Udforskning af udviklingen af ​​vandbaseret blæk og undersøgelsen af ​​miljøvenlig vandbaseret polyurethan blæk

Luftforurening har længe været en stor bekymring, hvor emissioner af giftige gasser, såsom VOC'er, er væsentlige bidragydere sammen med naturfænomener som støvstorme. Efterhånden som bevidstheden om miljøbeskyttelse vokser, og forskellige nationale politikker implementeres, har trykkeriindustrien, en stor VOC-udleder, stået over for en uundgåelig reform. Som følge heraf er miljøvenlige trykfarver blevet et omdrejningspunkt i den globale forskning i trykkeriindustrien. Blandt de tilgængelige miljøvenlige blæk, herunder vandbaseret blæk, energihærdende blæk og vegetabilsk oliebaseret blæk, er vandbaseret blæk de mest udbredte. Vandbaseret blæk indeholder en lavere andel af organiske opløsningsmidler, hvilket reducerer VOC-emissioner og er i overensstemmelse med miljøbeskyttelsesprincipperne. Vandbaseret blæk har dog også ulemper såsom langsomme tørre- og hærdningstider og dårlig vand- og alkaliresistens, hvilket begrænser deres anvendelse i traditionelle industrifarver. Således er forbedring af disse svagheder gennem harpiksmodifikation blevet et væsentligt fokus. Dette papir skitserer udviklingen og anvendelsen af ​​vandbaseret blæk, undersøgelsen af ​​harpiksmodifikationer, fremskridtene inden for forskning i trykfarver, der anvender vandbaserede polyurethaner, og fremtidsudsigterne på dette område.

• Eksperimentel

1. Udvikling af vandbaseret blæk

Blæk har en lang historie, der opstår sammen med opfindelsen af ​​trykning. Efter introduktionen af ​​Lithol Red Pigment i 1900 blev blæk udbredt, hvilket fik lande til at investere i blækforskning. Vandbaseret blæk er et derivat, der er et resultat af højere krav til blæk praktisk. Forskning i vandbaseret blæk begyndte i udlandet i 1960'erne, primært for at fremskynde udskrivningshastigheder og reducere afhængigheden af ​​oliebaserede råvarer. Disse trykfarver brugte organiske forbindelser som benzener og shellak eller natriumlignosulfonat som hovedmaterialer for at imødekomme udskrivningsbehov på det tidspunkt. I 1970'erne udviklede forskerne en polymeremulsionsharpiks med en kerne-skal og netværksstruktur ved at polymerisere akrylmonomerer med styren, hvilket bibeholdt blækkets glans og vandbestandighed, samtidig med at miljøkravene blev opfyldt. Men efterhånden som miljøbevidstheden steg og strengere miljølove blev vedtaget, faldt andelen af ​​benzenbaserede organiske stoffer i blæk. I 1980'erne introducerede de vesteuropæiske lande koncepterne og teknologierne "grøn blækudskrivning" og "ny vandbaseret blækudskrivning."

Kinas blækindustri begyndte i slutningen af ​​Qing-dynastiet med produktion af valuta, og var stærkt afhængig af importeret blæk indtil 1975, hvor Tianjin Ink Factory og Gangu Ink Factory udviklede og producerede den første indenlandske vandbaserede dybtryksfarve. I 1990'erne havde Kina importeret over 100 produktionslinjer til flexotryk, hvilket hurtigt fremskyndede brugen af ​​vandbaseret blæk. I 2003 udviklede China Industrial Technology Research Institute med succes relaterede produkter, og i begyndelsen af ​​2004 producerede Shanghai Meide Company et fuldt vandbaseret, lavtemperatur termohærdende blæk, der opfylder japanske og tyske standarder. Selvom Kinas forskning i vandbaseret blæk så hurtig udvikling i begyndelsen af ​​det 21. århundrede, havde de vestlige lande allerede opnået betydelige fremskridt: omkring 95 % af flexoprodukterne og 80 % af dybtryksprodukterne i USA brugte vandbaseret blæk, mens Storbritannien og Japan indførte vandbaseret blæk til fødevare- og farmaceutisk emballage. Til sammenligning var Kinas udvikling langsommere.

For yderligere at fremme markedet introducerede Kina den første vandbaserede blækstandard i maj 2007 og gik i 2011 ind for "grøn innovationsudvikling", med det formål at erstatte opløsningsmiddelbaseret blæk med vandbaseret blæk. I 2016's "13. femårsplan" for trykkeribranchen var "forskning i vandbaserede miljømaterialer" og "grøn print" nøglefokus. I 2020 udvidede den nationale promovering af grøn og digital udskrivning det vandbaserede blækmarked.

2. Anvendelse af vandbaseret blæk

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede anvendte USA først vandbaseret blæk i flexotryk. I 1970'erne blev vandbaseret dybtryk af høj kvalitet i vid udstrækning brugt til forskellige emballagepapirer, tykke bogreoler og pap. I 1980'erne blev blank og mat serigrafi vandbaseret blæk udviklet i udlandet, hvilket udvidede deres anvendelse til stoffer, papir, PVC, polystyren, aluminiumsfolie og metaller. I øjeblikket, på grund af deres miljøvenlige, ikke-giftige og sikre egenskaber, bruges vandbaseret blæk hovedsageligt til trykning af fødevareemballage, såsom tobaksemballage og drikkevareflasker. Efterhånden som miljølovgivningen forbedres, fortsætter anvendelsen af ​​vandbaseret blæk med at diversificere og intensivere. Kina fremmer også gradvist deres brug i trykkeriindustrien.

• Resultater og diskussion

1. Forskning i harpiksmodifikationer

Blækydelsen påvirkes af harpiksforskelle. Generelt er vandbaserede blækharpikser typisk polyurethan, modificerede akrylemulsioner eller polyacrylharpikser. Vandbaseret polyurethan (WPU) harpiks, med overlegen glans, er meget udbredt til emballagetryk. Derfor er forbedring af WPU-ydeevnen for at forbedre vandbaseret blæks miljøvenlighed og glans blevet et fokus i trykkeribranchen.

2. Modificerende vandbaserede polyurethaner

Vandbaserede polyurethaner, sammensat af polyoler med lav molekylvægt, kan klassificeres i polyester-, polyether- og hybridtyper. Baseret på polyester- og polyetherpolymerernes forskellige egenskaber varierer deres styrke og stabilitet. Generelt har polyetherpolyurethaner lavere styrke og stabilitet end polyesterpolyurethaner, men udviser bedre modstandsdygtighed over for høje temperaturer og er mindre tilbøjelige til hydrolyse. For eksempel forbedrer blækkets "konsistens" ved at bruge polyethylenglycolmonomethylether dets toleranceegenskaber. Dette er dog kun et referencepunkt. Forskellige forskningsinstitutter anvender forskellige metoder til at forbedre specifikke aspekter af WPU.

For eksempel blev der i 2010 valgt epoxyharpikser med høj sejhed og slagstyrke for at løse blækviskositet og vedhæftningsproblemer og derved forbedre blækstyrken. I 2006 brugte en undersøgelse offentliggjort af Beijing Chemical University ethylenglycol-baseret polyurethan til at danne en speciel harpiks med et langt blødt segment, hvilket forbedrer blækfleksibiliteten og indirekte styrker vandbaseret blæk. Nogle hold opnår modifikationsresultater ved at tilføje kemiske stoffer: inkorporering af silica eller organosilicium for at forbedre WPU, hvilket resulterer i forbedret blæktrækstyrke. Carboxyltermineret butadiennitrilpolyurethan bruges til at forbedre blækbøjningsydelsen og viskositeten og tilpasse sig mere komplekse miljøer.

Således udvælger forskere typisk specifikke polyestere baseret på blækegenskaberne, ved at bruge passende polysyrer og polyoler til at syntetisere varmebestandige polyesterpolyoler, indføre polære grupper med stærk vedhæftning, udvælge egnede råmaterialer til at forbedre polyurethankrystalliniteten og bruge koblingsmidler til at forbedre WPU-klæbemidlers fugt- og varmebestandighed.

3. Vandmodstandsændring

Da blæk hovedsageligt bruges til ydre emballage og ofte kommer i kontakt med vand, kan dårlig vandmodstand føre til reduceret hårdhed, glans og endda blækafskalning eller beskadigelse, hvilket væsentligt påvirker opbevaringsydelsen. Forbedring af WPU-vandbestandighed forbedrer blæklagringsydelsen ved at bruge polyoler med god vandmodstand som materialer. For eksempel kan modificering af WPU med akrylmonomerer eller justering af indholdet af epoxyharpiks forbedre blækvandbestandigheden.

Udover at bruge højvandsbestandige polymerer til at erstatte standard polyurethan, tilføjer forskere ofte organiske eller uorganiske stoffer for at opnå den ønskede effekt. For eksempel øger inkorporering af silica i nanoskala i harpiks vandbestandighed og styrke, en meget brugt metode i blækproduktion. "Emulsionscopolymerisationsmetoden" skaber sammensat PUA for at forbedre vandmodstanden, mens metoder som polyethylenglycolmonomethylethermodifikation og acetonesyntese af organosiliciummodificeret WPU forbedrer vandmodstanden.

4. Modifikation af højtemperaturmodstand

Generelt er WPU's højtemperaturmodstand relativt svag, hvilket begrænser vandbaseret blæks varmebestandighed. Polyetherpolyurethaner har typisk bedre modstandsdygtighed over for høje temperaturer end polyesterpolyurethaner på grund af antallet af dobbeltbindinger. Tilføjelse af langkædede polymerer eller benzenringestere/-ethere som polymerisationsmonomerer forbedrer polymerens højtemperaturbestandighed og følgelig vandbaseret blækvarmebestandighed. Udover at bruge langkædede polyetherpolyurethaner, bruger nogle hold kompositmaterialer for at øge kompleksiteten og forbedre modstandsdygtigheden over for høje temperaturer. Tilføjelse af nano-tinoxidantimon til WPU syntetiseret fra DMPA, polyether 220 og IPDI gør det for eksempel muligt for blæklag at absorbere varme, hvilket forbedrer modstandsdygtigheden over for høje temperaturer. Tilføjelse af silica aerogel til polyurethan reducerer også termisk ledningsevne og forbedrer blækkets varmebestandighed.

5. Stabilitetsmodifikation

WPU-stabilitet påvirker markant vandbaseret blæklagringsydelse. Udover vand- og højtemperaturbestandighed er molekylvægt og strukturarrangement afgørende. Polyesterharpikser er generelt mere stabile end polyetherharpikser på grund af flere hydrogenbindinger i molekylstrukturen. Tilsætning af esterstoffer for at danne blandede polyurethaner øger stabiliteten, såsom at bruge isocyanat- og silandispersion til at skabe en tokomponent WPU med forbedret stabilitet og slidstyrke. Varmebehandling og afkøling kan også skabe flere brintbindinger, stramme det molekylære arrangement og forbedre WPU-stabiliteten og den vandbaserede blæklagringsydelse.

6. Adhæsionsforbedring

Mens optimering af WPU forbedrer vandbestandighed, højtemperaturbestandighed og stabilitet, viser WPU'er stadig dårlig vedhæftning til polyethylen (PE) plastprodukter på grund af molekylvægt og polaritet. Typisk tilsættes polymerer eller monomerer med lignende polaritet og molekylvægt for at forbedre WPU og forbedre vandbaseret blækvedhæftning til ikke-polære materialer. For eksempel forbedrer copolymerisering af WPU med en polyvinylchlorid-hydroxyethylacrylatharpiks vandtæt vedhæftning mellem blæk og belægninger. Tilføjelse af akrylpolyesterharpiks til WPU skaber en unik molekylær forbindelsesstruktur, der væsentligt forbedrer WPU-vedhæftningen. Disse metoder kan dog påvirke originale blækegenskaber som glans. Derfor behandler industrielle teknikker materialer uden at ændre egenskaber for at forbedre blækvedhæftningen, såsom aktivering af overflader med elektroder eller kortvarig flammebehandling for at øge adsorptionen.

• Konklusion

I øjeblikket bruges vandbaseret blæk i vid udstrækning i fødevareemballage, farmaceutisk emballage, værksteder, bøger og andre belægninger eller printapplikationer. Imidlertid begrænser deres iboende ydeevnebegrænsninger bredere applikationer. Efterhånden som miljø- og sikkerhedsbevidstheden vokser med forbedrede levestandarder, erstatter vandbaseret miljøvenlig blæk, der reducerer VOC-emissioner, i stigende grad opløsningsmiddelbaseret blæk, hvilket udfordrer traditionelle opløsningsmiddelbaserede blækmarkeder.

I denne sammenhæng er det afgørende for fremtidig vandbaseret blækudvikling at forbedre blækydelsen ved at modificere vandbaserede harpikser, især vandbaserede polyurethaner, gennem innovative metoder såsom nanoteknologi og hybridisering af organiske og uorganiske forbindelser. Derfor er der behov for yderligere omfattende forskning i harpiksmodifikationer for at forbedre vandbaseret blækydelse til bredere anvendelser.