Проучване на развитието на мастила на водна основа и проучване на екологични полиуретанови мастила на водна основа

Замърсяването на въздуха отдавна е основен проблем, като емисиите на токсични газове като летливи органични съединения имат значителен принос наред с природни явления като прашни бури. С нарастването на осведомеността за опазването на околната среда и прилагането на различни национални политики, печатарската индустрия, основен източник на летливи органични съединения, е изправена пред неизбежна реформа. Следователно, екологичните мастила за печат се превърнаха във фокусна точка в изследванията на глобалната печатна индустрия. Сред наличните екологични мастила, включително мастила на водна основа, енергийно втвърдяващи се мастила и мастила на основата на растителни масла, мастилата на водна основа са най-широко използваните. Мастилата на водна основа съдържат по-нисък процент органични разтворители, намалявайки емисиите на VOC и отговаряйки на принципите за опазване на околната среда. Въпреки това, мастилата на водна основа имат и недостатъци като бавно време за съхнене и втвърдяване и слаба устойчивост на вода и основи, което ограничава приложението им в традиционните индустриални мастила. По този начин подобряването на тези слабости чрез модифициране на смола се превърна в значителен фокус. Този документ очертава разработването и приложението на мастилата на водна основа, изследването на модификациите на смола, напредъка в изследванията на печатарските мастила, използващи полиуретани на водна основа, и бъдещите перспективи в тази област.

• Експериментален

1. Разработка на мастила на водна основа

Мастилата имат дълга история, появявайки се заедно с изобретяването на печата. След въвеждането на Lithol Red Pigment през 1900 г., мастилата стават широко разпространени, което подтиква страните да инвестират в изследвания на мастилата. Мастилата на водна основа са производни, произтичащи от по-високите изисквания за практичност на мастилото. Изследванията на мастилата на водна основа започват в чужбина през 60-те години на миналия век, главно за да се ускорят скоростите на печат и да се намали зависимостта от суровини на петролна основа. Тези мастила използват органични съединения като бензени и шеллак или натриев лигносулфонат като основни материали, за да отговорят на нуждите за печат по онова време. През 70-те години на миналия век изследователите разработиха полимерна емулсионна смола със сърцевина-обвивка и мрежеста структура чрез полимеризиране на акрилни мономери със стирен, запазвайки блясъка и водоустойчивостта на мастилата, като същевременно отговарят на екологичните изисквания. Въпреки това, с нарастването на екологичната осведоменост и въвеждането на по-строги закони за околната среда, делът на органични вещества на основата на бензол в мастилата намаля. До 80-те години на миналия век западноевропейските страни въвеждат концепциите и технологиите за „печат със зелено мастило“ и „нов печат с мастило на водна основа“.

Мастилената индустрия в Китай започва в края на династията Цин с производството на валута, разчитайки до голяма степен на вносни мастила до 1975 г., когато фабриката за мастило Tianjin и фабриката за мастило Gangu разработват и произвеждат първото местно мастило за гравиране на водна основа. До 90-те години Китай е внесъл над 100 производствени линии за флексо печат, бързо напредвайки в използването на мастила на водна основа. През 2003 г. Китайският изследователски институт за индустриални технологии успешно разработи свързани продукти, а в началото на 2004 г. Shanghai Meide Company произведе изцяло термореактивно мастило на водна основа, отговарящо на японските и немските стандарти. Въпреки че китайските изследвания върху мастилата на водна основа се развиха бързо в началото на 21-ви век, западните страни вече бяха постигнали значителен напредък: около 95% от продуктите за флексопечат и 80% от продуктите за гравиране в Съединените щати използват мастила на водна основа, докато Обединеното кралство и Япония прие мастила на водна основа за хранителни и фармацевтични опаковки. Сравнително развитието на Китай беше по-бавно.

За по-нататъшно насърчаване на пазара Китай въведе първия стандарт за мастило на водна основа през май 2007 г. и през 2011 г. се застъпи за „зелено развитие на иновациите“, целяйки да замени мастилата на основата на разтворители с мастила на водна основа. В „13-ия петгодишен план“ за 2016 г. за печатарската индустрия „изследванията на екологични материали на водна основа“ и „екологичният печат“ бяха ключови фокуси. До 2020 г. националното насърчаване на екологичния и дигитален печат разшири пазара на мастило на водна основа.

2. Нанасяне на мастила на водна основа

В началото на 20 век Съединените щати за първи път прилагат мастила на водна основа във флексопечата. До 70-те години на миналия век висококачествените мастила за гравиране на водна основа се използват широко за различни опаковъчни хартии, дебели рафтове за книги и картон. През 80-те години гланцовите и матовите ситопечатни мастила на водна основа са разработени в чужбина, разширявайки приложението им към тъкани, хартия, PVC, полистирен, алуминиево фолио и метали. Понастоящем, поради своите екологични, нетоксични и безопасни характеристики, мастилата на водна основа се използват главно при печат на опаковки за храни, като опаковки за тютюн и бутилки за напитки. Тъй като законите за околната среда се подобряват, прилагането на мастила на водна основа продължава да се разнообразява и засилва. Китай също прогресивно насърчава използването им в печатарската индустрия.

• Резултати и дискусия

1. Изследване на модификации на смоли

Ефективността на мастилото се влияе от разликите в смолата. Обикновено смолите за мастила на водна основа обикновено са полиуретан, модифицирани акрилни емулсии или полиакрилни смоли. Полиуретанови смоли на водна основа (WPU) с превъзходен гланц се използват широко в печата на опаковки. По този начин подобряването на производителността на WPU за подобряване на екологичността и блясъка на мастилото на водна основа се превърна във фокус в печатарската индустрия.

2. Модифициране на полиуретани на водна основа

Полиуретаните на водна основа, съставени от полиоли с ниско молекулно тегло, могат да бъдат класифицирани в полиестерни, полиетерни и хибридни видове. Въз основа на различните свойства на полиестерните и полиетерните полимери, тяхната здравина и стабилност варират. Като цяло полиетерните полиуретани имат по-ниска якост и стабилност от полиестерните полиуретани, но показват по-добра устойчивост на висока температура и са по-малко склонни към хидролиза. Например, увеличаването на "консистенцията" на мастилото чрез използване на монометилов етер на полиетилен гликол подобрява неговите характеристики на толерантност. Това обаче е само ориентир. Различни изследователски институти приемат различни методи за подобряване на специфични аспекти на WPU.

Например, през 2010 г. бяха избрани епоксидни смоли с висока издръжливост и якост на удар, за да се справят с проблемите с вискозитета и адхезията на мастилото, като по този начин се повишава здравината на мастилото. През 2006 г. проучване, публикувано от Пекинския химически университет, използва полиуретан на основата на етиленгликол за образуване на специална смола с дълъг мек сегмент, подобрявайки гъвкавостта на мастилото и индиректно укрепвайки мастилото на водна основа. Някои екипи постигат резултати от модификацията чрез добавяне на химически вещества: включване на силициев диоксид или органосилиций за подобряване на WPU, което води до повишена якост на опън на мастилото. Бутадиен нитрил полиуретан с краен карбоксил се използва за подобряване на огъването и вискозитета на мастилото, като се адаптира към по-сложни среди.

По този начин изследователите обикновено избират специфични полиестери въз основа на свойствата на мастилото, като използват подходящи поликиселини и полиоли за синтезиране на топлоустойчиви полиестерни полиоли, въвеждайки полярни групи със силна адхезия, избирайки подходящи суровини за подобряване на кристалността на полиуретана и използвайки свързващи агенти за подобряване на WPU лепилото устойчивост на влага и топлина.

3. Модификация на водоустойчивостта

Тъй като мастилото се използва главно за външна опаковка и често влиза в контакт с вода, лошата водоустойчивост може да доведе до намалена твърдост, блясък и дори отлепване или повреда на мастилото, което значително влияе върху производителността на съхранение. Подобряването на водоустойчивостта на WPU подобрява производителността при съхранение на мастило чрез използване на полиоли с добра водоустойчивост като материали. Например, модифицирането на WPU с акрилни мономери или регулирането на съдържанието на епоксидна смола може да подобри водоустойчивостта на мастилото.

Освен че използват полимери с висока водоустойчивост, за да заменят стандартния полиуретан, изследователите често добавят органични или неорганични вещества, за да постигнат желания ефект. Например, включването на наноразмерен силициев диоксид в смолата подобрява водоустойчивостта и здравината, широко използван метод в производството на мастила. „Методът на кополимеризация на емулсия“ създава композитен PUA за подобряване на водоустойчивостта, докато методи като модификация на полиетилен гликол монометилов етер и синтез на ацетон от органосиликон-модифициран WPU подобряват водоустойчивостта.

4. Модификация на устойчивост на висока температура

Като цяло високотемпературната устойчивост на WPU е сравнително слаба, което ограничава топлинната устойчивост на мастилото на водна основа. Полиетерните полиуретани обикновено имат по-добра устойчивост на висока температура от полиестерните полиуретани поради броя на двойните връзки. Добавянето на дълговерижни полимери или естери/етери с бензенов пръстен като полимеризационни мономери подобрява устойчивостта на полимера при висока температура и, следователно, устойчивостта на топлинна мастило на водна основа. Освен използването на дълговерижни полиетерни полиуретани, някои екипи използват композитни материали за увеличаване на сложността и подобряване на устойчивостта на висока температура. Например, добавянето на нано калаен оксид антимон към WPU, синтезиран от DMPA, полиетер 220 и IPDI, позволява на слоевете мастило да абсорбират топлина, подобрявайки устойчивостта на висока температура. Добавянето на силициев аерогел към полиуретана също намалява топлопроводимостта и повишава топлоустойчивостта на мастилото.

5. Модификация на стабилността

Стабилността на WPU значително влияе върху производителността при съхранение на мастило на водна основа. Освен устойчивостта на вода и висока температура, молекулното тегло и структурата са от решаващо значение. Полиестерните смоли обикновено са по-стабилни от полиетерните смоли поради повече водородни връзки в молекулярната структура. Добавянето на естерни вещества за образуване на смесени полиуретани повишава стабилността, като например използването на дисперсия на изоцианат и силан за създаване на двукомпонентен WPU с подобрена стабилност и устойчивост на абразия. Топлинната обработка и охлаждането също могат да създадат повече водородни връзки, затягане на молекулярната подредба и подобряване на стабилността на WPU и ефективността при съхранение на мастило на водна основа.

6. Подобряване на адхезията

Въпреки че оптимизирането на WPU подобрява водоустойчивостта, устойчивостта на висока температура и стабилността, WPU все още показват лоша адхезия към пластмасови продукти от полиетилен (PE) поради молекулното тегло и полярността. Обикновено се добавят полимери или мономери с подобна полярност и молекулно тегло, за да се подобри WPU и да се подобри адхезията на мастило на водна основа към неполярни материали. Например, ко-полимеризирането на WPU с поливинилхлорид-хидроксиетил акрилатна смола подобрява водоустойчивата адхезия между мастила и покрития. Добавянето на акрилна полиестерна смола към WPU създава уникална структура на молекулярна връзка, значително подобряваща адхезията на WPU. Тези методи обаче могат да повлияят на свойствата на оригиналното мастило, като например гланца. Поради това промишлените техники третират материалите, без да променят свойствата, за да подобрят адхезията на мастилото, като например активиране на повърхности с електроди или краткотрайно третиране с пламък за увеличаване на адсорбцията.

• Заключение

В момента мастилата на водна основа се използват широко в опаковки за храни, фармацевтични опаковки, работилници, книги и други приложения за покрития или печат. Въпреки това, присъщите им ограничения на производителността ограничават по-широките приложения. Тъй като осведомеността за околната среда и безопасността нараства с подобряването на стандарта на живот, екологичните мастила на водна основа, които намаляват емисиите на летливи органични съединения, все повече заменят мастилата на базата на разтворители, предизвиквайки традиционните пазари на мастила на базата на разтворители.

В този контекст, подобряването на производителността на мастилото чрез модифициране на смоли на водна основа, особено полиуретани на водна основа, чрез иновативни методи като нанотехнологии и хибридизация на органични и неорганични съединения е от решаващо значение за бъдещото развитие на мастила на водна основа. Следователно е необходимо по-нататъшно цялостно изследване на модификациите на смола, за да се подобри производителността на мастилото на водна основа за по-широки приложения.