| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Substitution af diffundérbare råvarer i UV-hærdende lakker til træmøbler

5 Indledende forsøg/formuleringer

• 5.1 Metode
  • 5.1.1 Forsøgsopstilling og beskrivelse
• 5.2 Første forsøgsrunde
  • 5.2.1 Formulering af testlakker – første testserie
  • 5.2.2 Analyseresultater – første forsøgsrunde
• 5.3 Anden forsøgsrunde
  • 5.3.1 Udvælgelse af monomere/oligomere og bindemidler til Testserie II
  • 5.3.2 Formuleringer i Testserie II
  • 5.3.3 Analyseresultater – Testserie II
  • 5.3.4 Konklusion

Den indledende miljø- og sundhedsscreening af de alternative råvarer gav ikke et klart billede af om nogle råvarer var mere miljø- og/eller sundhedsvenlige end andre. Nogle enkelte stoffer kunne udelukkes som værende gode alternativer, men ellers var der ikke noget entydigt svar på, hvilke alternativer, der skulle satses på i det videre forløb. Målet var derfor at finde frem til en lakblanding, som efter hærdning, afgav mindst mulig restmonomer til indeklimaet.

5.1 Metode

Der blev udført to forsøgsrunder, Testserie I og Testserie II, hvor mængden af fri restmonomer efter lakpåføring på bøgetræ og UV-hærdning blev målt. Testserie I bestod igen af to forsøgsrækker:

I Testserie I-1 blev en række monomere og oligomere kombineret med det samme bindemiddel og i Testserie I-2 blev én monomer kombineret med en række bindemidler. Resten af UV-blandingen forblev identisk, Figur 5-1:

Figur 5-1 Indhold af Testserie I-1 og I-2

Klik her for at se Figur 5-1.

Der er udført forsøg med i alt 18 bindemidler og 13 monomerer/oligomerer, samt de eksisterende typiske anvendte UV monomerer HDDA (1,6-hexandioldiakrylat – CAS 13048-33-4), DPGDA (dipropylenglycol diakrylat – CAS 57472-68-1), og TPGDA (tripropylenglycol diakrylat – CAS 42978-66-5).

Det skal nævnes, at ikke alle bindemidler og monomere/oligomere var fuldt kommercielt tilgængelige og markedsført. Leverandørerne fremsendte også prøver fra deres udviklingsafdelinger. Den kommercielle tilgængelighed blev derfor også en faktor i den endelige udvælgelse.

De i alt 34 forskellige UV-lakblandinger blev påført på et stykke træ i et tyndt lag på 60 µm med applikator, hvorefter det blev hærdet ved UV-lys. Efter hærdning blev laklaget skrællet af, og der blev på dette lag analyseret for indhold af ekstraherbar fri monomer (HDDA, DPGDA og TPGDA). Den detaljerede forsøgsbeskrivelse er skildret neden for.

De monomerer/oligomerer og bindemidler med den laveste koncentration af fri ekstraherbar monomer blev udvalgt til anden testrunde, Testserie II, hvor der blev sammensat forskellige kombinationer af monomer/oligomer og bindemidler for at teste, hvilken kombination, der fungerede bedst (dvs. hærder godt m.m.), og som samtidig havde den laveste koncentration af fri, ektraherbar monomer.

Specifikt udvalgtes seks forskellige bindemidler (to af dem aminmodificerede) og fire forskellige monomerer/oligomerer til Testserie II. Forsøgene i Testserie II blev foretaget på samme måde som i Testserie I.

5.1.1 Forsøgsopstilling og beskrivelse

Til test af restmonomer i UV-lak blev de forskellige nye UV-lak formuleringer påført samme træsort: Ovntørret, høvlet og slebet bøgetræ-paneler i dimensionen 250 x 90 x 20 mm.

For at undersøge træsortens indflydelse udførtes indledningsvist en ekstraktionsanalyse på tre ubehandlede træsorter: Fyr, ask og bøg. Ingen af træsorterne viste rester af monomere.

UV-lak blandingerne blev påført på bøgepanelerne i 6 cm’s bredde med en fire-sidet spalteapplikator model Sheen 1107/60. Den valgte spalteåbning for alle applikationer var 60 µm, hvilket måltes til en påført tør lakmængde svarende til 31-35 g lak/m². Denne lakmængde anbefales af Teknos og møbelproducenterne som højeste mængdestandard for behandling af bøgetræ, når man ønsker en fyldig behandling.

Lakken blev hærdet på en laboratorieforsøgs UV-lampe med transportør model Efsen Engineering F300S/LT-6. Lampens effekt var 120W/cm. Fremføringshastighed var 15 m/min for alle forsøg med træpaneler.

Inden for 3 timer efter påføringen blev de lakerede bøgepaneler opskåret i stave i bredder på 20 mm, således at stavenes ene langside var helt dækket med lak. Herefter blev den lakerede side skåret fri som tynde lakerede træ-strimler i en tykkelse på 2 mm. Efter denne opskæring blev strimlerne skåret igennem på tværs med 20 mm’s afstand. Herved blev 2 x 25 stk. ”lak-kuponer” i dimensionen 20 x 20 x 2 mm fremstillet. Hver portion med 25 kuponer blev overført til en fordampningskolbe i en ekstraktionsopstilling og overhældt med 100 ml ekstraktionsvæske, hvorefter kuponerne blev dampet i en time ved 120 °C. Efter behandlingen blev kolbens kuponer filtreret fra, skyllet med acetone, og ekstraktet efterfyldt til 100 ml, også med acetone. 2 ml af væsken blev derefter udtaget til GC-analyse.

Ekstraktionsvæsken bestod af 300 mg intern standard (methylheptadecanoat) og 300 mg inhibitor MEHQ (hydroquinon monomethyl ether) - efterfyldt til 1 liter med acetone.

Der blev foretaget dobbeltbestemmelser på alle lakprøver.

Den beskrevne opskærings- og analysemetodemetode følger anvisningerne i IKEA-normen.

5.2 Første forsøgsrunde

For at kunne sammenholde resultaterne af de målte mængder frie monomer i de forskellige blandinger, blev der i første forsøgsrunde holdt én af parametrene fast (dvs. enten fast monomer/oligomer eller fast bindemiddel). På denne måde var det muligt at udvælge de monomere/oligomere eller bindemidler med den laveste mængde uhærdet monomer (fri monomer).

5.2.1 Formulering af testlakker – første testserie

5.2.1.1 Testserie I-1. Formulering af testlak til prøvning af monomer og oligomer

Der blev fremstillet en forholdsvis simpel blanding til testen, som kun indeholdt bindemiddel og fotoinitiator, samt 65% af den monomer eller oligomer, der skulle testes. Blandingen blev sammensat som vist i tabellen herunder.

5.2.1.2 Testserie I-2. Formulering af testlak til prøvning af bindemidler

Til test af bindemidlerne er der fremstillet to formuleringer, da nogle bindemidlerne er amin modificeret og derfor kræver en anden formulering. Formuleringen til test af de ikke amin modificerede bindemidler kan ses i Tabel 5-2 herunder.

De aminmodificerede bindemidler er testet i følgende formulering, Tabel 5-3.

De tre standardformuleringer skal således først og fremmest illustrere egen-emissionen fra de enkelte individuelle bindemidler hhv. monomere/oligomere. Formuleringerne indeholder derfor grundlæggende ikke komponenter, som kan reagere med hinanden og binde eventuelle emitterende monomere.

5.2.2 Analyseresultater – første forsøgsrunde

5.2.2.1 Viskositet og hærdning

I forbindelse med fremstillingen af de forskellige blandinger blev viskositeten for disse også målt. Målingen blev foretaget i en DIN CUP 4 ved 20 °C. Derudover blev blandingerne sammenlignet med Teknos’ på det tidspunkt markedsførte UV-sprøjtelakker Uvilux 1493-11-HY9889 og Uvilux 1490-11- HY3300. I tabellerne nedenfor kan de forskellige monomere/oligomere og bindemidler ses, samt viskositeten for de forskellige monomer/oligomer-blandinger (Testserie I-1). Der måltes ikke viskositet på blandingerne med forskellige bindemidler (Testserie I-2), da den benyttede samme monomer (DPGDA) var særdeles tynd, så alle blandinger var sprøjteegnede.

Note: * 30 mµ appliceret på glas sammen med standarden og UV-hærdet ved 10 m/min.
# Hærder dårligt selv ved 5 m/min

Jo højere viskositet jo mindre vil produktet være egnet til sprøjtepåføring, fordi høj viskositet vil kræve en fortynding af den endelige lakformulering. Monomere, som i denne sammenhæng medfører viskositetsværdier over ca. 150 sek./DIN 4, vurderes derfor som ikke egnede og frasorteres til en slutformulering.

Note: * 30 mµ appliceret på glas sammen med standarden og UV-hærdet ved 10 m/min.

Note: * 30 mµ appliceret på glas sammen med standarden og UV-hærdet ved 10 m/min.

5.2.2.2 Måling af restmonomer

Der er målt på summen af DPGDA (D) + HDDA (H) + TPGDA (T) emissioner, samt den totale emission. Kolonnen ”andre” dækker således over uspecificerede akrylater, som f.eks. akrylsyre og polyethylenglycol-diakrylat.

Tabellerne 5-7 og 5-8 angiver emissionerne fra blandinger med hhv. varierende monomere (Testserie I-1) og varierende bindemidler (Testserie I-2).

*) Summen af DPGDA+HDDA+TPGDA emissioner
**): Uspecificerede akrylater

*) Summen af DPGDA+HDDA+TPGDA emissioner
**): Uspecificerede akrylater

I de to testserier vil de formuleringer med de laveste emissionsværdier være interessante for videre forsøg, men viskositetsmålingerne angivet i tabel 5-4 vil også influere på udvælgelsen. F.eks. kunne blanding M5 være interessant pga. blandingens lave emission på 25 mg/m² (Tabel 5-7), men blandingens høje viskositet på 409 sek. (Tabel 5-4) umuliggør dens praktiske anvendelse.

5.2.2.3 Konklusion

Ud fra de to testserie-målinger blev fire monomer-blandinger udvalgt, som på den ene side havde de laveste viskositeter, men samtidigt også de laveste emissioner: M3, M4, M8 og M5.

Desuden blev de seks bindemiddelblandinger, som havde de laveste emissioner valgt: B9, B17, B10, B2, B1, B4.

Kombinationer af disse indgik i næste forsøgsrunde.

5.2.2.4 Måling på kommercielle lakker

Til sammenligning blev der foretaget tilsvarende målinger af fri ekstraherbar restmonomer på to af Teknos’ daværende UV-hærdende møbellakker. Resultaterne er præsenteret nedenfor.

*) Summen af DPGDA+HDDA+TPGDA emissioner
**): Uspecificerede akrylater

Det ses, at de ved forsøgets start markedsførte lakker ikke opfylder IKEAs emissionsgrænser på maksimalt 800 mg/m². Da forsøgsresultatet blev kendt i 2008, blev lakkerne derfor øjeblikkeligt omformuleret.

5.3 Anden forsøgsrunde

5.3.1 Udvælgelse af monomere/oligomere og bindemidler til Testserie II

5.3.1.1 Monomererne og oligomererne

En almindelig lak påført ved sprøjtning fortyndes med f.eks VOC-holdig cellulosefortynder, men det specielle ved UV-lakker er, at monomeren kan fungere som en råvare, der fortynder UV-lakken, men som også hærder til et (næsten) ufordampeligt fast stof efter UV-hærdning. Som beskrevet oven for blev monomererne/oligomererne derfor valgt ud fra, hvor meget de bidrog til mængden af ekstrahérbare stoffer, men også hvor stor en fortyndingseffekt de havde. Som nævnt blev følgende monomer/oligomer-blandinger valgt:

• M3
• M4
• M8
• M15

5.3.1.2 Bindemidlerne

Bindemidlerne blev udvalgt på baggrund af deres bidrag til ekstrahérbar materiale, således at de bidrog med så lidt som muligt. Ud fra en vurdering af resultaterne blev grænsen for dem sat til 3500 mg/m². Følgende seks bindemidler blev udtaget i den videre test:

• B1
• B2
• B4
• B9*
• B10
• B17*

Bindemidlerne mærket med * er amin-modificerede bindemidler og derfor blev de afprøvet i en speciel formulering, se nedenfor.

5.3.2 Formuleringer i Testserie II

På forhånd kunne det ikke forudsiges, hvor godt de forskellige monomere og oligomere ville fortynde bindemidlerne. Derfor blev en DPGDA-blanding fremstillet, som indeholdt de øvrige råvarer fra formuleringen; og i denne blanding blev forholdet mellem disse øvrige råvarer holdt konstant. DPGDA-blandingen blev benyttet, når viskositeten skulle bringes ned til intervallet 20-28 sek/DIN 4.

Formuleringerne, der blev benyttet til at teste de to typer af bindemidler i kan ses herunder. Bindemidlerne blev kombineret enkeltvis med en monomer/oligomer, dvs. hver eneste af de udvalgte seks bindemidler blev testet med hver af de udvalgte fire monomere/oligomere.

Kombinationerne til Testserie II blev derved:

Desuden havde Teknos fremstillet et antal forsøgslakker baseret på eksisterende produkter, men hvor man inkluderede erfaringer fra Testrunde I. Disse forsøgslakker – angivet med et referencenummer - blev både påført og analyseret som grundlakker alene eller som fulde laksystemer, dvs. med påført og UV-hærdet grundlak, let mellemslibning og UV-hærdet dæklak:

5.3.3 Analyseresultater – Testserie II

Efter påføring, UV-hærdning og analyse blev følgende værdier målt:

*) Summen af DPGDA+HDDA+TPGDA emissioner

Alle målte værdier ligger under IKEA’s fastsatte ekstraktionsgrænse på 800 mg/m², fig. 5-2.

Figur 5-2. testserie II. Kombinationer. Ekstraherbar monomer emission mg/m²

Modsat resultaterne fra Testserie 1 ses, at en optimering af bindemiddel- og monomer/oligomer sammensætningerne kan give emissionsværdier som ligger under tidligere individuelle værdier. Eksempelvis:

Testserie I:
- B1: 3300 mg/m²
- M8: 140 mg/m²

Testserie II:
Kombination II-11:
- B1+M8: 8 mg/m²

De reagerende komponenter i hhv. bindemiddel og monomer/oligomer har ved deres polymerisation – forårsaget af UV-bestrålingen - drastisk begrænset de flygtige stoffer i lakblandingen.

Emissionen fra Teknos’ forsøgslakker var:

Også i dette forsøg ses, at adskillige lakker ligger under den ønskede grænse, fig. 5-3.

Figur 5-3 testserie II. Kombinationer.
Ekstraherbar monomer emission mg/m²

Det skal fremhæves, at de undersøgte lakbehandlinger fra II-T4 til og med II-T12 i modsætning til tidlige består af to lag lak. Dette medfører bl.a. at grundlakken bliver UV-belyst to gange. Det har også en indflydelse på emissionen: UV-grundlakken polymeriserer bedre og får derved mindre emission. Eksempelvis:

Testserie I:
- 1 x forsøgslak 1399059:
II-T1: 1706 mg/m²

Testserie II:
- 2 x forsøgslak 1399059:
II-T4: 483 mg/m²

Endvidere har den manglende absorption af det sidste lag lak ind i træet også betydet en bedre lakhærdning – og dermed også medført reduktion af monomer-emissionen.

5.3.4 Konklusion

Testserie II viser, at de 24 kombinationer af de fra testserie I udvalgte fire monomere/oligomere og seks bindemidler alle havde emissionsgrænser under IKEA’s grænseværdi på 800 mg/m² for fri esktraherbar monomer (på det færdige produkt efter UV-hærdning (IKEA Specifications, 2006)), når de blev påført og hærdet én gang. De kunne derfor i princippet alle benyttes at lakere møbler med.

Teknos’ forsøgslakker var baseret på resultaterne fra de 24 blandinger samt tidligere kommercielle og tekniske erfaringer inden for UV-lak udvikling. Nogle af lakkerne var også tidligere forsøgsblandinger fra før projektets start. Nogle af dem viste sig ikke at opfylde emissionsgrænsen, f.eks. lakkombination II-T7.

Testserie II viste også, at når der påføres to lag fås helt andre emissioner end hvis der kun påføres et lag – det første lag lak spærrer for yderligere indtrængning i træet fra dæklakken, og de to gange UV-belysning af grundlakken udhærder denne bedre med mindre emissioner til følge.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Januar 2011, © Miljøstyrelsen.