www.allnex.com  www.allnex.com  www.allnex.com  

Emerging/Future  Applica6ons  for    UV  Cure  Technologies  

Acknowledgements:    Jo  Ann  Arceneaux,  Marcus  Hutchins,  and  Jonathan  Shaw  

1  

Michael  J.  Dvorchak    

2  

Agenda  

•  Self  Curing  Resins  

•  High  Func6onality  Oligomers  

•  High  Gloss  UV  Polyurethane  Dispersions  

•  Acrylated  Allophanate  Oligomers  

•  Thick  sec6on  UV  Cure  Elastomers  

•  UV  Cure  Glass  Coa6ngs  

•  1K  UV  Dual  Cure  Conformal  Coa6ngs  •  1K    UV-­‐A  Auto  Refinish  Clear  Coats  •  UV-­‐A  Aerospace  Coa6ngs  •  Direct  to  Metal  Applica6ons  

Raw  Materials    selec6on  

Produc6on  

Quality  Control  

Self  Curing  Resins  -­‐  Low  Extractable  /  Low  Odor    versus  Standard    

Technical    Performance  

Cost  

ISO  9001  

Physico-­‐Chemical  

Technical    Performance  

Purity  

Cost  

ISO  9001  

Longer  Stripping  

GMP  

Physico-­‐Chemical  

ImpuriIes  

GC-­‐MS  

Standard   Self-­‐Curing  Resin  

Mutagenicity   NOT  Evaluated   NON  Mutagenic  

Self-­‐Curing  Resins  -­‐  Migra6on  (extrac6on)  Tes6ng  for  Low  Extractable/Low  Odor  versus  Standard  Products  

Formula6on:  

6    µm  film  (on  PP)  Cure  dose:    ~800  mJ/cm²  Direct  contact:  10  days  at  40°C  Simulant:      95%  Ethanol/5%  water  

   50%  Ethanol/50%  water    

Product   %  

TMPTA   70  Low  extractable/low  odor;    Flexo/OPV  or  Litho  self-­‐curing  resin  

30  

100  

Product   95%  Ethanol        5%  water  

50%  Ethanol    50%  water  

Low  extractable/  low  odor  ;    Flexo/OPV  self-­‐curing  resin  

Not  Detected  DetecIon  limit  =  50  ppb  

Not  Detected  DetecIon  limit  =  10  ppb  

Low  extractable/  low  odor;  Litho  self-­‐curing  resin  

Not  Detected  DetecIon  limit  =  50  ppb  

Not  Detected  DetecIon  limit  =  10  ppb  

Results  (LC-­‐MS):  

Test  condi6ons  

Both  self-­‐curing  resins  are  compliant  with  Nestlé  guidance  note  &  Swiss  Ordinance  B-­‐list  (leber)  

Highly  Func6onal  (f  =  9  &  10)  Oligomer  Proper6es  

5  

Characteris6c   Bravo  1   Bravo  2  

Appearance   Clear  liquid   Clear  liquid  

Density  (g/cm³)   1.19   1.19  

Viscosity  at  60°C  (mPa.s)   3000   1700  

80°C    stability   10  days   10  days  

Color,  APHA   Max  100   Max  100  

FuncIonality   9   10  

End  applicaIon  Hardcoat  on  Flexible/rigid  

substrates  

Hardcoat  for  rigid  substrate    or  at  low  coat  weight  on  filmic  

substrates  

Highly  Func6onal  (f=9  &  10)  Low  Coat  Weight  Applica6ons  

3  to  5  g/m²  (dry)  1100  mJ/cm²   6f  ALUA   Bravo  1  9f   Bravo  2  10f  

100  acetone  double  rubs   OK   OK   OK  

Cross  hatch  tape  adhesion   100  %   100  %   100  %  Visual  inspecIon  (µscope)  aier  10  double  rubs  with  00  grade  steel  wool    

Many  scratches   Some  scratches   Very  few  scratches  

uncoated  PMMA                      6f  ALUA                                                    Bravo  1  9f                              Bravo  2  10f  

1  mm  

UV  Cure  PUD  -­‐  High  Gloss  &  Mirror  Effect  

7  

Op6cal  Proper6es  (UV  PUD  Charlie)  Substrate:  Black  ABS  

Film  thickness:  120µ  wet  Drying:  20  min,  40°C  

Curing:  5m/min  80W  Hg  lamp  

Gloss  20°,  expressed  in  Gloss  Unit  (GU)   83.3  DOI  (%)   98.8  LogHaze   1.6  

Rspec  (GU)   79.3  

•  DOI  is  the  disInctness  of  Image  =  sharpness  of  a  reflected  image  in  a  coaIng  surface.  

•  RSpec  is  the  Peak  specular  reflectance.  RSpec  is  very  sensiIve  to  any  surface  texture.  When  RSpec  =  Gloss  ,  the  surface  is  smooth.  

•  Haze  describes  the  milky  halo  or  bloom  seen  on  the  surface  of  high  gloss  surfaces.  Haze  is  caused  by  microscopic  surface  texture  which  diffuses  light  adjacent  to  the  main  component  of  the  reflected  surface.    

UV  Cure  PUDs  -­‐  Coa6ng  Performance…  Scratch  Resistance  

Picture  of  scratched  high  gloss  coa6ngs    120µ  wet  -­‐  dried  20  min  at  40°C  -­‐  cured  at  5m/min  under  a  80W  Hg  UV  lamp    

Linear  Taber  Abraser  -­‐  500g  load  -­‐  Steelwool  00  -­‐  10  DR  -­‐  20  r/min  

8  Scratched  Zone  

Acrylated  Allophanate  Oligomers  

• Based  on  aliphaIc  allophanate  polyisocyanate  (HDI-­‐type)  

• Low  viscosity  • High  amount  of  urethane/allophanate  structures  

• Outdoor  perfomance  

March  14,  15   9  

Idealized  structure  

           Acrylated  Allophanate  Oligomers              Applica6on  on  PC  plas6c  and  outdoor  stability  

Formula6on Func6on %    

by  weight UV-­‐curing    allophanate resin 80

HDDA react.  thinner 80 Irgacure®  184 UV-­‐iniIator 4.9 BYK®  306 leveling  agent 1.6 Hostavin®  3206 UV-­‐absorber 3.8 Hoatavin®  3058 HALS-­‐amine 1.7

Curing 1.800  mJ/cm²  (Hg  spectrum)

DFT ca.  25  µm Substrate Makrolon  AL  2647

Weathering  data Urethane  Acrylate

ISO11341  Xenon  Test CAM  180 UV  -­‐  B

Echo >  5000  h 5000  h 2500  h

Fox  Trot  1 3750  h 3250  h 2500  h

Alpha  1 5000  h 5000  h 2500  h

Bravo  1 5000  h 5000  h 2500  h India  1 3000  h 3000  h 2500  h

Test  parameters:  Chalking,  adhesion,  cracks,  blisters

Thick  Sec6on  UV  Cure  Elastomers  

Ingredient   A;  Parts  by  weight  

B;  Parts  by  weight  

C;  Parts  by  weight  

D;  Parts  by  Weight  

Oligomer  LS   97.09   48.54   33.2   -­‐  

Oligomer  LF   -­‐   48.54   -­‐   -­‐  

Oligomer  EF   -­‐   -­‐   33.02   -­‐  

Oligomer  MF   -­‐   -­‐   -­‐   97.0  

Monomer   -­‐   -­‐   28.3   -­‐  

PhotoiniIator   2.91   2.91   5.66   2.91  

Tensile;  PSI   10,395   9,615   7,314   1,677  

%  ElongaIon   3.7   5.9   8.3   124  

Tear  Strength   489   577   1,051   261  

Cure;  V-­‐H  bulbs   Yes   Yes   Yes   Yes  

Line  Speed;  i./min  

10   10   10   10  

75  mils   Yes   Yes   Yes   yes  

11  

Glass  Coa6ngs  -­‐  Glass  Bokle  Line  Simula6on  Test  

Ingredient   E;  Parts  by  weight  

F;  Parts  by  weight  

G;  Parts  by  weight  

J;  Parts  by  Weight  

Oligomer  LS   255.12   228.36   201.58   187.94  

Oligomer  LF   13.43   40.30   67.19   80.55  

PhotoiniIator  1   8.05   8.05   8.05   8.05  

Flow  AddiIve   1.68   1.68   1.68   1.68  

PhotoiniIator  2   3.36   3.36   3.36   3.36  

Pigment  Paste   3.36   3.36   3.36   3.36  

Butyl  Acetate   115.07   115.07   115.07   115.07  

ReacIve  Dil.   -­‐   -­‐   -­‐   115.07  

RaIo:Hard/Soi   95/5   85/15   75/25   70/30  

Mic.H;  N/mm2   158   122   112   139  

Scribe  Adh.   Pass   Pass   Pass   Pass  

Line  SIM  (min)   10   15   5   -­‐  

12  

1K  UV  Cure  -­‐  Dual  Cure  Conformal  Coa6ngs  

• Conformal  CoaIngs  were  developed  to  miIgate  enviromental  issues  with  the  prinited  circuit  board  

• Developments  in  this  technology  have  led  to  a  dual  cure  concept  that  uses  the  R-­‐N=C=O  and  R-­‐C=C  as  the  funcIonal  part  of  the  system.  

• Recent  developments  show  extremely  low  VOC,  1K  UV  Cure  systems  with  viscosiIes  less  then  800  mPa  s  

• This  1K  UV  Cure;  Dual  Cure  system  have  proven  themselves  by  passing  the  Delphi  Delco  Q1000-­‐101,  Test  CondiIon  D  

13  

Delphi  Delco  Q1000-­‐101,  Test  CondiIon  D  =  -­‐  40  F  to  125  F,  and  1,000  cycles  This  tesIng  lasts  500  hours  and  dwell  Ime  was  set  at  12  min.  for  each  temperature  extreme  

UV-­‐A  Auto  Refinish  -­‐  Innova6on  in  the  Market  for  Clear  Coats  

14  

Resin   °C  

UA  Resin  A   10  

UA  Resin  B   104  

UA  Blend  1   103  

UA  Blend  2   105  

UA  Blend  3   106  

UA  Blend  4   84  

UA  Blend  5   74  

Commercial  UV  Refinish   101  

Commercial    2K  Refinish   62  

Concept  of  matching  the  Tg’s  of  tradiIonal  2  K  clear  coat  technology    with  a  1K  UV-­‐A  cure  clear  coat  14  

UV-­‐A  Auto  Refinish  -­‐  Concept  of  matching  the  Tg’s  of  tradi6onal    2  K  clear  coat  technology  with  a  1K  UV  A  cure  clear  coat  14  

15  

Photo  micrograph  of  a  blend  line  for  a  commercially    available  2K  Clear  Coat  over  a  black  base  coat  

Blend  line Blend  line

Photo  micrograph  of  a  blend  line  for  a    UV  –  A  Cure  Clear  Coat  Aier  matching  Tg  of  a    

2K  Clear  Coat  over  a  black  base  coat  

UV-­‐  A  Aerospace  Coa6ngs  -­‐  Gloss  Reduc6on  Techniques  in  UV  

•  Large  parIcles  •  Increased  viscosity  •  Produces  a  truly  rough  surface  

•  IncompaIble  oligomers/monomers  

•  Curing  with  two  high  intensity  lamps    •  Xenon  lamp  (172  nm)  cures  surface    

•  Mercury  lamp  provides  through  cure    •  Causes  shrinkage  and  reduces  gloss  •  Requires  full  spectrum  lamps  and  inert  environment  (ozone  formaIon)  

       UV-­‐A  Aerospace;  Reducing  Gloss  and  Oxygen  Inhibi6on  

• Gloss  levels  did  not  decrease  with  increasing  flabener  levels  

• Decreased  light  intensity  or  resin  content  increases  O2  inhibiIon  

• Gloss  proporIonal  to  degree  of  O2  inhibiIon  

•  Inhibited  surface  cures  last  

Light  Type 60°  Gloss

85°    Gloss

Fusion  Full  Spectrum  Light  (Focused)   47 81

H  &  S  UV-­‐A  Light  (Flood) 3 26

Quantum  UV-­‐A  Light  (Flood)

4 27

AddiIonal  10%  Monomer  (H  &S)

3 3 Focused    Light  

Flood    Light  

Direct  to  Metal  (DTM)  Coa6ngs  -­‐  Allophanate  Modified  Oligomers  

18  

XP 2666, PVK 17 ca. % FWO 5721- 2 C 120 h 240 h 120 h 240 h Stop 120 h 240 h Stop 120 h 240 h Stop

FWO 5721- 5 d FWO 5721- 4 C FWO 5721- 1 d FWO 5721- 2 c

Conclusion:  Combined  with  UV  inert  extenders  allophanate  acrylates  perform        much  beber  than  epoxy-­‐ester  acrylates  

Salt  spray  results  with  Allophanate  modified  oligomers,  pigmented    

www.allnex.com  www.allnex.com  www.allnex.com  

For  more  informa6on,  please  visit  us  at  www.allnex.com.  

Contact  Name:    Michael  J.  Dvorchak  Office  Phone:    404-­‐719-­‐8912  E-­‐mail:        Michael.Dvorchak@allnex.com  

Thank  you  

NoIce:  Trademarks  indicated  with  the  ®,  ™  or  *  are  registered,  unregistered  or  pending  trademarks  of  Allnex  IP  Sàrl  or  its  directly  or  indirectly  affiliated  Allnex  Group  companies.    

Disclaimer:  Allnex  Group  companies  (“Allnex”)  decline  any  liability  with  respect  to  the  use  made  by  anyone  of  the  informaIon  contained  herein.  The  informaIon  contained  herein  represents  Allnex's  best  knowledge  thereon  without  consItuIng  any  express  or  implied  guarantee  or  warranty  of  any  kind  (including,  but  not  limited  to,  regarding  the  accuracy,  the  completeness  or  relevance  of  the  data  set  out  herein).  Nothing  contained  herein  shall  be  construed  as  conferring  any  license  or  right  under  any  patent  or  other  intellectual  property  rights  of  Allnex  or  of  any  third  party.  The  informaIon  relaIng  to  the  products  is  given  for  informaIon  purposes  only.  No  guarantee  or  warranty  is  provided  that  the  product  and/or  informaIon  is  adapted  for  any  specific  use,  performance  or  result  and  that  product  and/or  informaIon  do  not  infringe  any  Allnex  and/or  third  party  intellectual  property  rights.  The  user  should  perform  its  own  tests  to  determine  the  suitability  for  a  parIcular  purpose.  The  final  choice  of  use  of  a  product  and/or  informaIon  as  well  as  the  invesIgaIon  of  any  possible  violaIon  of  intellectual  property  rights  of  Allnex  and/or  third  parIes  remains  the  sole  responsibility  of  the  user.    

©2015  Allnex  Belgium  SA.  All  Rights  Reserved.