บทนำเกี่ยวกับสารเคลือบที่บ่มด้วยรังสียูวี

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา เป้าหมายคือการลดปริมาณตัวทำละลายที่ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ สารเหล่านี้เรียกว่า VOCs (สารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วรวมถึงตัวทำละลายทั้งหมดที่เราใช้ ยกเว้นอะซิโตน ซึ่งมีปฏิกิริยาทางเคมีแสงต่ำมากและได้รับการยกเว้นจากการจัดเป็นตัวทำละลาย VOC

แต่จะเป็นอย่างไรหากเราสามารถกำจัดตัวทำละลายออกไปได้ทั้งหมด และยังคงได้ผลลัพธ์ที่ดีในการปกป้องและตกแต่ง โดยใช้ความพยายามน้อยที่สุด?
นั่นคงจะยอดเยี่ยมมาก และเราก็ทำได้ เทคโนโลยีที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้เรียกว่า การอบแห้งด้วยรังสียูวี (UV curing) ซึ่งถูกนำมาใช้ตั้งแต่ทศวรรษ 1970 สำหรับวัสดุหลากหลายชนิด รวมถึงโลหะ พลาสติก แก้ว กระดาษ และกำลังเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ กับไม้

สารเคลือบที่บ่มด้วยรังสียูวีจะแข็งตัวเมื่อสัมผัสกับรังสียูวีในช่วงนาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงความถี่ต่ำหรือต่ำกว่าแสงที่มองเห็นได้ ข้อดีของสารเคลือบชนิดนี้ ได้แก่ การลดหรือกำจัดสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) ได้อย่างมาก ลดของเสีย ใช้พื้นที่น้อยลง สามารถหยิบจับและจัดเรียงได้ทันที (จึงไม่จำเป็นต้องใช้ราวตากแห้ง) ลดต้นทุนแรงงาน และเพิ่มอัตราการผลิตให้เร็วขึ้น
ข้อเสียสำคัญสองประการคือ ต้นทุนเริ่มต้นของอุปกรณ์สูง และความยากลำบากในการตกแต่งชิ้นงานสามมิติที่ซับซ้อน ดังนั้นการนำเทคโนโลยีการอบแห้งด้วยรังสียูวีมาใช้จึงมักจำกัดอยู่เฉพาะโรงงานขนาดใหญ่ที่ผลิตชิ้นงานแบนราบ เช่น ประตู แผ่นผนัง พื้น บัว และชิ้นส่วนสำเร็จรูป

วิธีที่ง่ายที่สุดในการทำความเข้าใจสีเคลือบที่ใช้รังสียูวีคือการเปรียบเทียบกับสีเคลือบแบบใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่คุณอาจคุ้นเคยดี เช่นเดียวกับสีเคลือบแบบใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา สีเคลือบที่ใช้รังสียูวีก็มีส่วนประกอบของเรซินเพื่อให้ได้ความหนา ตัวทำละลายหรือสารเจือจาง ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเริ่มต้นการเชื่อมโยงและทำให้เกิดการแข็งตัว และสารเติมแต่งบางชนิด เช่น สารปรับผิวเรียบ เพื่อให้ได้คุณสมบัติพิเศษ

มีการใช้เรซินหลักหลายชนิด รวมถึงอนุพันธ์ของอีพ็อกซี ยูรีเทน อะคริลิก และโพลีเอสเตอร์
เรซินเหล่านี้ในทุกกรณีจะแข็งตัวมากและทนต่อตัวทำละลายและรอยขีดข่วน คล้ายกับวานิชแบบเร่งปฏิกิริยา (แบบแปลงสภาพ) ทำให้การซ่อมแซมแบบมองไม่เห็นทำได้ยากหากฟิล์มที่แข็งตัวแล้วเกิดความเสียหาย

สีเคลือบที่อบแห้งด้วยรังสียูวีสามารถมีส่วนประกอบของแข็ง 100 เปอร์เซ็นต์ในรูปของเหลว นั่นหมายความว่า ความหนาของสิ่งที่เคลือบลงบนไม้จะเท่ากับความหนาของสีเคลือบที่อบแห้งแล้ว ไม่มีส่วนประกอบใดระเหยไป แต่เรซินหลักมีความหนาเกินไปสำหรับการใช้งานที่ง่าย ดังนั้นผู้ผลิตจึงเติมโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาขนาดเล็กกว่าเพื่อลดความหนืด ซึ่งแตกต่างจากตัวทำละลายที่ระเหยไป โมเลกุลที่เติมเข้าไปเหล่านี้จะเชื่อมโยงกับโมเลกุลเรซินขนาดใหญ่เพื่อสร้างเป็นฟิล์ม

อาจเติมตัวทำละลายหรือน้ำเพื่อเจือจางเมื่อต้องการให้ฟิล์มเคลือบมีความบางลง เช่น สำหรับการเคลือบซีลเลอร์ แต่โดยปกติแล้วไม่จำเป็นต้องเติมเพื่อทำให้สีเคลือบสามารถพ่นได้ เมื่อเติมตัวทำละลายหรือน้ำแล้ว ต้องปล่อยให้ระเหยออกไป (หรือทำให้ระเหยในเตาอบ) ก่อนที่จะเริ่มการอบแห้งด้วยรังสียูวี

ตัวเร่งปฏิกิริยา
ต่างจากวานิชแบบใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะเริ่มแข็งตัวเมื่อเติมตัวเร่งปฏิกิริยาลงไป ตัวเร่งปฏิกิริยาในสีเคลือบที่แข็งตัวด้วยรังสียูวี ซึ่งเรียกว่า "ตัวเริ่มต้นปฏิกิริยาด้วยแสง" จะไม่ทำงานจนกว่าจะได้รับพลังงานจากรังสียูวี จากนั้นมันจะเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างรวดเร็วที่เชื่อมโยงโมเลกุลทั้งหมดในสีเคลือบเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเป็นฟิล์ม

กระบวนการนี้เองที่ทำให้สีเคลือบที่ใช้รังสียูวีมีความพิเศษไม่เหมือนใคร โดยพื้นฐานแล้วสีเคลือบชนิดนี้ไม่มีอายุการใช้งานหรือระยะเวลาเก็บรักษา มันจะคงอยู่ในรูปของเหลวจนกว่าจะสัมผัสกับรังสียูวี จากนั้นมันจะแข็งตัวสมบูรณ์ภายในไม่กี่วินาที โปรดจำไว้ว่าแสงแดดสามารถเร่งกระบวนการแข็งตัวได้ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับแสงแดดโดยตรง

อาจจะเข้าใจง่ายกว่าถ้าคิดว่าตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับสารเคลือบยูวีประกอบด้วยสองส่วนมากกว่าหนึ่งส่วน ส่วนแรกคือสารเริ่มต้นปฏิกิริยาด้วยแสง (photoinitiator) ที่มีอยู่แล้วในสารเคลือบ – ประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ของของเหลว – และส่วนที่สองคือพลังงานจากแสงยูวีที่จะไปกระตุ้นปฏิกิริยา หากขาดทั้งสองส่วนนี้ไป ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้น

คุณสมบัติเฉพาะนี้ทำให้สามารถนำละอองสีที่ฟุ้งกระจายกลับมาใช้ใหม่ได้แม้จะอยู่นอกช่วงแสงยูวี จึงสามารถลดปริมาณของเสียได้อย่างมาก
แสง UV แบบดั้งเดิมคือหลอดไอปรอทพร้อมตัวสะท้อนแสงรูปวงรีเพื่อรวบรวมและส่งแสงไปยังชิ้นส่วน แนวคิดคือการโฟกัสแสงเพื่อให้เกิดผลสูงสุดในการกระตุ้นปฏิกิริยาด้วยแสง

ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา หลอดไฟ LED (ไดโอดเปล่งแสง) เริ่มเข้ามาแทนที่หลอดไฟแบบดั้งเดิม เนื่องจากหลอด LED ใช้ไฟฟ้าลดลง มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า ไม่ต้องรอให้ร้อน และมีช่วงความยาวคลื่นแคบ จึงไม่ก่อให้เกิดความร้อนที่เป็นปัญหามากนัก ความร้อนนี้สามารถทำให้เรซินในเนื้อไม้ เช่น ไม้สน ละลายได้ และจำเป็นต้องระบายความร้อนออกไป
กระบวนการอบแห้งนั้นเหมือนกัน แต่ทุกอย่างขึ้นอยู่กับ “ระยะสายตา” สารเคลือบจะอบแห้งก็ต่อเมื่อแสง UV ตกกระทบจากระยะคงที่เท่านั้น บริเวณที่อยู่ในเงามืดหรืออยู่นอกจุดโฟกัสของแสงจะไม่อบแห้ง นี่เป็นข้อจำกัดที่สำคัญของการอบแห้งด้วย UV ในปัจจุบัน

ในการทำให้สารเคลือบผิวบนวัตถุที่มีโครงสร้างซับซ้อนแห้งสนิท แม้แต่สิ่งที่มีลักษณะเกือบแบนราบอย่างเช่นบัวเชิงผนัง จะต้องจัดเรียงแสงให้ส่องกระทบทุกพื้นผิวในระยะห่างคงที่เท่ากัน เพื่อให้ตรงกับส่วนผสมของสารเคลือบผิว นี่คือเหตุผลที่วัตถุแบนราบจึงเป็นส่วนใหญ่ของโครงการที่เคลือบด้วยสารเคลือบผิวแบบ UV

โดยทั่วไปแล้ว การจัดเตรียมสำหรับการเคลือบและการอบแห้งด้วยรังสียูวีมีสองแบบ คือ แบบเส้นตรง และแบบห้อง
ในกระบวนการผลิตแบบเส้นตรง วัตถุที่มีพื้นผิวเรียบหรือเกือบเรียบจะเคลื่อนไปตามสายพานลำเลียงภายใต้การพ่นหรือลูกกลิ้ง หรือผ่านห้องสุญญากาศ จากนั้นผ่านเตาอบหากจำเป็นเพื่อกำจัดตัวทำละลายหรือน้ำ และสุดท้ายภายใต้หลอดไฟ UV หลายดวงเพื่อทำให้แข็งตัว วัตถุเหล่านั้นสามารถนำมาวางซ้อนกันได้ทันที

ในห้องอบชิ้นงาน วัตถุต่างๆ มักจะถูกแขวนและเคลื่อนย้ายไปตามสายพานลำเลียงผ่านขั้นตอนต่างๆ ห้องอบชิ้นงานช่วยให้สามารถตกแต่งชิ้นงานทุกด้านได้พร้อมกัน และยังสามารถตกแต่งชิ้นงานสามมิติที่ไม่ซับซ้อนได้อีกด้วย

อีกความเป็นไปได้หนึ่งคือการใช้หุ่นยนต์หมุนวัตถุอยู่หน้าหลอดไฟ UV หรือถือหลอดไฟ UV แล้วเคลื่อนวัตถุไปรอบๆ หลอดไฟนั้น
ซัพพลายเออร์มีบทบาทสำคัญ
สำหรับการเคลือบและอุปกรณ์ที่ใช้รังสียูวีในการอบแห้ง การทำงานร่วมกับซัพพลายเออร์มีความสำคัญยิ่งกว่าการเคลือบด้วยสารเคลือบเงาแบบใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา เหตุผลหลักคือจำนวนตัวแปรที่ต้องประสานงานกัน ซึ่งรวมถึงความยาวคลื่นของหลอดไฟหรือ LED และระยะห่างจากชิ้นงาน สูตรของสารเคลือบ และความเร็วของสายการผลิตหากคุณใช้สายการผลิตแบบตกแต่งสำเร็จ