Istraživanje razvoja boja na bazi vode i proučavanje ekološki prihvatljivih poliuretanskih boja na bazi vode

Zagađenje zraka već dugo predstavlja veliku zabrinutost, a emisije toksičnih plinova poput VOC-a značajno doprinose uz prirodne pojave kao što su oluje prašine. Kako svest o zaštiti životne sredine raste i provode se različite nacionalne politike, štamparska industrija, veliki emiter VOC, suočila se sa neizbežnom reformom. Shodno tome, ekološke boje za štampanje postale su žarište u globalnom istraživanju štamparske industrije. Među dostupnim ekološkim bojama, uključujući mastila na bazi vode, mastila koja se očvršćavaju energijom, i mastila na bazi biljnog ulja, mastila na bazi vode su najčešće korišćena. Tinte na bazi vode sadrže manji udio organskih rastvarača, smanjujući emisije VOC-a i usklađujući se s principima zaštite okoliša. Međutim, mastila na bazi vode imaju i nedostatke kao što su sporo vreme sušenja i očvršćavanja i slaba otpornost na vodu i alkalije, što ograničava njihovu primenu u tradicionalnim industrijskim bojama. Stoga je poboljšanje ovih slabosti modifikacijom smole postalo značajan fokus. Ovaj rad opisuje razvoj i primjenu boja na bazi vode, proučavanje modifikacija smole, napredak u istraživanju tiskarskih boja koje koriste poliuretane na bazi vode, te buduće perspektive u ovoj oblasti.

• Eksperimentalno

1. Razvoj mastila na bazi vode

Boje imaju dugu istoriju, pojavljuju se zajedno sa izumom štampe. Nakon uvođenja Lithol crvenog pigmenta 1900. godine, mastila su postala široko rasprostranjena, što je navelo zemlje da ulažu u istraživanje mastila. Boje na bazi vode su derivat koji je rezultat viših zahtjeva za praktičnošću mastila. Istraživanje mastila na bazi vode počelo je u inostranstvu 1960-ih, prvenstveno da bi se ubrzala brzina štampanja i smanjilo oslanjanje na sirovine na bazi nafte. Ove boje su koristile organska jedinjenja kao što su benzen i šelak ili natrijum lignosulfonat kao glavni materijali za zadovoljavanje potreba štampanja u to vreme. 1970-ih, istraživači su razvili polimernu emulzijsku smolu sa jezgrom-ljuskom i mrežnom strukturom polimerizacijom akrilnih monomera sa stirenom, održavajući sjaj i vodootpornost mastila uz ispunjavanje ekoloških zahtjeva. Međutim, kako je povećana ekološka svijest i doneseni stroži zakoni o zaštiti okoliša, udio organskih tvari na bazi benzena u bojama se smanjio. Do 1980-ih, zapadnoevropske zemlje uvele su koncepte i tehnologije "štampanja zelenom tintom" i "nove štampe tintom na bazi vode".

Kineska industrija mastila počela je u kasnoj dinastiji Qing sa proizvodnjom novca, oslanjajući se u velikoj meri na uvezene mastila sve do 1975. godine, kada su tvornica mastila u Tianjinu i tvornica mastila Gangu razvile i proizvele prvu domaću tintu za gravuru na bazi vode. Do 1990-ih, Kina je uvezla preko 100 proizvodnih linija za flekso štampu, ubrzano napredujući u upotrebi mastila na bazi vode. Godine 2003., Kineski institut za industrijsku tehnologiju uspješno je razvio srodne proizvode, a početkom 2004. Shanghai Meide Company je proizvela termoreaktivnu tintu na bazi vode na niskoj temperaturi koja zadovoljava japanske i njemačke standarde. Iako su kineska istraživanja mastila na bazi vode doživjela brz razvoj početkom 21. stoljeća, zapadne zemlje su već postigle značajan napredak: oko 95% flekso proizvoda i 80% proizvoda za gravuru u Sjedinjenim Državama koristilo je boje na bazi vode, dok je Velika Britanija i Japan je usvojio boje na bazi vode za pakovanje hrane i farmaceutskih proizvoda. Komparativno, razvoj Kine je bio sporiji.

Da bi dalje promovisala tržište, Kina je uvela prvi standard mastila na bazi vode u maju 2007. i 2011. se zalagala za "razvoj zelenih inovacija", sa ciljem da zameni mastila na bazi rastvarača mastila na bazi vode. U "13. petogodišnjem planu" za štamparsku industriju za 2016. "istraživanje ekoloških materijala na bazi vode" i "zelena štampa" bili su ključni fokusi. Do 2020. godine, nacionalna promocija zelene i digitalne štampe proširila je tržište mastila na bazi vode.

2. Primjena mastila na bazi vode

Početkom 20. stoljeća, Sjedinjene Države su prvi put primijenile boje na bazi vode u flekso štampi. Do 1970-ih, visokokvalitetna tinta na bazi vode za gravuru se naširoko koristila za razne papire za pakovanje, debele police za knjige i karton. U 1980-im, sjajne i mat boje na bazi vode razvijene su u inostranstvu, proširivši njihovu primjenu na tkanine, papir, PVC, polistiren, aluminijsku foliju i metale. Trenutno se, zbog svojih ekoloških, netoksičnih i sigurnih karakteristika, boje na bazi vode uglavnom koriste u štampi ambalaže za hranu, kao što su pakiranje duhana i boce za piće. Kako se ekološki zakoni poboljšavaju, primjena mastila na bazi vode nastavlja da se diverzificira i intenzivira. Kina takođe progresivno promoviše njihovu upotrebu u štamparskoj industriji.

• Rezultati i diskusija

1. Istraživanje modifikacija smole

Na performanse mastila utiču razlike u smoli. Općenito, smole za mastilo na bazi vode su obično poliuretanske, modificirane akrilne emulzije ili poliakrilne smole. Poliuretanske (WPU) smole na bazi vode, sa vrhunskim sjajem, široko se koriste u štampi ambalaže. Stoga je poboljšanje performansi WPU radi poboljšanja ekološke prihvatljivosti i sjaja mastila na bazi vode postalo fokus u industriji štampanja.

2. Modificiranje poliuretana na bazi vode

Poliuretani na bazi vode, sastavljeni od poliola niske molekularne težine, mogu se klasificirati u poliesterske, polieterske i hibridne tipove. Na osnovu različitih svojstava poliesterskih i polieterskih polimera, njihova snaga i stabilnost variraju. Općenito, polieter poliuretani imaju nižu čvrstoću i stabilnost od poliester poliuretana, ali pokazuju bolju otpornost na visoke temperature i manje su skloni hidrolizi. Na primjer, povećanje "konzistencije" tinte upotrebom polietilen glikol monometil etera poboljšava njegove karakteristike tolerancije. Međutim, ovo je samo referentna tačka. Različiti istraživački instituti usvajaju različite metode za poboljšanje specifičnih aspekata WPU.

Na primjer, 2010. godine, epoksidne smole visoke žilavosti i udarne čvrstoće odabrane su za rješavanje problema s viskozitetom mastila i adhezijom, čime se povećava jačina mastila. U 2006. godini, studija koju je objavio Pekinški hemijski univerzitet koristio je poliuretan na bazi etilen glikola za formiranje posebne smole sa dugim mekim segmentom, poboljšavajući fleksibilnost mastila i indirektno jačajući mastilo na bazi vode. Neki timovi postižu rezultate modifikacije dodavanjem hemijskih supstanci: ugradnjom silicijum dioksida ili organosilicijuma za poboljšanje WPU, što rezultira povećanom zateznom čvrstoćom mastila. Butadien nitril poliuretan sa karboksilnim krajem koristi se za poboljšanje performansi savijanja mastila i viskoziteta, prilagođavajući se složenijim okruženjima.

Stoga istraživači obično biraju specifične poliestere na osnovu svojstava tinte, koristeći odgovarajuće polikiseline i poliole za sintetizaciju poliesterskih poliola otpornih na toplinu, uvodeći polarne grupe sa jakom adhezijom, birajući prikladne sirovine za poboljšanje kristalnosti poliuretana i koristeći sredstva za spajanje za poboljšanje WPU ljepila. otpornost na vlagu i toplotu.

3. Modifikacija vodootpornosti

Budući da se tinta uglavnom koristi za vanjsku ambalažu i često dolazi u kontakt s vodom, slaba vodootpornost može dovesti do smanjene tvrdoće, sjaja, pa čak i ljuštenja ili oštećenja tinte, što značajno utiče na performanse skladištenja. Poboljšanje WPU vodootpornosti poboljšava performanse skladištenja mastila korišćenjem poliola sa dobrom vodootpornošću kao materijala. Na primjer, modifikacija WPU akrilnim monomerima ili podešavanje sadržaja epoksidne smole može poboljšati vodootpornost mastila.

Osim što koriste polimere visoke vodootpornosti za zamjenu standardnog poliuretana, istraživači često dodaju organske ili neorganske tvari kako bi postigli željeni učinak. Na primjer, ugrađivanje silicijum dioksida u nanorazmjeru u smolu povećava otpornost na vodu i snagu, što je široko korištena metoda u proizvodnji tinte. "Metoda kopolimerizacije emulzije" stvara kompozitni PUA za poboljšanje vodootpornosti, dok metode poput modifikacije polietilen glikol monometil etera i acetonske sinteze organosilicijum-modificiranog WPU povećavaju otpornost na vodu.

4. Modifikacija otpornosti na visoke temperature

Općenito, otpornost WPU na visoke temperature je relativno slaba, ograničavajući otpornost na toplinu mastila na bazi vode. Polieter poliuretani obično imaju bolju otpornost na visoke temperature od poliester poliuretana zbog broja dvostrukih veza. Dodavanje dugolančanih polimera ili estera/etera benzenskog prstena kao polimerizacijskih monomera poboljšava otpornost polimera na visoke temperature i, posljedično, toplinsku otpornost mastila na bazi vode. Osim korištenja dugolančanih polieter poliuretana, neki timovi koriste kompozitne materijale kako bi povećali složenost i povećali otpornost na visoke temperature. Na primjer, dodavanje nano kalajnog oksida antimona u WPU sintetiziranu iz DMPA, polietera 220 i IPDI omogućava slojevima mastila da apsorbuju toplinu, poboljšavajući otpornost na visoke temperature. Dodavanje silika aerogela poliuretanu takođe smanjuje toplotnu provodljivost i povećava otpornost mastila na toplotu.

5. Izmjena stabilnosti

Stabilnost WPU značajno utiče na performanse skladištenja mastila na bazi vode. Osim otpornosti na vodu i visoke temperature, molekularna težina i struktura strukture su presudni. Poliesterske smole su općenito stabilnije od polieterskih smola zbog više vodikovih veza u molekularnoj strukturi. Dodavanje esterskih supstanci za formiranje miješanih poliuretana povećava stabilnost, kao što je korištenje disperzije izocijanata i silana za stvaranje dvokomponentnog WPU-a s poboljšanom stabilnošću i otpornošću na abraziju. Toplotna obrada i hlađenje takođe mogu stvoriti više vodoničnih veza, zategnuti molekularni raspored i poboljšati stabilnost WPU-a i performanse skladištenja mastila na bazi vode.

6. Adhesion Improvement

Dok optimizacija WPU poboljšava vodootpornost, otpornost na visoke temperature i stabilnost, WPU i dalje pokazuju slabo prianjanje na polietilenske (PE) plastične proizvode zbog molekularne težine i polariteta. Obično se dodaju polimeri ili monomeri sličnog polariteta i molekularne težine kako bi se poboljšao WPU i poboljšala adhezija tinte na bazi vode na nepolarne materijale. Na primjer, kopolimerizacija WPU sa polivinil hlorid-hidroksietil akrilatnom smolom poboljšava vodootpornu adheziju između boja i premaza. Dodavanje akrilne poliesterske smole u WPU stvara jedinstvenu strukturu molekularne veze, značajno poboljšavajući prianjanje WPU. Međutim, ove metode mogu utjecati na svojstva originalne tinte kao što je sjaj. Stoga, industrijske tehnike tretiraju materijale bez mijenjanja svojstava kako bi se poboljšala adhezija tinte, kao što je aktiviranje površina elektrodama ili kratkotrajna obrada plamenom radi povećanja adsorpcije.

• Zaključak

Trenutno se boje na bazi vode široko koriste u ambalaži za hranu, farmaceutskoj ambalaži, radionicama, knjigama i drugim premazima ili aplikacijama za štampu. Međutim, njihova inherentna ograničenja performansi ograničavaju šire aplikacije. Kako svijest o okolišu i sigurnosti raste s poboljšanim životnim standardom, ekološke boje na bazi vode koje smanjuju emisiju VOC sve više zamjenjuju mastila na bazi rastvarača, izazivajući tradicionalna tržišta mastila na bazi rastvarača.

U tom kontekstu, poboljšanje performansi mastila modifikovanjem smola na bazi vode, posebno poliuretana na bazi vode, kroz inovativne metode kao što su nanotehnologija i hibridizacija organskih i neorganskih jedinjenja je ključno za budući razvoj mastila na bazi vode. Stoga su potrebna daljnja sveobuhvatna istraživanja modifikacija smole kako bi se poboljšale performanse mastila na bazi vode za šire primjene.