando ancora , per aumento dello spessore del supporto, si deve aumentare la temperatura dell’aria o ridurre la velocità della linea. Inoltre gran parte dell’energia termica viene assorbita dal supporto metallico. Un’alternativa ai tradizionali forni a convezione è rappresentata dai forni IR dove l’energia termica è fornita da lampade a raggi infrarossi con lunghezze d’onda che vanno oltre i 1500 nm. Analogamente ai forni a convezione, anche per i forni IR, il riscaldamento della vernice inizia dalla superficie del film applicato a contatto con l’aria, per trasferirsi per conduzione all’interno del film. Anche in questo caso quindi, seppur con alcune differenze, si riscontrano pregi e limiti di processo analoghi a quelli del caso precedente. I formulatori dei prodotti vernicianti devono quindi tener conto di queste criticità ed anche del fatto che i solventi che evaporano dal film lambiscono talvolta le lampade e, seppur diluiti dalla corrente d’aria dell’aspirazione, possono incendiarsi con maggiore facilità. Introdotti ormai da diversi anni, i forni ad induzione elettromagnetica, ribaltano la direzione in cui viene fornita energia per la reticolazione del film di vernice, perché in essi il riscaldamento parte dal supporto per effetto Joule e da qui si propaga agli strati inferiori del film fino alla superficie. Si tratta di forni nei quali, grazie alla potenza elettrica elevata ,si possono raggiungere le temperature di picco del metallo, necessarie per ottenere la reticolazione della vernice, in tempi molto brevi, normalmente compresi fra 6 e 12 sec. Rispetto ai tradizionali forni a convezione hanno il vantaggio di poter fornire energia solo nel momento in cui serve e non necessitano di restare accesi durante eventuali soste nelle lavorazioni; anche l’evaporazione dei solventi risulta facilitata, grazie alla direzione di propagazione del calore nel film.
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Given the very short reticulation times, a careful study of the evaporation curve of the solvent phase is required. Another limitation lies in the fact that coatings applied on aluminium are not suitable for reticulation. Based on totally different principles is the technology of UV reticulating products, because of the fact that the chemical reticulation reactions involve the opening of double bond – C=C – in the mixture of monomers/oligomers, with a radicalic or ionic type of reaction mechanism, started using photoinitiators. These are chain reactions that proceed at a high speed, and which involve very short stays in the oven, in the order of 1 - 3 seconds and that, without going into specific problems that for the most part still today are unresolved, need completely different coatings, because of the chemism, from those usually used in convection ovens (fig. 1, previous page).
Dati i tempi di reticolazione molto brevi, si rende necessario un accurato studio della curva di evaporazione della fase solvente. Un altro limite, connaturato con il loro principio di funzionamento, consiste nel fatto che non sono adatti alla reticolazione delle vernici applicate su alluminio. Su principi totalmente diversi si basa la tecnologia dei prodotti reticolanti UV per il fatto che le reazioni chimiche di reticolazione coinvolgono l’apertura di doppi legami – C=C – presenti nella miscela di monomeri/oligomeri ,con un meccanismo di reazione di tipo radicalico o ionico, iniziato tramite fotoiniziatori. Si tratta di reazioni a catena che procedono con una velocità elevata e che comportano la permanenza in forno per tempi ridottissimi dell’ordine di 1 – 3 sec. e che, senza entrare nel merito di problematiche specifiche, ancora oggi in buona parte irrisolte, necessitano di vernici completamente diverse, per il loro chimismo, da quelle tradizionalmente usate nei forni a convezione (fig. 1, pagina precedente).
NIR technology Much more recent is the reticulation technology that exploits the band of radiation near infrared (NIR - Near Infra-Red) (fig.2). This radiation, between 800 and 1500 nm, is capable of penetrating all the way down inside the film. While with all the other reticulation technologies we mentioned (except for UV reticulation), the heating of the metal support is necessary so that the reaction between the resins making up the coating takes place correctly, in the case of NIR technology
La tecnologia NIR Molto più recentemente è nata una tecnica di reticolazione che sfrutta la fascia di radiazioni del vicino infrarosso (NIR - Near Infra-Red) (fig.2). Tali radiazioni, comprese fra gli 800 e i 1500 nm sono in grado di penetrare all’interno dei film di vernice per tutta la loro profondità. Mentre in tutte le altre tecniche di reticolazione menzionate (eccezion fatta per la reticolazione con UV), il riscaldamento del supporto metallico è di fatto necessario perché la reazione fra le resine costituenti il prodotto verniciante avvenga correttamente, nel caso della 2
2 - Electromagnetic radiation spectrum with the band of the near infra-red (NIR) highlighted 2 - Spettro delle radiazioni elettromagnetiche con evidenziata la fascia del vicino infrarosso (NIR)
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RETICULATION OF COATINGS FOR COIL-COATING IN NIR OVENS La reticolazione delle vernici per coil-coating in forni NIR the heating of the metal coil does not constitute the condition for the deep reticulation of the coating applied on it, but is just the consequence of the fact that the NIR radiation, penetrating through the thickness of the film, also reaches the support and heats it up. The consequence of this is that the PMT measured in a NIR oven (which in any event is an indirect control parameter of the reticulation energy), is less than that which it is necessary to reach in convection, IR and induction ovens; this is the same as saying that in NIR ovens there is less dissipation of energy. The power employed in NIR ovens is such that the irradiation of the liquid film is so effective that it provides extremely rapid reticulation times, between 1 – 5 seconds. This time depends on various factors, including the thickness of the film, the amount and composition of the solvent phase, the reactivity of the resins in the reaction, the proper choice and correct dose of the catalysts, as well as, to some extent, the pigment used. On the other hand it is much less dependent, compared to the other types of technologies (except for UV technology), on the thickness of the support, a variable that plays a crucial role in the efficiency of these technologies, since it conditions the amount of energy to be supplied, either as hot air or as a Joule effect, which translates, with the same line velocity, into an increase in the temperature of the oven or into a greater use of electrical power, or else into a reduction in the speed of the line with the same oven temperature or same electrical power. Another benefit that should not be overlooked is that the chemism involved in the coatings for NIR is exactly the same as the products for traditional convection ovens, namely the processes for forming the film by means of the reaction between the polyester and ammine resins, or through the reaction between polyester or epoxy and polyisocyanate resins. Theoretically, then, there are no reasons for not being able to obtain reticulated films, with the same characteristics as those obtained with a more conventional technology.
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tecnologia NIR il riscaldamento del nastro metallico non costituisce la condizione per la reticolazione in profondità della vernice su questo applicata, ma è solo una conseguenza del fatto che la radiazione NIR, penetrando attraverso lo spessore del film, raggiunge anche il supporto e lo riscalda. La conseguenza di ciò è che la PMT misurata in un forno NIR ( che comunque costituisce un parametro di controllo indiretto dell’ energia di reticolazione), è inferiore a quella che è necessario raggiungere nei forni a convezione, ad IR e a induzione; questo equivale a dire che nei forni NIR si verifica una minore dissipazione di energia. La potenza impegnata nei forni NIR è tale che l’irraggiamento del film liquido risulta così efficace da permetterne la reticolazione in tempi estremamente brevi, che sono contenuti nell’intervallo di 1 – 5 sec. Questo tempo dipende da vari fattori, tra i quali lo spessore del film, la quantità e la composizione della fase solvente, la reattività delle resine partner di reazione , la corretta scelta ed il corretto dosaggio dei catalizzatori nonché, in qualche misura, dalla pigmentazione utilizzata. E’ invece molto meno dipendente, rispetto agli altri tipi di tecnologie ( esclusa sempre quella UV ) dallo spessore del supporto metallico, variabile questa che gioca un ruolo fondamentale nell’efficienza di queste, in quanto condiziona la quantità di energia da fornire o come calore dell’aria o come effetto Joule, il che si traduce, a parità di velocità della linea, in un aumento della temperatura del forno o nel maggior impegno di potenza elettrica oppure in una riduzione della velocità di linea a pari temperatura del forno o a pari potenza elettrica. Un vantaggio tutt’altro che trascurabile è rappresentato dal chimismo coinvolto nelle vernici per NIR che è esattamente lo stesso dei prodotti per forni tradizionali a convezione, ovvero si tratta ad esempio di processi di formazione del film per reazione fra resine poliestere e amminiche, o per reazione fra resine poliestere o epossidiche e poliisocianati. In linea teorica, dunque, non ci sono ragioni per le quali non si possano ottenere film reticolati, aventi le stesse caratteristiche di quelli ottenuti con tecnologia più convenzionale.
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You only have to control these reactions so that they occur in the briefest possible times, without any film defects.
Si tratta solo di governare tali reazioni affinché avvengano completamente in tempi brevissimi, senza difetti nel film.
Considerations regarding formulation parameters When we talk about chemical reactions to be carried as rapidly as possible, the first concern of a person doing the formulation is that the reaction can take place fully, and that at the same time that the film spreads well and that the solvent evaporates without leaving any micro-pitting in the film. To reconcile these exigencies, it is necessary that the reticulation, even if occurring very rapidly, leaves enough time for the solvent to completely evaporate; this can be attained by choosing the resins on the basis of their reactivity and by properly selecting one or more catalysts that intervene to lower the activation energy, only after a sufficient quantity of solvent has evaporated. The type, the concentration and the steric hindrance of the reactive groups in the resins and their solubility in the solvent mix being used, are further important conditions for a complete, rapid and optimal film formation. From what has been said, there is the obvious consequence that, with all factors being equal, the products with the highest solid content are to be preferred, since the lower the solvent content the more probable their evaporation will be completed when, because of the effect of the rapid reticulation, the film reaches its maximum viscosity. Only in this way, in fact, can the formation of craters be avoided. Also the composition of the solvent phase takes on an important role, in that the presence of a high solvent content with high vapour pressure on the one hand facilitates the emergence of the film, but on the other hand it could compromise the distension. Conversely, an excessive content of solvents with a high boiling point, might favour spreading but could cause the formation of craters because a part of them might not have time to evaporate, thereby remaining trapped in the film.
Considerazioni sui parametri formulativi Quando si parla di reazioni chimiche da svolgere in tempi brevissimi, la prima preoccupazione di un formulatore è che la reazione possa avvenire completamente e che contemporaneamente il film risulti ben disteso e la fase solvente sia evaporata senza lasciare microcrateri nel film. Per conciliare queste esigenze occorre che la reticolazione , seppur in tempi brevissimi, conceda alla fase solvente il tempo sufficiente ad evaporare completamente ; questo lo si può ottenere scegliendo le resine sulla base della loro reattività e scegliendo opportunamente uno o più catalizzatori che intervengano, per abbassare l’energia di attivazione, solo dopo che è evaporata una sufficiente quantità di solvente. Il tipo, la concentrazione e l’impedimento sterico dei gruppi reattivi presenti nelle resine e la solubilità di queste nella miscela solvente impiegata, costituiscono ulteriori condizioni importanti ai fini del completamento rapido ed ottimale della filmazione. Da quanto detto discende la ovvia conseguenza che, a parità di altri fattori, i prodotti a più alto contenuto di solidi saranno da preferire perché quanto minore è il contenuto di solventi, tanto più probabilmente la loro evaporazione sarà completata quando, per effetto della rapida reticolazione, il film raggiungerà il suo massimo valore di viscosità. Solo così infatti si potrà evitare la formazione di crateri. Anche la composizione della fase solvente assume un ruolo importante in quanto la presenza di un alto contenuto di solventi ad elevata tensione di vapore, se da un lato ne facilita la fuoriuscita dal film applicato, dall’altro ne potrebbe compromettere la distensione. Per converso un eccessivo contenuto di solventi altobollenti, potrebbe favorire la distensione ma causare la formazione di crateri perché una parte di essi potrebbe non fare in tempo ad evaporare, rimanendo così intrappolata nel film.
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RETICULATION OF COATINGS FOR COIL-COATING IN NIR OVENS La reticolazione delle vernici per coil-coating in forni NIR The parameters described above naturally become more important the greater the thickness of the dry film: in fact, the problems related to application up to 10 µm dry are basically inconsequential, but become more important when this exceeds 22-24 µm, applied in a single coat. Putting aside the obvious considerations related to the speed of the line and therefore to the reticulation times, it is important to note that the reticulation of a coating in a NIR oven is influenced in varying degrees by its colour, since the reflectance curve in the near infrared differs according to the colour: a white coating, absorbing less than a dark one in the near infrared, will need a greater supply of energy to reach the same level of reticulation than other darker colours. Also in this case, however, there are formulation methods that allow you to minimise this effect (1). Moreover, we should not forget that the effect of the colour on the reticulation of the coating exists, even if to a lesser degree in the NIR ovens, also in convection ovens, because wherever there is a source of heat there is the emission of IR radiation and this will be absorbed differently by different colours. When NIR ovens are used, then, we should expect to have to change the settings of the oven according to the colour being applied. This operation is carried out very quickly in the lines and the new parameters, which can be set as required, are immediately active without any time being needed for the oven to stabilise. The accurate balancing of the formulation parameters has now allowed entire lines of products for coil-coating to be made that are suitable for reticulation with NIR technology: from polyester primers to polyurethanes, from polyester back coatings to epoxypolyesters and epoxypolyurethane, from polyester, HD polyester and super-polyester glazes to polyurethanes, to polyamide polyesters, to polyamide polyurethanes, to PVDF. It is worth noting that while coating products formulated for lines equipped with convection
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I parametri sopra descritti naturalmente acquistano tanta più importanza quanto più elevato è lo spessore di film secco applicato: sono infatti quasi inconsistenti i problemi legati ad applicazioni fino a 10 µm secchi e divengono più rilevanti quando si superano i 22 – 24 µm, applicati in una sola mano. Trascurando le ovvie considerazioni legate alla velocità della linea e dunque ai tempi di reticolazione, è invece importante notare che la reticolazione di una vernice in un forno NIR è condizionata in varia misura dal colore della stessa in quanto diversa è la curva di riflettanza nel vicino infrarosso in funzione del colore: si verificherà che una vernice bianca, assorbendo meno di una scura nell’infrarosso vicino, avrà bisogno di maggiore somministrazione di energia, per raggiungere lo stesso livello di reticolazione, di altre di colore più scuro. Anche in questo caso tuttavia esistono degli accorgimenti formulativi che permettono di minimizzare questo effetto (1). Del resto non bisogna dimenticare che l’effetto del colore sulla reticolazione delle vernici esiste, seppure in minor misura rispetto ai forni NIR, anche nei forni a convezione, perché dovunque ci sia una sorgente di calore c’è l’emissione di radiazione IR e questa verrà assorbita diversamente dai diversi colori. Quando si utilizzano forni NIR ci si dovrà quindi aspettare di dover cambiare le impostazioni del forno in funzione del colore applicato. Questa operazione viene eseguita sulle linee in tempi brevissimi e i nuovi parametri, impostati al bisogno, sono attivi istantaneamente senza che sia necessario alcun tempo di stabilizzazione del forno. L’accurato bilanciamento dei parametri formulativi ha ormai permesso la realizzazione di intere linee di prodotti per coil-coating idonei alla reticolazione con tecnologia NIR: dai primer poliesteri ai poliuretanici, dai back coatings poliesteri agli epossipoliesteri o agli epossipoliuretanici, dagli smalti poliesteri, poliesteri HD e superpoliesteri ai poliuretanici, ai poliesteri poliammidici, ai poliuretanici poliammidici, ai PVdF. Vale la pena di notare che, mentre i prodotti vernicianti formulati per linee dotate di forni a convezione
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or IR ovens usually cannot be used on lines equipped with NIR ovens, coatings formulated for reticulation in NIR ovens can be used without problems also on the other types. This could be a useful element for rationalising coating storage where there are two lines, one traditional and one with a NIR oven. Benefits and limitations The first evident benefit of NIR technology is the very short coating reaction time compared to the more traditional chemism, where the reticulated films have well-known chemicalphysical and physical-mechanical properties that have been widely consolidated, and which are suitable for the realisation of the prepainted product. Other technologies with comparable or even quicker reaction times and that potentially can involve coatings with less environmental impact (for example UV technology), still have quite a few problems to be solved, connected to various factors like adhesion to the supports and the right balance between hardness and flexibility. Reticulation times of 1 – 5 seconds can be had with small ovens, both vertical and horizontal with the need for minimal space (2). As mentioned earlier, given the immediacy with which the parameters that have been set become operative, the set-up times of the ovens, especially in the case of a change in thickness of the support, have practically been cancelled and, with the speed of the line being the same, there is no need to wait for the oven to become stabilised. The same advantage is also there in the event of an interruption in production, when you should do not want to have to wait a long time and expend energy to bring the oven up to the right temperature. Such interruptions can be connected to factors relating to less work or else, as happens with a certain frequency in some countries, to frequent interruptions in the energy supply. These latter considerations are also valid for induction ovens, for which nevertheless you need to take into account the fact that the energy for the reticulation of the coating,
o di forni IR, di norma non possono essere impiegati su linee equipaggiate con forni NIR , viceversa le vernici formulate per reticolare in questi ultimi, possono venire utilizzate senza problemi anche sulle prime. Questo fatto può costituire un elemento utile per la razionalizzazione dei magazzini vernici, in caso di presenza contemporanea di due linee di cui una tradizionale ed una con forno NIR. Vantaggi e limiti Il primo vantaggio evidente della tecnologia NIR è rappresentato dal ridottissimo tempo di reazione di vernici dal chimismo più tradizionale, i cui film reticolati hanno caratteristiche chimico-fisiche e fisico-meccaniche ben conosciute, ampiamente consolidate ed idonee per la realizzazione del preverniciato. Altre tecnologie con tempi di reazione paragonabili o ancora più ridotti e che potenzialmente possono coinvolgere vernici con minore impatto ambientale (ad es. la tecnologia UV), hanno ancora non pochi problemi da risolvere, legati a vari fattori quali ad es. l’adesione ai supporti e l’ottimale bilanciamento fra durezza e flessibilità. Tempi di reticolazione di 1 – 5 sec. si realizzano con forni di ridotte dimensioni, a sviluppo sia orizzontale sia verticale con necessità di spazio minimizzate (2). Come già accennato in precedenza, stante l’istantaneità con cui diventano operativi i parametri impostati, i tempi di set-up dei forni, in particolare nel caso di cambio di spessore del supporto, sono in pratica annullati e, a pari velocità di linea, non c’è alcuna necessità di attendere la stabilizzazione del forno. Lo stesso vantaggio lo si ha in caso di discontinuità di produzione, allorché non si debbono attendere lunghi tempi e dispendio di energia per portare in temperatura il forno. Tali discontinuità possono essere legate a fattori contingenti di riduzione di lavoro oppure, come avviene con una certa frequenza in alcune nazioni, a frequenti interruzioni della fornitura di energia. Queste ultime considerazioni valgono anche per i forni ad induzione, per i quali tuttavia si deve tener conto del fatto che, l’energia per la reticolazione della vernice,
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RETICULATION OF COATINGS FOR COIL-COATING IN NIR OVENS La reticolazione delle vernici per coil-coating in forni NIR which takes place rapidly, comes from the heating of the metallic support and therefore its dissipation is greater than that which you have in a NIR oven. The very brief reticulation times allow NIR ovens to be extremely compact also for high speed lines. This makes them particularly suitable for being used in integrated zinc-coating lines which, given their considerable speed, if they were equipped with traditional ovens would be much bigger. One possible limitation, not so much connected to the NIR technology in itself (and which also applies to induction technology), might be the fact that the solvents, coming from the film that has been applied, are not used as a primary source for heating the oven itself, as happens with convection ovens, since in this case the oven is powered by electrical energy. Therefore the solvent mix, condensed and collected, is either burned in a special plant to generate the energy to be used or put in the network, or else it has to be disposed of. However there are systems where the evaporated solvents are burned in an after-burner (3). The heat generated is used in part to heat air that is then sent into the first flash-off zones, thereby further improving the efficiency of the NIR oven. If, in the future, legislation will be oriented towards the penalisation of solvent products with measures like the so-called carbon tax, then also the push towards high solid content or waterborne coatings, to give just a few examples, might limit or even cancel out this possible limitation. The adphos company, an important resource of technical know-how and a manufacturer of NIR ovens, on the basis of the experience it has gained with the installation of these ovens in various industrial lines, has evaluated the practical difference in the specific consumption of gas and electricity for a line of a pre-set metal coil strength, thickness and width, according to the type of oven used. What emerges is a consistent overall advantage for the lines fitted with NIR ovens, both in terms of running costs as well as depreciation speed (4).
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che pure avviene in tempi molto brevi, viene dal riscaldamento del supporto metallico e quindi la sua dissipazione è superiore a quella che, comunque, si ha anche in un forno NIR. I brevissimi tempi di reticolazione consentono ai forni NIR una estrema compattezza anche per linee ad alta velocità. Ciò li rende particolarmente adatti ad essere impiegati nelle linee integrate di zinco-verniciatura le quali, data la loro notevole velocità, se fossero attrezzate con forni tradizionali avrebbero ingombri considerevoli. Un limite possibile,non tanto legato alla tecnologia NIR in sé (e che comunque esiste anche per quella ad induzione), potrebbe risiedere nel fatto che i solventi, provenienti dal film applicato, non vengono utilizzati come sorgente primaria per il riscaldamento dello stesso forno , come avviene invece nei forni a convezione, poiché in questo caso il forno è alimentato ad energia elettrica. Pertanto la miscela solvente, condensata e raccolta, o viene bruciata in un apposito impianto per generare energia da impiegare o mettere in rete, oppure deve essere smaltita. Esistono tuttavia delle realizzazioni dove i solventi evaporati vengono bruciati in un post-combustore (3). Il calore generato viene in parte utilizzato per riscaldare aria che viene poi convogliata nelle prime zone di flash-off, migliorando così ulteriormente l’efficienza del forno NIR. Se la legislazione, in futuro, sarà orientata alla penalizzazione dei prodotti a solvente con misure quali la cosiddetta “carbon tax”, anche la spinta verso prodotti vernicianti ad alto solido o all’acqua, solo per fare degli esempi, potrà limitare molto se non annullare questo possibile limite. La società adphos, importante detentore di know how tecnologico in questo campo e produttore di forni NIR, sulla base dell’esperienza maturata con l’installazione di questi forni in diverse linee industriali, ha valutato la differenza pratica di consumi specifici di gas ed energia elettrica per una linea di prefissata potenzialità, spessore e larghezza del nastro metallico, in funzione del tipo di forno impiegato. Ne emerge un consistente vantaggio globale per le linee dotate di forni NIR, sia in termini di costi di esercizio che di rapidità di ammortamento (4).
INNOVATIONS: PRESENT&FUTURE Innovazioni: presente e futuro
The lab test The problem that always comes up in labs where they formulate and test coatings for coilcoating is the difficulty of reproducing the same reticulation conditions that can be found in industrial lines. In most cases, high temperature hot air batch ovens are used in which the pre-set PMT is reached in a matter of seconds. This latter is the time the coated coil strip says in the industrial oven. We can understand that the difference between a continuous process and batch one is not negligible, even if the decades of experience in this field means it will not make any serious errors. In the case of NIR technology there are lab ovens that allow you to reasonable simulate the line conditions. These are continuous ovens of which there is an example in the photo (fig. 4). These, thanks to groups of lamps positioned both above and below the path of the panel in the oven, simulate quite well what really happens on the line. The position of these lamps along the oven can be changed, by either increasing or reducing the distance between them, and also by varying, also in an independent way, their distance from the metallic strip. Simple to use control panels allow you to regulate the speed of the panel in the oven and the strength of the lamps, both at the level of the group of lamps, as well as within each group. This allows a sort of power curve
La sperimentazione di laboratorio. Il problema che sempre si verifica nei laboratori dove si formulano e si collaudano vernici per coil coating consiste nella difficoltà di riprodurre le condizioni di reticolazione che si realizzano sulle linee industriali. Nella maggioranza dei casi si utilizzano forni discontinui ad aria ad alta temperatura nei quali viene raggiunta la PMT stabilita in un numero definito di secondi. Quest’ultimo rappresenta il tempo di permanenza del nastro verniciato nel forno industriale. Si comprende che la differenza fra un processo continuo ed uno discontinuo non è trascurabile, anche se l’esperienza ormai pluridecennale in questo campo permette di non commettere gravi errori. Nel caso della tecnologia NIR esistono dei forni da laboratorio che permettono di simulare con una discreta approssimazione le condizioni di linea. Si tratta di forni in continuo di cui abbiamo un esempio nella foto (fig.4). Questi, grazie a gruppi di lampade posizionate sia sopra sia sotto il percorso del pannello nel forno, simulano con sufficiente approssimazione ciò che realmente si verifica sulla linea. La posizione di questi gruppi lungo il forno può essere cambiata, sia aumentandone o riducendone la reciproca distanza, sia variando, anche in modo indipendente la loro distanza dal nastro metallico. Pannelli di controllo di semplice utilizzo, permettono di regolare la velocità di passaggio del pannello nel forno e la potenza delle lampade sia a livello di singolo gruppo, sia all’interno di ogni gruppo. Questo permette di realizzare una sorta di curva di potenza, modulando così l’energia 3
3 - Table comparing the estimation of the overall energy consumption, from degreasing to the re-coiling of the coated coil. The case of a line for coating steel coils, 0.5 mm x 1,300 mm at 80 m/min (24.5 t/h), with use respectively of hot air (standard), induction and NIR ovens (by kind permission of adphos Thermal Processing GmbH) 3 - Tabella comparativa della stima dei consumi energetici globali, dallo sgrassaggio al riavvolgimento del nastro verniciato. Caso di una linea di verniciatura di coils in acciaio, di 0,5 mm x 1,300 mm a 80 m/ min (24.5 t/h), nel caso di utilizzo rispettivamente di forni ad aria calda (standard), ad induzione o NIR (per gentile concessione di adphos Thermal Processing GmbH) 4 - Photograph of the NIR Technicum continuous lab oven installed at the R&S Salchi Metalcoat labs 4 - Fotografia del forno in continuo da laboratorio NIR Technicum installato nei laboratori R&S Salchi Metalcoat
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RETICULATION OF COATINGS FOR COIL-COATING IN NIR OVENS La reticolazione delle vernici per coil-coating in forni NIR to be realised, in this way modulating the energy needed, first for the evaporation of the solvents and then for the reticulation. The walls of the tunnel of the oven are, as for that line, made up of superbright aluminium panels, exploiting the characteristic of this material to be a good mirror for the NIR radiation, allowing you to maximise the efficiency of the oven thanks to the continual reflections, along the entire tunnel, of the radiation not absorbed by the coating. The panel moves along the oven on a skid that has a wide range of speeds. Everything described above allows you to reasonably simulate industrial ovens, which are much more automated and have a more precise programming of the power curves (which are just the equivalent of the curing or PMT curves of the other types of ovens) compared to a lab oven. Which is to say that the lab oven, from our experience, is slightly more critical than a line oven, but this does not do any harm because we can say, as things stand, that once the formulation that provides satisfactory results in the lab has been established, the formation of its film in an industrial oven should be more easy to control.
necessaria prima, soprattutto, per l’evaporazione dei solventi e poi, in misura sempre maggiore, per la reticolazione. Le pareti del tunnel del forno sono, come per quello di linea, costituite da pannelli di alluminio superbright che, sfruttando la caratteristica di questo materiale di essere il migliore specchio per la radiazione NIR, consente di massimizzare l’efficienza del forno grazie alle continue riflessioni, lungo tutto il tunnel, delle radiazioni non assorbite dalla vernice. Il movimento del pannello lungo il forno viene assicurato da una slitta, caratterizzata da un’amplissima gamma di velocità. Tutto quanto sopra descritto consente di raggiungere un discreto livello di simulazione dei forni industriali, i quali risultano oltremodo più automatizzati e con una più precisa programmazione delle curve di potenza (che poi altro non sono che l’equivalente delle curve di cottura o di PMT degli altri tipi di forni) rispetto ad un forno di laboratorio. Il che equivale a dire che il forno di laboratorio, secondo la nostra esperienza, risulta leggermente più critico di un forno di linea ma questo non guasta perché ci sembra di poter dire che, stando così le cose, una volta stabilita la formulazione che da risultati soddisfacenti in laboratorio, la sua filmazione su di un forno industriale dovrebbe risultare di controllo più agevole.
Conclusions The technology for the reticulation of coil-coating coatings using NIR ovens allows coatings based on a traditional chemical make-up to fully form a film in the shortest times realised up until now, thanks to an extremely efficient and effective transference of energy to the coating. The fact that it is not always possible to re-use the evaporated solvent could be one problem; nevertheless, the increasing attention being paid to the environment with a need to reduce greenhouse gases and the consequential push to develop low or even zero solvent content might soon make the problem irrelevant and even stimulate the use of this technology, directing consumption towards high solid or waterborne products. In any case there remains the advantage of a reticulation system that is more competitive than the traditional more well-known ones, and which it
Conclusioni La tecnologia di reticolazione delle vernici per coil coating per mezzo di forni NIR,consente a prodotti vernicianti basati su una chimica tradizionale, di filmare completamente nei tempi più brevi fino ad ora realizzati, grazie ad un sistema estremamente efficiente ed efficace di trasferimento di energia alla vernice applicata. Il fatto che non sempre sia possibile il riutilizzo del solvente evaporato, può rappresentare una difficoltà; tuttavia, la sempre crescente attenzione all’ambiente con richiesta di riduzione dei gas serra e la conseguente spinta a sviluppare prodotti a basso o nessun contenuto di solvente, potrebbe presto far diventare irrilevante il problema e persino stimolare l’impiego di questa tecnologia, indirizzando i consumi verso prodotti ad alto solido o all’acqua. Resta in ogni caso il vantaggio di un sistema di reticolazione competitivo rispetto a quelli tradizionali
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is becoming more important and more widely used throughout the world, where there are already powerful lines in use while others are developing. As far as the coating products are concerned, when properly formulated these can adapt well to the very short reticulation times that NIR technology provides, to the point that there are already complete product lines suitable for this application: from primers to back coatings that reticulate in less than 2 seconds, to practically all types of glazes (polyesters, polyurethanes, polyamides, PVDF, etc.) that take no more than 4 – 5 seconds (fig. 5).
più conosciuti e che sta acquistando importanza e diffusione nel mondo, dove sono già in funzione linee di notevole potenzialità mentre altre ne stanno nascendo. Per quanto riguarda i prodotti vernicianti questi, opportunamente formulati, si possono ben adattare ai brevissimi tempi di reticolazione che la tecnologia NIR implica, al punto che già esistono linee complete di prodotti idonei a tale applicazione: dai primer ai back coatings che reticolano in meno di 2 sec. a smalti praticamente di ogni tipo ( poliesteri, poliuretanici, poliammidici, PVdF ecc.) che reticolano in non più di 4-5 sec (fig. 5).
Bibliography: (1) Ralf Knischka, Benno Blickenstorfer,Hans Renz – Increasing the drying capacity of your NIR line for pale shades – NIR Absorbers ( adphos NIR Symposium 2009 ) (2) Ron Nuckles – Yupiter Aluminum Pioneers in NIR Infrared Technology (Coil World, March/April 2007) (3) K. Bär – New Concept of High Ecological but also Economical Curing and Thermal Solvent Treatment for today and future Organic Coatings (ECCA 39th Autumn Congress, 27-29 November 2005) (4) Michael Schuman – Integrated Modular Process Solutions (IMS) – New Economical and Ecological Ways in Coil Coating Lines (adphos NIR Symposium 2009)
Bibliografia: (1) Ralf Knischka, Benno Blickenstorfer,Hans Renz – Increasing the drying capacity of your NIR line for pale shades – NIR Absorbers ( adphos NIR Symposium 2009 ) (2) Ron Nuckles – Yupiter Aluminum Pioneers in NIR Infrared Technology (Coil World, March/April 2007) (3) K. Bär – New Concept of High Ecological but also Economical Curing and Thermal Solvent Treatment for today and future Organic Coatings (ECCA 39th Autumn Congress, 27-29 November 2005) (4) Michael Schuman – Integrated Modular Process Solutions (IMS) – New Economical and Ecological Ways in Coil Coating Lines (adphos NIR Symposium 2009)
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5 - A liquid paint with a copper-like effect formulated by Salchi Metalcoat for NIR reticulation 5 - Un prodotto verniciante “effetto rame” prodotto da Salchi Metalcoat formulato per reticolazione NIR
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