Zkoumání vývoje inkoustů na vodní bázi a studium ekologických polyuretanových inkoustů na vodní bázi

Znečištění ovzduší je již dlouho hlavním problémem, protože emise toxických plynů, jako jsou VOC, významně přispívají vedle přírodních jevů, jako jsou prachové bouře. Jak roste povědomí o ochraně životního prostředí a jsou zaváděny různé národní politiky, tiskařský průmysl, hlavní emitor VOC, čelí nevyhnutelné reformě. V důsledku toho se ekologické tiskové barvy staly ústředním bodem celosvětového výzkumu polygrafického průmyslu. Mezi dostupnými ekologicky šetrnými inkousty, včetně inkoustů na vodní bázi, energeticky vytvrditelných inkoustů a inkoustů na bázi rostlinných olejů, jsou nejrozšířenější inkousty na vodní bázi. Inkousty na vodní bázi obsahují nižší podíl organických rozpouštědel, snižují emise VOC a jsou v souladu s principy ochrany životního prostředí. Inkousty na vodní bázi však mají také nevýhody, jako je pomalé schnutí a doba vytvrzování a špatná odolnost vůči vodě a zásadám, což omezuje jejich použití v tradičních průmyslových inkoustech. Zlepšování těchto nedostatků modifikací pryskyřice se tedy stalo významným cílem. Tento článek nastiňuje vývoj a použití inkoustů na vodní bázi, studium modifikací pryskyřic, pokrok ve výzkumu tiskařských barev využívajících polyuretany na vodní bázi a budoucí vyhlídky v této oblasti.

• Experimentální

1. Vývoj inkoustů na vodní bázi

Inkousty mají dlouhou historii a objevují se spolu s vynálezem tisku. Po představení Lithol Red Pigment v roce 1900 se inkousty rozšířily, což přimělo země k investicím do výzkumu inkoustů. Inkousty na vodní bázi jsou derivátem vyplývajícím z vyšších nároků na praktičnost inkoustu. Výzkum inkoustů na vodní bázi začal v zahraničí v 60. letech minulého století, především s cílem urychlit rychlost tisku a snížit závislost na surovinách na bázi ropy. Tyto inkousty používaly organické sloučeniny, jako jsou benzeny a šelak nebo lignosulfonát sodný, jako hlavní materiály pro uspokojení tehdejších tiskových potřeb. V 70. letech 20. století výzkumníci vyvinuli polymerní emulzní pryskyřici s jádrem-plášťem a síťovou strukturou polymerací akrylových monomerů se styrenem, čímž se zachoval lesk a odolnost inkoustů vůči vodě při splnění požadavků na životní prostředí. S rostoucím povědomím o životním prostředí a uzákoněním přísnějších ekologických zákonů se však podíl organických látek na bázi benzenu v inkoustech snížil. V 80. letech zavedly západoevropské země koncepty a technologie „zeleného inkoustového tisku“ a „nového inkoustového tisku na vodní bázi“.

Čínský inkoustový průmysl začal na konci dynastie Čching produkcí měny a až do roku 1975, kdy Tianjin Ink Factory a Gangu Ink Factory vyvinuly a vyrobily první domácí inkoust pro hlubotisk na vodní bázi, silně spoléhal na dovážené inkousty. Do 90. let 20. století Čína dovezla více než 100 výrobních linek pro flexotisk, čímž se rychle rozšířilo používání inkoustů na vodní bázi. V roce 2003 China Industrial Technology Research Institute úspěšně vyvinul související produkty a počátkem roku 2004 vyrobila společnost Shanghai Meide Company plně na vodní bázi, nízkoteplotní termosetový inkoust splňující japonské a německé normy. Ačkoli čínský výzkum inkoustů na vodní bázi zaznamenal rychlý rozvoj na počátku 21. století, západní země již dosáhly významného pokroku: asi 95 % flexoproduktů a 80 % hlubotiskových produktů ve Spojených státech používalo inkousty na vodní bázi, zatímco Spojené království a Japonsko přijalo inkousty na vodní bázi pro balení potravin a léčiv. V porovnání s tím byl čínský rozvoj pomalejší.

V zájmu další podpory trhu Čína v květnu 2007 zavedla první standard inkoustů na vodní bázi a v roce 2011 se zasadila o „vývoj zelených inovací“ s cílem nahradit inkousty na bázi rozpouštědla inkousty na vodní bázi. Ve „13. pětiletém plánu“ pro polygrafický průmysl z roku 2016 byly klíčovými body „výzkum ekologických materiálů na vodní bázi“ a „zelený tisk“. Do roku 2020 národní propagace zeleného a digitálního tisku rozšířila trh s inkousty na vodní bázi.

2. Aplikace inkoustů na vodní bázi

Na počátku 20. století Spojené státy poprvé použily inkousty na vodní bázi při flexotisku. V 70. letech 20. století byly vysoce kvalitní inkousty pro hlubotisk na vodní bázi široce používány pro různé balicí papíry, tlusté knihovny a kartony. V 80. letech 20. století byly v zahraničí vyvinuty lesklé a matné sítotiskové barvy na vodní bázi, které rozšířily své použití na tkaniny, papír, PVC, polystyren, hliníkové fólie a kovy. V současné době se inkousty na vodní bázi díky svým ekologickým, netoxickým a bezpečným vlastnostem používají hlavně při tisku obalů potravin, jako jsou obaly na tabák a nápojové lahve. Se zlepšujícími se zákony na ochranu životního prostředí se používání inkoustů na vodní bázi stále rozšiřuje a zintenzivňuje. Čína také postupně prosazuje jejich použití v polygrafickém průmyslu.

• Výsledky a diskuse

1. Výzkum modifikací pryskyřice

Výkon inkoustu je ovlivněn rozdíly pryskyřice. Obecně jsou inkoustové pryskyřice na vodní bázi typicky polyuretanové, modifikované akrylové emulze nebo polyakrylové pryskyřice. Polyuretanové (WPU) pryskyřice na vodní bázi s vynikajícím leskem jsou široce používány v potisku obalů. V polygrafickém průmyslu se tedy stalo středem zájmu zvýšení výkonu WPU s cílem zlepšit šetrnost k životnímu prostředí a lesk inkoustu na vodní bázi.

2. Úprava polyuretanů na vodní bázi

Polyuretany na vodní bázi, složené z nízkomolekulárních polyolů, lze rozdělit na polyesterové, polyetherové a hybridní typy. Na základě různých vlastností polyesterových a polyetherových polymerů se liší jejich pevnost a stabilita. Obecně mají polyetherpolyurethany nižší pevnost a stabilitu než polyesterové polyurethany, ale vykazují lepší odolnost vůči vysokým teplotám a jsou méně náchylné k hydrolýze. Například zvýšení "konzistence" inkoustu použitím polyethylenglykolmonomethyletheru zlepšuje jeho toleranční vlastnosti. Toto je však pouze orientační bod. Různé výzkumné ústavy přijímají různé metody ke zlepšení specifických aspektů WPU.

Například v roce 2010 byly vybrány epoxidové pryskyřice s vysokou houževnatostí a rázovou houževnatostí, aby řešily problémy s viskozitou inkoustu a adhezí, čímž se zvýšila pevnost inkoustu. V roce 2006 studie publikovaná Pekingskou chemickou univerzitou použila polyuretan na bázi etylenglykolu k vytvoření speciální pryskyřice s dlouhým měkkým segmentem, který zlepšuje flexibilitu inkoustu a nepřímo posiluje inkoust na vodní bázi. Některé týmy dosahují výsledků modifikace přidáním chemických látek: začleněním oxidu křemičitého nebo organokřemičitého ke zlepšení WPU, což má za následek zvýšenou pevnost inkoustu v tahu. Butadiennitrilový polyuretan zakončený karboxylem se používá ke zlepšení ohýbání inkoustu a viskozity, aby se přizpůsobil složitějším prostředím.

Výzkumníci tedy obvykle vybírají specifické polyestery na základě vlastností inkoustu, využívají vhodné polykyseliny a polyoly k syntéze tepelně odolných polyesterových polyolů, zavádějí polární skupiny se silnou adhezí, vybírají vhodné suroviny pro zlepšení krystalinity polyuretanu a používají vazebná činidla pro zvýšení lepivosti WPU. odolnost proti vlhkosti a teplu.

3. Úprava odolnosti proti vodě

Vzhledem k tomu, že inkoust se používá hlavně pro vnější obaly a často přichází do styku s vodou, špatná odolnost proti vodě může vést ke snížení tvrdosti, lesku a dokonce k odlupování nebo poškození inkoustu, což významně ovlivňuje výkon skladování. Zlepšení odolnosti proti vodě WPU zvyšuje výkon při skladování inkoustu použitím polyolů s dobrou odolností vůči vodě jako materiálů. Například úprava WPU akrylovými monomery nebo úprava obsahu epoxidové pryskyřice může zlepšit odolnost inkoustu vůči vodě.

Kromě použití polymerů s vysokou odolností proti vodě jako náhrady standardního polyuretanu výzkumníci často přidávají organické nebo anorganické látky, aby dosáhli požadovaného účinku. Například začlenění oxidu křemičitého v nanoměřítku do pryskyřice zvyšuje odolnost proti vodě a pevnost, což je široce používaná metoda při výrobě inkoustu. "Metoda emulzní kopolymerace" vytváří kompozitní PUA pro zlepšení odolnosti proti vodě, zatímco metody jako modifikace polyethylenglykolmonomethyletheru a acetonová syntéza organokřemičitým modifikovaného WPU zvyšují odolnost proti vodě.

4. Modifikace odolnosti proti vysoké teplotě

Obecně je odolnost WPU vůči vysokým teplotám relativně slabá, což omezuje tepelnou odolnost inkoustu na vodní bázi. Polyetherpolyuretany mají typicky lepší odolnost vůči vysokým teplotám než polyesterové polyuretany díky počtu dvojných vazeb. Přidání polymerů s dlouhým řetězcem nebo esterů/etherů s benzenovým kruhem jako polymeračních monomerů zlepšuje odolnost polymeru vůči vysokým teplotám a následně tepelnou odolnost inkoustu na vodní bázi. Kromě použití polyetherpolyuretanů s dlouhým řetězcem některé týmy používají kompozitní materiály ke zvýšení složitosti a zvýšení odolnosti vůči vysokým teplotám. Například přidání nanooxidu cínu a antimonu do WPU syntetizovaného z DMPA, polyetheru 220 a IPDI umožňuje vrstvám inkoustu absorbovat teplo a zlepšit odolnost proti vysokým teplotám. Přidání aerogelu oxidu křemičitého k polyuretanu také snižuje tepelnou vodivost a zvyšuje tepelnou odolnost inkoustu.

5. Modifikace stability

Stabilita WPU výrazně ovlivňuje výkon skladování inkoustu na vodní bázi. Kromě odolnosti vůči vodě a vysokým teplotám je rozhodující molekulová hmotnost a uspořádání struktury. Polyesterové pryskyřice jsou obecně stabilnější než polyetherové pryskyřice díky většímu počtu vodíkových vazeb v molekulární struktuře. Přidání esterových látek k vytvoření směsných polyuretanů zvyšuje stabilitu, jako je použití isokyanátové a silanové disperze k vytvoření dvousložkového WPU se zlepšenou stabilitou a odolností proti oděru. Tepelné zpracování a chlazení může také vytvořit více vodíkových vazeb, zpřísnit molekulární uspořádání a zlepšit stabilitu WPU a kapacitu skladování inkoustu na vodní bázi.

6. Zlepšení adheze

Zatímco optimalizace WPU zlepšuje odolnost proti vodě, odolnost vůči vysokým teplotám a stabilitu, WPU stále vykazují špatnou přilnavost k polyethylenovým (PE) plastovým výrobkům kvůli molekulové hmotnosti a polaritě. Typicky se přidávají polymery nebo monomery s podobnou polaritou a molekulovou hmotností pro zlepšení WPU a zvýšení adheze inkoustu na vodní bázi k nepolárním materiálům. Například kopolymerace WPU s polyvinylchlorid-hydroxyethylakrylátovou pryskyřicí zlepšuje vodotěsnou adhezi mezi inkousty a nátěry. Přidání akrylové polyesterové pryskyřice k WPU vytváří jedinečnou molekulární spojovací strukturu, která výrazně zvyšuje adhezi WPU. Tyto metody však mohou ovlivnit vlastnosti původního inkoustu, jako je lesk. Proto průmyslové techniky ošetřují materiály beze změny vlastností za účelem zlepšení adheze inkoustu, jako je aktivace povrchů elektrodami nebo krátkodobé ošetření plamenem pro zvýšení adsorpce.

• Závěr

V současné době jsou inkousty na vodní bázi široce používány v balení potravin, farmaceutických obalů, dílnách, knihách a dalších nátěrech nebo tiskařských aplikacích. Jejich inherentní omezení výkonu však omezují širší aplikace. Vzhledem k tomu, že povědomí o životním prostředí a bezpečnosti roste se zlepšenou životní úrovní, ekologické inkousty na vodní bázi, které snižují emise VOC, stále častěji nahrazují inkousty na bázi rozpouštědla, což představuje výzvu pro tradiční trhy inkoustů na bázi rozpouštědla.

V této souvislosti je pro budoucí vývoj inkoustů na vodní bázi klíčové zvýšení výkonu inkoustu úpravou pryskyřic na vodní bázi, zejména polyuretanů na vodní bázi, prostřednictvím inovativních metod, jako je nanotechnologie a hybridizace organických a anorganických sloučenin. Proto je zapotřebí další komplexní výzkum modifikací pryskyřice, aby se zlepšil výkon inkoustů na vodní bázi pro širší aplikace.