Вывучэнне распрацоўкі чарнілаў на воднай аснове і вывучэнне экалагічна чыстых паліурэтанавых чарнілаў на воднай аснове

Забруджванне паветра ўжо даўно выклікае сур'ёзную занепакоенасць, і выкіды таксічных газаў, такіх як ЛОС, уносяць значны ўклад разам з прыроднымі з'явамі, такімі як пыльныя буры. Па меры таго, як расце дасведчанасць аб ахове навакольнага асяроддзя і рэалізуюцца розныя нацыянальныя палітыкі, паліграфічная прамысловасць, буйны выкід ЛОС, сутыкнулася з непазбежнай рэформай. Такім чынам, экалагічна чыстыя друкарскія фарбы сталі цэнтральным цэнтрам у сусветных даследаваннях паліграфічнай індустрыі. Сярод даступных экалагічна чыстых чарнілаў, у тым ліку чарнілаў на воднай аснове, чарнілаў, якія адмацоўваюцца энергіяй, і чарнілаў на аснове расліннага алею, найбольш шырока выкарыстоўваюцца чарніла на воднай аснове. Чарніла на воднай аснове ўтрымліваюць меншую долю арганічных растваральнікаў, што зніжае выкіды ЛОС і адпавядае прынцыпам аховы навакольнага асяроддзя. Тым не менш, чарніла на воднай аснове таксама маюць недахопы, такія як павольнае высыханне і час зацвярдзення і слабая ўстойлівасць да вады і шчолачаў, што абмяжоўвае іх выкарыстанне ў традыцыйных прамысловых чарнілах. Такім чынам, паляпшэнню гэтых слабых месцаў з дапамогай мадыфікацыі смалы стала значная ўвага. У гэтым дакуменце апісваецца распрацоўка і прымяненне чарнілаў на воднай аснове, вывучэнне мадыфікацый смол, прагрэс у даследаваннях друкарскіх фарбаў з выкарыстаннем паліурэтанаў на воднай аснове і будучыя перспектывы ў гэтай галіне.

• Эксперыментальны

1. Распрацоўка чарнілаў на воднай аснове

Чарніла маюць доўгую гісторыю, з'яўляючыся разам з вынаходніцтвам друку. Пасля з'яўлення ў 1900 г. чырвонага пігмента літол чарніла атрымалі шырокае распаўсюджванне, што заахвоціла краіны інвеставаць у даследаванні чарнілаў. Чарніла на воднай аснове з'яўляюцца вытворнымі ў выніку павышаных патрабаванняў да практычнасці чарнілаў. Даследаванні чарнілаў на воднай аснове пачаліся за мяжой у 1960-х гадах, галоўным чынам, каб паскорыць хуткасць друку і паменшыць залежнасць ад сыравіны на нафтавай аснове. Гэтыя чарніла выкарыстоўвалі такія арганічныя злучэнні, як бензол і шэлак або лігнасульфанат натрыю, у якасці асноўных матэрыялаў для задавальнення патрэб друку ў той час. У 1970-я гады даследчыкі распрацавалі палімерную эмульсійную смалу са структурай ядро-абалонка і сеткай шляхам полімерызацыі акрылавых манамераў са стыролам, захоўваючы бляск чарнілаў і воданепранікальнасць пры выкананні экалагічных патрабаванняў. Аднак з павышэннем экалагічнай дасведчанасці і ўвядзеннем у дзеянне больш строгіх законаў аб навакольным асяроддзі доля арганічных рэчываў на аснове бензолу ў чарнілах зменшылася. Да 1980-х гадоў краіны Заходняй Еўропы ўкаранілі канцэпцыі і тэхналогіі «друку зялёнымі чарніламі» і «новага друку чарніламі на воднай аснове».

Чарнільная прамысловасць Кітая пачалася ў канцы дынастыі Цын з вытворчасці валюты, у значнай ступені абапіраючыся на імпартныя чарніла да 1975 года, калі фабрыкі чарнілаў Цяньцзінь і фабрыкі чарнілаў Гангу распрацавалі і вырабілі першыя айчынныя чарніла для глыбокай друку на воднай аснове. Да 1990-х гадоў Кітай імпартаваў больш за 100 вытворчых ліній флексадруку, хутка пашыраючы выкарыстанне чарнілаў на воднай аснове. У 2003 годзе Кітайскі навукова-даследчы інстытут прамысловых тэхналогій паспяхова распрацаваў спадарожныя прадукты, а ў пачатку 2004 года Shanghai Meide Company выпусціла термореактивные чарніла на воднай аснове, якія адпавядаюць японскім і нямецкім стандартам. Нягледзячы на ​​тое, што кітайскія даследаванні чарнілаў на воднай аснове хутка развіваліся ў пачатку 21-га стагоддзя, заходнія краіны ўжо дасягнулі значнага прагрэсу: каля 95% флексографскай прадукцыі і 80% прадукцыі глыбокай друку ў ЗША выкарыстоўвалі чарніла на воднай аснове, у той час як Вялікабрытанія і Японія прыняла чарніла на воднай аснове для харчовай і фармацэўтычнай упакоўкі. Параўнальна развіццё Кітая было больш павольным.

Для далейшага прасоўвання на рынку Кітай увёў першы стандарт чарнілаў на воднай аснове ў траўні 2007 года, а ў 2011 годзе выступаў за «экалагічнае развіццё інавацый», імкнучыся замяніць чарніла на аснове растваральнікаў чарніламі на воднай аснове. У «13-м пяцігадовым плане» паліграфічнай прамысловасці 2016 г. ключавымі напрамкамі былі «даследаванні экалагічных матэрыялаў на воднай аснове» і «экалагічны друк». Да 2020 года нацыянальнае прасоўванне зялёнага і лічбавага друку пашырыла рынак чарнілаў на воднай аснове.

2. Нанясенне фарбаў на воднай аснове

У пачатку 20-га стагоддзя Злучаныя Штаты ўпершыню ўжылі чарніла на воднай аснове ў флексадруку. Да 1970-х гадоў высакаякасныя чарніла для глыбокай друку на воднай аснове сталі шырока выкарыстоўвацца для розных упаковачных папер, тоўстых кніжных паліц і кардону. У 1980-я гады за мяжой былі распрацаваны глянцавыя і матавыя чарніла для трафарэтнага друку на воднай аснове, якія пашырылі іх прымяненне да тканін, паперы, ПВХ, полістыролу, алюмініевай фальгі і металаў. У цяперашні час, дзякуючы сваім экалагічна чыстым, нетоксичным і бяспечным характарыстыкам, чарніла на воднай аснове ў асноўным выкарыстоўваюцца для друку ўпакоўкі харчовых прадуктаў, напрыклад, упакоўкі тытуню і бутэлек для напояў. Па меры ўдасканалення прыродаахоўнага заканадаўства прымяненне чарнілаў на воднай аснове працягвае пашырацца і пашырацца. Кітай таксама паступова прасоўвае іх выкарыстанне ў паліграфічнай прамысловасці.

• Вынікі і абмеркаванне

1. Даследаванне мадыфікацый смалы

Прадукцыйнасць чарнілаў залежыць ад адрозненняў у смалах. Як правіла, чарнільныя смалы на воднай аснове звычайна ўяўляюць сабой паліурэтан, мадыфікаваныя акрылавыя эмульсіі або поліакрылавыя смалы. Поліўрэтанавыя смалы на воднай аснове (WPU) з найвышэйшым бляскам шырока выкарыстоўваюцца ў друку ўпакоўкі. Такім чынам, павышэнне прадукцыйнасці WPU для паляпшэння экалагічнасці і бляску чарнілаў на воднай аснове стала ў цэнтры ўвагі паліграфічнай прамысловасці.

2. Мадыфікуючыя паліурэтаны на воднай аснове

Паліурэтаны на воднай аснове, якія складаюцца з нізкамалекулярных поліолаў, можна падзяліць на поліэфірныя, поліэфірныя і гібрыдныя. Зыходзячы з розных уласцівасцей поліэфірных і поліэфірных палімераў, іх трываласць і стабільнасць адрозніваюцца. Як правіла, поліэфірныя паліурэтаны маюць меншую трываласць і стабільнасць, чым поліэфірныя паліурэтаны, але праяўляюць лепшую ўстойлівасць да высокіх тэмператур і менш схільныя да гідролізу. Напрыклад, павышэнне «кансістэнцыі» чарнілаў з дапамогай монометилового эфіру поліэтыленгліколя паляпшае іх талерантныя характарыстыкі. Аднак гэта толькі арыенцір. Розныя навукова-даследчыя інстытуты выкарыстоўваюць розныя метады для паляпшэння пэўных аспектаў WPU.

Напрыклад, у 2010 годзе эпаксідныя смалы з высокай трываласцю і ўдарнай трываласцю былі выбраны для вырашэння праблем з глейкасцю і адгезіяй чарнілаў, тым самым павялічваючы трываласць чарнілаў. У 2006 годзе даследаванне, апублікаванае Пекінскім хімічным універсітэтам, выкарыстоўвала паліурэтана на аснове этыленгліколя для фарміравання спецыяльнай смалы з доўгім мяккім сегментам, паляпшаючы гнуткасць чарнілаў і ўскосна ўмацоўваючы чарніла на воднай аснове. Некаторыя каманды дасягаюць вынікаў мадыфікацыі шляхам дадання хімічных рэчываў: уключэння дыяксіду крэмнія або крэмнія для паляпшэння WPU, што прыводзіць да павышэння трываласці чарнілаў на разрыў. Бутадыен-нітрыл-поліурэтана з карбаксільнымі канцавымі групамі выкарыстоўваецца для паляпшэння характарыстык і глейкасці чарнілаў, адаптацыі да больш складаных умоў.

Такім чынам, даследчыкі звычайна выбіраюць канкрэтныя поліэфіры на аснове ўласцівасцей чарнілаў, выкарыстоўваючы адпаведныя полікіслоты і поліолы для сінтэзу тэрмаўстойлівых поліэфірных поліолаў, уводзячы палярныя групы з моцнай адгезіяй, выбіраючы прыдатную сыравіну для паляпшэння крышталічнасці паліурэтана і выкарыстоўваючы злучныя рэчывы для паляпшэння клею WPU. вільгаце- і тэрмаўстойлівасць.

3. Мадыфікацыя воданепранікальнасці

Паколькі чарніла ў асноўным выкарыстоўваюцца для знешняй упакоўкі і часта кантактуюць з вадой, дрэнная вадаўстойлівасць можа прывесці да зніжэння цвёрдасці, бляску і нават адслойвання або пашкоджання чарнілаў, што істотна ўплывае на прадукцыйнасць захоўвання. Паляпшэнне воданепранікальнасці WPU павышае прадукцыйнасць захоўвання чарнілаў за кошт выкарыстання ў якасці матэрыялаў поліолаў з добрай воданепранікальнасцю. Напрыклад, змяненне WPU акрылавымі манамерамі або рэгуляванне ўтрымання эпаксіднай смалы можа палепшыць водаўстойлівасць чарнілаў.

Акрамя выкарыстання палімераў з высокай воданепранікальнасцю для замены стандартнага паліурэтана, даследчыкі часта дадаюць арганічныя або неарганічныя рэчывы для дасягнення жаданага эфекту. Напрыклад, уключэнне нанаразмернага кремнезема ў смалу павышае воданепранікальнасць і трываласць, што шырока выкарыстоўваецца ў вытворчасці чарнілаў. «Метад эмульсійнай супалімерызацыі» стварае кампазітны PUA для паляпшэння воданепранікальнасці, у той час як такія метады, як мадыфікацыя поліэтыленгліколя монометылавым эфірам і сінтэз ацэтонам крэмнійарганічнага мадыфікаванага WPU, павышаюць воданепранікальнасць.

4. Мадыфікацыя ўстойлівасці да высокіх тэмператур

Як правіла, устойлівасць WPU да высокіх тэмператур адносна слабая, што абмяжоўвае тэрмаўстойлівасць чарнілаў на воднай аснове. Поліэфірныя паліурэтаны звычайна маюць лепшую ўстойлівасць да высокіх тэмператур, чым поліэфірныя паліурэтаны, з-за колькасці двайных сувязяў. Даданне палімераў з доўгім ланцугом або складаных/простых эфіраў з бензольным кольцам у якасці манамераў для полімерызацыі паляпшае ўстойлівасць палімера да высокіх тэмператур і, адпаведна, тэрмаўстойлівасць чарнілаў на воднай аснове. Акрамя выкарыстання доўгаланцуговых поліэфірных паліурэтанаў, некаторыя каманды выкарыстоўваюць кампазітныя матэрыялы для павелічэння складанасці і ўстойлівасці да высокіх тэмператур. Напрыклад, даданне нанааксіду волава сурмы ў WPU, сінтэзаваны з DMPA, поліэфіру 220 і IPDI, дазваляе пластам чарнілаў паглынаць цяпло, паляпшаючы ўстойлівасць да высокіх тэмператур. Даданне сілікатнага аэрагеля да паліурэтана таксама зніжае цеплаправоднасць і павышае тэрмаўстойлівасць чарнілаў.

5. Мадыфікацыя стабільнасці

Стабільнасць WPU значна ўплывае на прадукцыйнасць захоўвання чарнілаў на воднай аснове. Акрамя ўстойлівасці да вады і высокай тэмпературы, малекулярная маса і размяшчэнне структуры маюць вырашальнае значэнне. Поліэфірныя смалы, як правіла, больш стабільныя, чым поліэфірныя, дзякуючы большай колькасці вадародных сувязяў у малекулярнай структуры. Даданне складанаэфірных рэчываў для фарміравання змешаных паліурэтанаў павялічвае стабільнасць, напрыклад, выкарыстанне дысперсіі ізацыянату і сілану для стварэння двухкампанентнага WPU з палепшанай стабільнасцю і ўстойлівасцю да ізаляцыі. Тэрмічная апрацоўка і астуджэнне таксама могуць стварыць больш вадародных сувязей, ушчыльніўшы размяшчэнне малекул і палепшыўшы стабільнасць WPU і захоўванне чарнілаў на воднай аснове.

6. Паляпшэнне адгезіі

У той час як аптымізацыя WPU паляпшае воданепранікальнасць, устойлівасць да высокіх тэмператур і стабільнасць, WPU па-ранейшаму дэманструюць дрэнную адгезію да вырабаў з поліэтылену (PE) з-за малекулярнай масы і палярнасці. Як правіла, палімеры або манамеры падобнай палярнасці і малекулярнай масы дадаюцца для паляпшэння WPU і павышэння адгезіі чарнілаў на воднай аснове да непалярных матэрыялаў. Напрыклад, сумесная палімерызацыя WPU са смалой полівінілхларыд-гідраксіэтылакрылат паляпшае водатрывалую адгезію паміж фарбамі і пакрыццямі. Даданне акрылавай поліэфірнай смалы да WPU стварае унікальную структуру малекулярнай сувязі, значна паляпшаючы адгезію WPU. Аднак гэтыя метады могуць паўплываць на такія ўласцівасці арыгінальных чарнілаў, як бляск. Такім чынам, прамысловыя метады апрацоўваюць матэрыялы без змены ўласцівасцей для паляпшэння адгезіі чарнілаў, напрыклад, актывацыя паверхняў электродамі або кароткачасовая апрацоўка полымем для павышэння адсорбцыі.

• Заключэнне

У цяперашні час чарніла на воднай аснове шырока выкарыстоўваюцца для ўпакоўкі харчовых прадуктаў, фармацэўтычнай прадукцыі, майстэрняў, кніг і іншых пакрыццяў або друкаваных прыкладанняў. Аднак уласцівыя ім абмежаванні прадукцыйнасці абмяжоўваюць больш шырокае прымяненне. Па меры таго, як узрастае дасведчанасць аб навакольным асяроддзі і бяспецы з павышэннем ўзроўню жыцця, экалагічна чыстыя чарніла на воднай аснове, якія памяншаюць выкіды ЛОС, усё часцей замяняюць чарніла на аснове растваральнікаў, кідаючы выклік традыцыйным рынкам чарнілаў на аснове растваральнікаў.

У гэтым кантэксце павышэнне прадукцыйнасці чарнілаў шляхам мадыфікацыі смол на воднай аснове, асабліва паліурэтанаў на воднай аснове, з дапамогай інавацыйных метадаў, такіх як нанатэхналогіі і гібрыдызацыя арганічных і неарганічных злучэнняў, мае вырашальнае значэнне для будучай распрацоўкі чарнілаў на воднай аснове. Такім чынам, для павышэння прадукцыйнасці чарнілаў на воднай аснове для больш шырокага прымянення неабходныя далейшыя комплексныя даследаванні мадыфікацый смалы.