استكشاف تطور الأحبار المائية ودراسة أحبار البولي يوريثين ذات الأساس المائي الصديقة للبيئة

لطالما كان تلوث الهواء مصدر قلق كبير، حيث تساهم انبعاثات الغازات السامة مثل المركبات العضوية المتطايرة بشكل كبير إلى جانب الظواهر الطبيعية مثل العواصف الترابية. ومع تزايد الوعي بحماية البيئة وتنفيذ السياسات الوطنية المختلفة، واجهت صناعة الطباعة، وهي مصدر رئيسي لانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة، إصلاحًا لا مفر منه. ونتيجة لذلك، أصبحت أحبار الطباعة الصديقة للبيئة نقطة محورية في أبحاث صناعة الطباعة العالمية. من بين الأحبار الصديقة للبيئة المتوفرة، بما في ذلك الأحبار ذات الأساس المائي والأحبار القابلة للمعالجة بالطاقة والأحبار المعتمدة على الزيوت النباتية، تعد الأحبار ذات الأساس المائي هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. تحتوي الأحبار ذات الأساس المائي على نسبة أقل من المذيبات العضوية، مما يقلل من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة ويتوافق مع مبادئ حماية البيئة. ومع ذلك، فإن الأحبار ذات الأساس المائي لها أيضًا عيوب مثل بطء أوقات التجفيف والمعالجة وضعف مقاومة الماء والقلويات، مما يحد من استخدامها في الأحبار الصناعية التقليدية. وبالتالي، أصبح تحسين نقاط الضعف هذه من خلال تعديل الراتنج موضع تركيز كبير. توضح هذه الورقة تطوير وتطبيق الأحبار المائية، ودراسة تعديلات الراتنج، والتقدم المحرز في الأبحاث المتعلقة بأحبار الطباعة باستخدام البولي يوريثان المائي، والآفاق المستقبلية في هذا المجال.

• تجريبي

1. تطوير الأحبار المائية

تتمتع الأحبار بتاريخ طويل، حيث ظهرت جنبًا إلى جنب مع اختراع الطباعة. بعد إدخال صبغة الليثول الحمراء في عام 1900، انتشرت الأحبار على نطاق واسع، مما دفع البلدان إلى الاستثمار في أبحاث الحبر. الأحبار ذات الأساس المائي هي مشتقات ناتجة عن زيادة الطلب على الحبر العملي. بدأت الأبحاث حول الأحبار المائية في الخارج في الستينيات، وذلك في المقام الأول لتسريع معدلات الطباعة وتقليل الاعتماد على المواد الخام المعتمدة على النفط. استخدمت هذه الأحبار مركبات عضوية مثل البنزين والشيلاك أو لجنوسلفونات الصوديوم كمواد رئيسية لتلبية احتياجات الطباعة في ذلك الوقت. في السبعينيات، طور الباحثون راتينج مستحلب بوليمر بهيكل أساسي وشبكة عن طريق بلمرة مونومرات الأكريليك مع الستايرين، والحفاظ على لمعان الأحبار ومقاومتها للماء مع تلبية المتطلبات البيئية. ومع ذلك، مع زيادة الوعي البيئي وسن قوانين بيئية أكثر صرامة، انخفضت نسبة المواد العضوية القائمة على البنزين في الأحبار. بحلول الثمانينيات، قدمت دول أوروبا الغربية مفاهيم وتقنيات "الطباعة بالحبر الأخضر" و"الطباعة بالحبر المائي الجديد".

بدأت صناعة الحبر في الصين في أواخر عهد أسرة تشينغ بإنتاج العملة، واعتمدت بشكل كبير على الأحبار المستوردة حتى عام 1975، عندما قام مصنع حبر تيانجين ومصنع حبر غانغو بتطوير وإنتاج أول حبر حفر مائي محلي. بحلول التسعينيات، استوردت الصين أكثر من 100 خط إنتاج للطباعة الفليكسو، مما أدى إلى تقدم سريع في استخدام الأحبار المائية. في عام 2003، نجح معهد أبحاث التكنولوجيا الصناعية الصيني في تطوير المنتجات ذات الصلة، وفي أوائل عام 2004، أنتجت شركة Shanghai Meide حبرًا مائيًا بالكامل، ذو درجة حرارة منخفضة، وهو حبر متصلد بالحرارة يلبي المعايير اليابانية والألمانية. على الرغم من أن أبحاث الصين بشأن الأحبار المائية شهدت تطورًا سريعًا في أوائل القرن الحادي والعشرين، فقد حققت الدول الغربية بالفعل تقدمًا كبيرًا: حوالي 95% من منتجات فليكسو و80% من منتجات الحفر في الولايات المتحدة تستخدم الأحبار المائية، في حين أن المملكة المتحدة واعتمدت اليابان الأحبار المائية لتغليف المواد الغذائية والأدوية. وبالمقارنة، كانت التنمية في الصين أبطأ.

ومن أجل تعزيز السوق بشكل أكبر، قدمت الصين أول معيار للحبر المائي في مايو 2007، وفي عام 2011 دعت إلى "تطوير الابتكار الأخضر"، بهدف استبدال الأحبار القائمة على المذيبات بالأحبار المائية. وفي "الخطة الخمسية الثالثة عشرة" لعام 2016 لصناعة الطباعة، كانت "الأبحاث حول المواد البيئية القائمة على الماء" و"الطباعة الخضراء" هي نقاط التركيز الرئيسية. بحلول عام 2020، أدى الترويج الوطني للطباعة الخضراء والرقمية إلى توسيع سوق الحبر المائي.

2. تطبيق الأحبار المائية

في أوائل القرن العشرين، استخدمت الولايات المتحدة لأول مرة الأحبار ذات الأساس المائي في الطباعة الفلكسوغرافية. بحلول السبعينيات، تم استخدام أحبار الحفر المائية عالية الجودة على نطاق واسع في العديد من أوراق التغليف، وأرفف الكتب السميكة، والكرتون. في الثمانينيات، تم تطوير الأحبار المائية اللامعة وغير اللامعة لطباعة الشاشة في الخارج، مما أدى إلى توسيع نطاق تطبيقها ليشمل الأقمشة والورق والـ PVC والبوليسترين ورقائق الألومنيوم والمعادن. حاليًا، نظرًا لخصائصها الصديقة للبيئة وغير السامة والآمنة، يتم استخدام الأحبار المائية بشكل أساسي في طباعة عبوات المواد الغذائية، مثل عبوات التبغ وزجاجات المشروبات. مع تحسن القوانين البيئية، يستمر استخدام الأحبار المائية في التنوع والتكثيف. وتعمل الصين أيضًا على تعزيز استخدامها بشكل تدريجي في صناعة الطباعة.

• النتائج والمناقشة

1. البحث عن تعديلات الراتنج

يتأثر أداء الحبر باختلافات الراتنج. بشكل عام، تكون راتنجات الحبر ذات الأساس المائي عبارة عن بولي يوريثين، أو مستحلبات أكريليك معدلة، أو راتنجات بولي أكريليك. تُستخدم راتنجات البولي يوريثان ذات الأساس المائي (WPU) ذات اللمعان الفائق على نطاق واسع في طباعة التغليف. وبالتالي، أصبح تحسين أداء WPU لتحسين صداقة الحبر المائي ولمعانه للبيئة محط اهتمام في صناعة الطباعة.

2. تعديل مادة البولي يوريثان ذات الأساس المائي

يمكن تصنيف البولي يوريثان ذو الأساس المائي، والذي يتكون من بوليولات منخفضة الوزن الجزيئي، إلى أنواع البوليستر والبولي إيثر والهجين. بناءً على الخصائص المختلفة لبوليمرات البوليستر والبولي إيثر، تختلف قوتها وثباتها. بشكل عام، تتمتع البولي يوريثان البولي إيثر بقوة وثبات أقل من البولي يوريثان البوليستر ولكنها تظهر مقاومة أفضل لدرجات الحرارة العالية وتكون أقل عرضة للتحلل المائي. على سبيل المثال، تؤدي زيادة "تماسك" الحبر باستخدام إيثر أحادي ميثيل البولي إيثيلين جلايكول إلى تحسين خصائص تحمله. ومع ذلك، هذه ليست سوى نقطة مرجعية. تتبنى معاهد البحوث المختلفة أساليب مختلفة لتعزيز جوانب محددة من WPU.

على سبيل المثال، في عام 2010، تم اختيار راتنجات الإيبوكسي ذات الصلابة العالية وقوة التأثير لمعالجة مشاكل لزوجة الحبر والالتصاق، وبالتالي تعزيز قوة الحبر. في عام 2006، استخدمت دراسة نشرتها جامعة بكين الكيميائية مادة البولي يوريثين القائمة على جلايكول الإيثيلين لتشكيل راتينج خاص بجزء ناعم طويل، مما يحسن مرونة الحبر ويقوي الحبر المائي بشكل غير مباشر. تحقق بعض الفرق نتائج التعديل عن طريق إضافة مواد كيميائية: دمج السيليكا أو السيليكون العضوي لتحسين WPU، مما يؤدي إلى تعزيز قوة شد الحبر. يُستخدم بولي يوريثين بوتادين نيتريل المنتهي بالكربوكسيل لتحسين أداء ثني الحبر واللزوجة، والتكيف مع البيئات الأكثر تعقيدًا.

وبالتالي، يقوم الباحثون عادةً باختيار بوليسترات معينة بناءً على خصائص الحبر، واستخدام الأحماض المتعددة والبوليولات المناسبة لتصنيع بوليولات البوليستر المقاومة للحرارة، وإدخال مجموعات قطبية ذات التصاق قوي، واختيار المواد الخام المناسبة لتحسين تبلور البولي يوريثان، واستخدام عوامل اقتران لتعزيز لاصق WPU. مقاومة الرطوبة والحرارة.

3. تعديل مقاومة الماء

نظرًا لأن الحبر يستخدم بشكل أساسي في التغليف الخارجي ويلامس الماء بشكل متكرر، فإن مقاومة الماء الضعيفة يمكن أن تؤدي إلى انخفاض الصلابة واللمعان وحتى تقشير الحبر أو تلفه، مما يؤثر بشكل كبير على أداء التخزين. يؤدي تحسين مقاومة WPU للماء إلى تحسين أداء تخزين الحبر عن طريق استخدام البوليولات ذات المقاومة الجيدة للماء كمواد. على سبيل المثال، تعديل WPU باستخدام مونومرات الأكريليك أو ضبط محتوى راتنجات الإيبوكسي يمكن أن يحسن مقاومة الحبر للماء.

بصرف النظر عن استخدام البوليمرات ذات المقاومة العالية للماء لتحل محل البولي يوريثان القياسي، غالبًا ما يضيف الباحثون مواد عضوية أو غير عضوية لتحقيق التأثير المطلوب. على سبيل المثال، يؤدي دمج السيليكا النانوية في الراتنج إلى تعزيز مقاومة الماء وقوته، وهي طريقة مستخدمة على نطاق واسع في إنتاج الحبر. تعمل "طريقة البلمرة المشتركة للمستحلب" على إنشاء PUA مركب لتحسين مقاومة الماء، بينما تعمل طرق مثل تعديل البولي إيثيلين جلايكول مونوميثيل إيثر وتوليف الأسيتون لـ WPU المعدل بالسيليكون العضوي على تعزيز مقاومة الماء.

4. تعديل مقاومة درجات الحرارة العالية

بشكل عام، مقاومة WPU لدرجات الحرارة العالية ضعيفة نسبيًا، مما يحد من مقاومة الحبر المائي للحرارة. عادةً ما تتمتع البولي يوريثان البولي إيثر بمقاومة أفضل لدرجات الحرارة العالية مقارنة بالبولي يوريثان البوليستر بسبب عدد الروابط المزدوجة. تؤدي إضافة بوليمرات طويلة السلسلة أو استرات/إثيرات حلقة البنزين كمونومرات بلمرة إلى تحسين مقاومة البوليمر لدرجات الحرارة العالية، وبالتالي مقاومة حرارة الحبر المائي. إلى جانب استخدام البولي يوريثان طويل السلسلة، تستخدم بعض الفرق مواد مركبة لزيادة التعقيد وتعزيز مقاومة درجات الحرارة العالية. على سبيل المثال، فإن إضافة أنتيمون أكسيد القصدير النانوي إلى WPU المُصنَّع من DMPA، والبولي إيثر 220، وIPDI يمكّن طبقات الحبر من امتصاص الحرارة، مما يحسن مقاومة درجات الحرارة العالية. كما أن إضافة هلام السيليكا الهوائي إلى مادة البولي يوريثين يقلل أيضًا من التوصيل الحراري ويعزز مقاومة الحبر للحرارة.

5. تعديل الاستقرار

يؤثر استقرار WPU بشكل كبير على أداء تخزين الحبر المائي. إلى جانب مقاومة الماء ودرجات الحرارة العالية، يعد الوزن الجزيئي وترتيب البنية أمرًا بالغ الأهمية. تكون راتنجات البوليستر بشكل عام أكثر استقرارًا من راتنجات البولي إيثر بسبب وجود روابط هيدروجينية أكبر في التركيب الجزيئي. تؤدي إضافة مواد الإستر لتكوين البولي يوريثان المختلط إلى زيادة الاستقرار، مثل استخدام مشتت الإيزوسيانات والسيلان لإنشاء وحدة WPU ثنائية المكونات مع تحسين الاستقرار ومقاومة التآكل. يمكن للمعالجة الحرارية والتبريد أيضًا إنشاء المزيد من الروابط الهيدروجينية، وإحكام الترتيب الجزيئي وتعزيز استقرار WPU وأداء تخزين الحبر المائي.

6. تحسين الالتصاق

في حين أن تحسين WPU يعمل على تحسين مقاومة الماء، ومقاومة درجات الحرارة العالية، والاستقرار، فإن وحدات WPU لا تزال تظهر التصاقًا ضعيفًا بالمنتجات البلاستيكية المصنوعة من البولي إيثيلين (PE) بسبب الوزن الجزيئي والقطبية. عادةً، تتم إضافة بوليمرات أو مونومرات ذات قطبية ووزن جزيئي مماثلة لتحسين WPU وتعزيز التصاق الحبر المائي بالمواد غير القطبية. على سبيل المثال، تعمل عملية البلمرة المشتركة WPU مع راتنج البولي فينيل كلوريد-هيدروكسي إيثيل أكريليت على تحسين الالتصاق المقاوم للماء بين الأحبار والطلاءات. تؤدي إضافة راتنجات البوليستر الأكريليك إلى WPU إلى إنشاء بنية رابط جزيئي فريدة من نوعها، مما يعزز بشكل كبير التصاق WPU. ومع ذلك، يمكن أن تؤثر هذه الطرق على خصائص الحبر الأصلي مثل اللمعان. ولذلك فإن التقنيات الصناعية تعالج المواد دون تغيير خصائصها لتحسين التصاق الحبر، مثل تنشيط الأسطح بالأقطاب الكهربائية أو المعالجة باللهب على المدى القصير لزيادة الامتصاص.

• خاتمة

حاليًا، تُستخدم الأحبار المائية على نطاق واسع في تغليف المواد الغذائية وتغليف الأدوية وورش العمل والكتب وغيرها من الطلاءات أو تطبيقات الطباعة. ومع ذلك، فإن قيود الأداء المتأصلة تقيد التطبيقات الأوسع. مع تزايد الوعي البيئي والسلامة مع تحسن مستويات المعيشة، فإن الأحبار المائية الصديقة للبيئة والتي تقلل من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة تحل بشكل متزايد محل الأحبار القائمة على المذيبات، مما يمثل تحديًا لأسواق الحبر التقليدية القائمة على المذيبات.

وفي هذا السياق، يعد تحسين أداء الحبر عن طريق تعديل الراتنجات ذات الأساس المائي، وخاصة البولي يوريثان ذو الأساس المائي، من خلال طرق مبتكرة مثل تكنولوجيا النانو وتهجين المركبات العضوية وغير العضوية أمرًا بالغ الأهمية لتطوير الأحبار المائية في المستقبل. ولذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحوث الشاملة حول تعديلات الراتنج لتحسين أداء الحبر المائي لتطبيقات أوسع.