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Hojas de datos EPA: Revestimientos, tintas y adhesivos curados con ultravioleta y haz de electrones (Parte 4)

Consideraciones de costo
 
¿Los materiales curados con UV/EB son más costosos que los revestimientos, tintas y adhesivos convencionales?

 

Los revestimientos, tintas y adhesivos convencionales pueden emitir del 50% al 80% de su volumen como VOC. Este VOC se evapora y es transportado por el flujo de aire de ventilación de los procesos de aplicación y/o de los hornos térmicos que secan y curan este material. Las emisiones VOC de los materiales curados con UV/EB son mucho menores, con valores del 1% al 10% del peso del material UV/EB. Típicamente, las emisiones VOC provenientes de la mayoría de las aplicaciones de materiales UV/EB son menores que el 5% del peso de material aplicado. Observe también que virtualmente cada componente de un material curado con UV/EB forma parte del revestimiento, tinta o adhesivo curado, pero sólo el 20% al 50% de un material convencional (es decir, la resina y los pigmentos, pero no el solvente) se convierte en sólidos del revestimiento aplicado. Se necesitan menos galones de material UV/EB para cubrir la misma cantidad de área al mismo grosor de película. Por lo tanto, la mejor manera de comparar el costo de los materiales UV/EB y convencionales es en base a película sólida, en lugar de usar el costo por galón.

Un uso más eficaz de los materiales curados con UV/EB (basándose en la reutilización del exceso de pulverización) puede hacer que las operaciones UV/EB resulten más eficaces con respecto al costo que las operaciones convencionales. Además, hay más ahorros en los costos cuando se usa la tecnología UV/EB como resultado de menores requerimientos de energía, menor espacio en el piso, mayor productividad y ausencia de equipo de control adicional. El exceso de pulverización de los materiales UV/EB puede capturarse y reutilizarse de manera eficaz porque por lo general carecen de volátiles, y no se curarán a menos que queden expuesto a energía radiante UV/EB. Si la recirculación del material UV/EB es una alternativa factible, el costo de los materiales UV/EB en realidad podría ser de aproximadamente el 30% al 60% del costo de un revestimiento convencional en una base de película sólida comparable (esto es sólo para el costo del material).

El costo de los revestimientos curados con UV/EB “tal como fueron aplicados” es de aproximadamente un 15% mayor que los revestimientos convencionales en una base por galón. Sin embargo, tal como se indicó más arriba, más de la mitad de un revestimiento convencional se evapora y no forma parte del revestimiento curado final. Dado que los revestimientos curados con UV/EB sólo tienen una pérdida del 1 al 10 %, cuestan aproximadamente un 45 % menos que los revestimientos convencionales por pie cuadrado en base de película sólida. El reporte de CTC de 1991 indicó que los revestimientos UV/EB cuestan tanto como cuatro veces el costo de los revestimientos convencionales en una base por galón, y dos veces en una base de película sólida. A lo largo de los últimos 10 años, estas diferencias ya no son válidas debido a las reducciones del precio de los materiales curados con UV/EB. Cuando se consideran las tasas de producción más altas (junto con la reducción resultante de inventario en proceso), menor consumo de energía y reducción de los requisitos de espacio en el piso, en la mayoría de los casos las consideraciones económicas favorecen ampliamente a las tecnologías de revestimiento UV/EB frente a las convencionales. Se encuentran ventajas económicas similares en la industria de la impresión.

Las tasas de producción más altas para los procesos UV/EB se basan en un tiempo de curado más corto (más rápido). Los tiempos de curado más cortos resultan en unidades de curado más pequeñas (en comparación con los secadores térmicos convencionales) que requieren menos espacio en el piso (vea la Figura 14). Además, podría haber ahorros adicionales de espacio porque los productos curados con UV/EB no requieren tiempo de acondicionamiento en almacenamiento. Para los procesos convencionales que utilizan hornos térmicos, el producto que sale de un horno podría tener que retenerse durante varias horas (8 a 24 horas o posiblemente más) en almacenamiento si es necesario el acondicionamiento del sustrato (por ejemplo, para reducir fragilidad después de que un sustrato en papel haya estado sometido a calor y secado en un horno). Este acondicionamiento con frecuencia requiere almacenamiento a temperatura y humedad controladas. Este tipo de almacenamiento no es necesario para los productos después del curado con UV/EB. Por lo tanto, los procesos UV/EB podrían tener ventajas adicionales de espacio y productividad frente a las operaciones convencionales que requieren el acondicionamiento del producto después de salir de un horno térmico.

 

Como ejemplo, considere dos líneas de impresión con bandas de 10 pies de ancho que operan a 1,000 pies por minuto. Una línea de impresión utiliza tecnología UV y el material impreso sale de la unidad completamente curado. La otra línea de impresión utiliza tecnología convencional y el material impreso que sale del horno está lo suficientemente curado (es decir, ya no manchará). En esta comparación, el material convencional debe alcanzar ese punto en 6 segundos en un horno que se extiende 100 pies. Esto podría incluso ser un cálculo optimista. El proceso convencional podría tener que funcionar a mayor lentitud que esto, pero supondremos que el material convencional se curará lo suficientemente en 6 segundos. En comparación, el curado con UV demorará una fracción de un segundo y la unidad de curado con UV sólo ocupa 100 pies cuadrados. El horno térmico necesitará usar 1,000 pies cuadrados (10 x 100) de espacio de piso de alquiler a $0.50 por pie cuadrado por mes ($6.00 por pie cuadrado por año), para un total de $6,000 por año. La unidad de curado con UV sólo usará 100 pies cuadrados (10 x 10), y el costo de alquiler será de $600 por año. Para el mismo ejemplo, el consumo de energía para un horno térmico es de 1.5 MBTU/hr además de los sopladores a 56 kW. Supondremos que el consumo de gas natural será a $3.00 /MBTU y el consumo eléctrico será a $0.07/kW-hr. Si la planta opera 300 días por año en dos turnos, el costo total de energía para el horno térmico sería de $21,600 por año y el costo de electricidad para los sopladores sería de $18,816 por año.

En comparación, la unidad de curado con UV usaría 5.6 kW/lámpara multiplicado por 12 lámparas multiplicado por $0.07/kW-hr para obtener un costo de $22,579 por año y la ventilación costaría $336 por año para la misma base.

En resumen, el costo de operar una línea de impresión convencional en el ejemplo sería de $6,000 + $21,600 + $18,816 = $46,416. El costo de operar la línea de impresión con UV sería de $600 + $22.579 + $336 = $23,415. Éste es un ahorro en el costo operativo para la línea de UV frente a la línea convencional de por lo menos $23,001 ($46,416 – $23,415), o aproximadamente un 50% para este ejemplo hipotético.

El costo de capital de un horno térmico es significativo. El costo de capital de una unidad de curado con UV es casi trivial en comparación. Incluso una unidad de curado con EB debiera costar menos.

Tal como se indicó previamente, los revestimientos, tintas y adhesivos curados con UV/EB se curan rápidamente y pueden pasar a la siguiente operación de acabado en el proceso de producción inmediatamente. La única excepción (en este momento) es si se utilizan fotoiniciadores catiónicos. El curado catiónico demora unos pocos segundos en comparación con los curados casi instantáneos al usar fotoiniciadores por radicales libres.

El costo de la tecnología adicional de control de emisiones para revestimientos, tintas y adhesivos basados en solventes convencionales (es decir, VOC) puede tener valores de $250,000 a más de $3,000,000. Los revestimientos curados con UV/EB tienen mínimas emisiones VOC; y por lo tanto, no requieren controles adicionales. Los costos de capital y operación y mantenimiento de los controles de emisión necesarios para las aplicaciones convencionales deben incluirse en cualquier análisis comparativo de costos.

Cuando se usan materiales UV/EB, se deberían reducir las primas de seguro de incendio debido a la carencia de VOC inflamable. (Una compañía de seguros reportó una reducción del 5%). La ausencia de VOC inflamable en las instalaciones que usan la tecnología UV/EB debiera reducir los accidentes que conducen a incendio o explosión.

El equipo protector y las medidas de seguridad que deben utilizarse con los materiales UV/EB son típicas de las industrias químicas, de impresión, pintura y revestimiento en general. Si bien podría existir alguna variación en las precauciones de seguridad entre las instalaciones que usan materiales UV/EB en comparación con los materiales convencionales, las variaciones no debieran influir demasiado en el costo.

Los costos reales para implementar la tecnología UV/EB para una operación en particular variarán con el tiempo y las circunstancias. Deben obtenerse estimaciones de costo real para cada instalación y proceso en el momento de considerarse un cambio. El costo neto de un cambio a la tecnología de curado con UV/EB por lo general permite un retorno de la inversión al cabo de dos años.

 
RESUMEN
¿Cuáles son las ventajas de usar revestimientos, tintas y adhesivos curados con UV/EB?
 
  • Curado rápido – Funciona a tasas de producción más altas y se cura en menos tiempo que los revestimientos evaporativos.
  • Consumo de energía bajo – Usa mucho menos energía para el curado que los revestimientos evaporativos.
  • Diseño compacto – Usa mucho menos espacio en el piso que los revestimientos evaporativos convencionales.
  • Baja emisiones – Menos emisiones sin controles que la mayoría de los sistemas de revestimiento evaporativo convencional con controles de las emisiones.
  • Ventaja normativa – Fácilmente cumple con la mayoría de los requisitos normativas y elimina algunos.
  • Eficaz con respecto al costo – Reduce los costos iniciales y los tiempos de retorno de la inversión. No se requiere un acondicionamiento.
  • Produce un acabado de alta calidad – Se usa para muebles de calidad, revistas, componentes microelectrónicos.
  • Listo para usar – Los materiales se suministran listos para usar – no se requiere ningún tipo de mezclado.
  • Reusable/Reciclable – No se pierden volátiles en la aplicación y puede reutilizarse inmediatamente.
  • Se cura en la unidad de curado – No se cura en el equipo, puede dejarse ahí durante el fin de semana.
  • Menos exposición de los trabajadores a HAP/VOC – Ausencia de HAP/VOC en los materiales UV/EB.
  • Menos inflamable – Mayor seguridad, menores primas de seguro contra incendios.
  • Capacidad de reciclar el producto – El papel de los productos UV/EB se puede reciclar , incluso a un grado mayor.
 
Consideraciones de costo
 
  • Formación de neblinas/Exceso de pulverización –Las aplicaciones con rodillo y de impresión por pulverización y a alta velocidad pueden producir aerosoles que se pueden inhalar.
  • Toxicidad del aerosol – El aerosol no está curado, es tóxico y no desaparecerá sin una limpieza.
  • Higiene/Sensibilización de los trabajadores – Similar a otros procesos, pero diferente.
  • Tiene resultados diferentes.
  • Contaminación/Limpieza del lugar de trabajo – La contaminación persistirá y se esparcirá hasta que se limpie.Persistente en el medio ambiente – El material sin curar persistirá en la sombra.
  • Energía radiante UV/EB – Puede causar lesiones si se usa incorrectamente.
  • Resistencia del cliente – Riesgo histórico de no cumplir con las necesidades. Esto podría ser cosa del pasado.
 
Conclusiones
 

1. Los revestimientos, tintas y adhesivos curados con UV/EB se utilizan ampliamente y se espera que se usen aún más a medida que las personas se familiaricen con este material y los desarrolladores produzcan revestimientos, tintas y adhesivos nuevos, más seguros y mejores para aplicar a objetos o sustratos específicos.

2. La toxicidad de los revestimientos curados con UV/EB ha pasado de muy toxica a sólo ligeramente toxica. Se anticipan mayores avances en cuanto a la reducción de la toxicidad. Los revestimientos convencionales se consideran ligeramente tóxicos. Los revestimientos curados de todos los tipos por lo general están libres de toxicidad.

3. El uso de revestimientos, tintas y adhesivos curados con UV/EB requiere una buena higiene en la manipulación y el desecho de los residuos. Esta higiene es similar a lo que ya se está usando en las industrias de revestimiento, impresión y químicas. Sin embargo, cada situación requiere equipos algo diferentes.

4. El uso de energía radiante UV/EB para curar en lugar del calor para evaporar los VOC de los revestimientos y tintas reduce el consumo de energía, los riesgos de incendio, la necesidad de tecnología de control, los requerimientos de almacenamiento del producto en proceso, las necesidades de espacio en el piso, y, probablemente, las primas de seguro. Estas reducciones debieran proporcionar beneficios económicos potencialmente significativos.

 
Referencias
 

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44. Personal communication, Gary Jones, Graphic Arts Technical Foundation, January 31, 2000
 
Glosarios de términos
 
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Ácido(s) de
Arrhenius 		S. Arrhenius de Suecia definió un ácido como un donante de iones de hidrógeno. Dado el ión de hidrógeno está compuesto por un protón y un neutrón, es muy parecido a un ácido de Bronsted. Ver también ácido de Lewis.
Ácido(s) de
Bronsted 		J. N. Bronsted de Dinamarca definió un ácido como un donante de protones. Esta definición permitió incluir a los radicales orgánicos o a una zeolita entre los ácidos. Reemplazó el concepto de un donante de iones de hidrógeno para sustancias químicas que no se hidrolizan ni generan iones de hidrógeno. Ver también ácidos de Arrhenius, ácidos de Lewis.
Ácido(s) de Lewis G. N. Lewis definió un ácido como un aceptor de un par de
electrones. Ver también las definiciones de ácido de Arrhenius y
ácido de Bronsted.
Acrilato(s) Una sal orgánica (un éster) producida por la reacción de ácido
acrílico con una molécula orgánica. Se trata de cualquier molécula que tenga acoplada un radical acrílico.
Adhesivo(s) Revestimiento de diseño especial aplicado a un material para lograr que éste se pegue o adhiera a otra superficie (por ejemplo, el revestimiento aplicado para fabricar cintas y etiquetas piezosensibles).
Banda Toda tela, papel, película plástica, lámina metálica, metal en
planchas enrolladas u otros productos que son lo suficientemente flexibles como para ser desenrollados a partir de un rollo grande, recubiertos con una hoja, revestimiento por rodillos o huecograbado como una hoja continua y, después de curado, reenrollados.
Brehmsstrahlung En alemán, Brehmsstrahlung significa literalmente radiación con
frenos o causada por retardos. Brehmsstrahlung es la energía
perdida en el impacto elástico de los electrones, o la energía perdida cuando un electrón pasa de una órbita más grande a una más pequeña. Se irradia como rayos X.
Catalizador(es) Existen dos tipos de catalizadores: heterogéneos y homogéneos. Ambos afectan la velocidad de las reacciones químicas. Un catalizador heterogéneo es una sustancia dentro de otra fase (sólida, líquida o gas). Un catalizador homogéneo es una sustancia dentro de la misma fase. Los catalizadores heterogéneos no participan en la reacción, pero los catalizadores homogéneos sí pueden participar en la reacción.
Catiónico/Polimeri
zación catiónica 		Un ión con valencia positiva que es atraído al cátodo durante la
electrólisis. Un fotoiniciador catiónico es aquel que se descompone bajo la energía radiante UV/EB o a partir de ácidos de Bronsted para formar cationes que causan que ocurra la polimerización mediante un mecanismo iónico.
Diluyente(s) Una sustancia química de baja viscosidad que se agrega a una
mezcla para reducir la viscosidad general. Esto incluye diluyentes reactivos que forman parte de la molécula del polímero en el momento de la polimerización. Los diluyentes reactivos pueden ser VOC antes de la polimerización, pero dejan de serlo después de la polimerización.
Diluyente(s)
reactivo(s) 		Ver Diluyentes
Dímero(s)