Εξερευνώντας την ανάπτυξη μελανιών με βάση το νερό και τη μελέτη των φιλικών προς το περιβάλλον μελανιών πολυουρεθάνης με βάση το νερό

Η ατμοσφαιρική ρύπανση αποτελεί από καιρό μια σημαντική ανησυχία, με τις εκπομπές τοξικών αερίων όπως οι πτητικές οργανικές ενώσεις να συμβάλλουν σημαντικά παράλληλα με φυσικά φαινόμενα όπως οι καταιγίδες σκόνης. Καθώς η ευαισθητοποίηση για την προστασία του περιβάλλοντος αυξάνεται και εφαρμόζονται διάφορες εθνικές πολιτικές, η τυπογραφική βιομηχανία, ένας σημαντικός παράγοντας εκπομπής ΠΟΕ, αντιμετωπίζει αναπόφευκτη μεταρρύθμιση. Κατά συνέπεια, τα οικολογικά μελάνια εκτύπωσης έχουν γίνει κεντρικό σημείο στην παγκόσμια έρευνα της βιομηχανίας εκτύπωσης. Μεταξύ των διαθέσιμων φιλικών προς το περιβάλλον μελανιών, συμπεριλαμβανομένων των μελανιών με βάση το νερό, των μελανιών που σκληρύνονται με ενέργεια και των μελανιών με βάση φυτικά έλαια, τα μελάνια με βάση το νερό είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα. Τα μελάνια με βάση το νερό περιέχουν μικρότερη αναλογία οργανικών διαλυτών, μειώνοντας τις εκπομπές VOC και ευθυγραμμίζονται με τις αρχές προστασίας του περιβάλλοντος. Ωστόσο, τα μελάνια με βάση το νερό έχουν επίσης μειονεκτήματα, όπως αργούς χρόνους στεγνώματος και σκλήρυνσης και κακή αντοχή στο νερό και στα αλκάλια, περιορίζοντας την εφαρμογή τους σε παραδοσιακά βιομηχανικά μελάνια. Έτσι, η βελτίωση αυτών των αδυναμιών μέσω της τροποποίησης ρητίνης έχει γίνει σημαντική εστίαση. Αυτή η εργασία περιγράφει την ανάπτυξη και εφαρμογή μελανιών με βάση το νερό, τη μελέτη των τροποποιήσεων της ρητίνης, την πρόοδο στην έρευνα σχετικά με τα μελάνια εκτύπωσης που χρησιμοποιούν πολυουρεθάνες με βάση το νερό και τις μελλοντικές προοπτικές σε αυτόν τον τομέα.

• Πειραματικός

1. Ανάπτυξη Μελανιών με βάση το νερό

Τα μελάνια έχουν μακρά ιστορία, που αναδύονται παράλληλα με την εφεύρεση της εκτύπωσης. Μετά την εισαγωγή του Lithol Red Pigment το 1900, τα μελάνια έγιναν ευρέως διαδεδομένα, ωθώντας τις χώρες να επενδύσουν στην έρευνα μελανιού. Τα μελάνια με βάση το νερό είναι ένα παράγωγο που προκύπτει από υψηλότερες απαιτήσεις για πρακτικότητα μελανιού. Η έρευνα για τα μελάνια με βάση το νερό ξεκίνησε στο εξωτερικό τη δεκαετία του 1960, κυρίως για να επιταχυνθούν οι ρυθμοί εκτύπωσης και να μειωθεί η εξάρτηση από τις πρώτες ύλες με βάση το πετρέλαιο. Αυτά τα μελάνια χρησιμοποίησαν οργανικές ενώσεις, όπως βενζόλια και σελάκ ή λιγνοσουλφονικό νάτριο ως κύρια υλικά για την κάλυψη των εκτυπωτικών αναγκών εκείνη την εποχή. Στη δεκαετία του 1970, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια ρητίνη γαλακτώματος πολυμερούς με δομή πυρήνα-κέλυφος και δίκτυο πολυμερίζοντας ακρυλικά μονομερή με στυρένιο, διατηρώντας τη στιλπνότητα και την αντοχή στο νερό των μελανιών ενώ πληρούν τις περιβαλλοντικές απαιτήσεις. Ωστόσο, καθώς αυξήθηκε η περιβαλλοντική ευαισθητοποίηση και θεσπίστηκαν αυστηρότεροι περιβαλλοντικοί νόμοι, το ποσοστό των οργανικών ουσιών με βάση το βενζόλιο στα μελάνια μειώθηκε. Μέχρι τη δεκαετία του 1980, οι δυτικοευρωπαϊκές χώρες εισήγαγαν τις έννοιες και τις τεχνολογίες της «εκτύπωσης πράσινης μελάνης» και της «νέας εκτύπωσης μελάνης με βάση το νερό».

Η βιομηχανία μελάνης της Κίνας ξεκίνησε στα τέλη της δυναστείας Qing με την παραγωγή νομισμάτων, βασιζόμενη σε μεγάλο βαθμό σε εισαγόμενα μελάνια μέχρι το 1975, όταν το Tianjin Ink Factory και το Gangu Ink Factory ανέπτυξαν και παρήγαγαν το πρώτο εγχώριο μελάνι γκραβούρα με βάση το νερό. Μέχρι τη δεκαετία του 1990, η Κίνα είχε εισαγάγει περισσότερες από 100 γραμμές παραγωγής εκτύπωσης flexo, προωθώντας γρήγορα τη χρήση μελανιών με βάση το νερό. Το 2003, το Ερευνητικό Ινστιτούτο Βιομηχανικής Τεχνολογίας της Κίνας ανέπτυξε με επιτυχία σχετικά προϊόντα και στις αρχές του 2004, η Shanghai Meide Company παρήγαγε ένα πλήρως υδατοσκληρυνόμενο μελάνι χαμηλής θερμοκρασίας που ανταποκρίνεται στα ιαπωνικά και γερμανικά πρότυπα. Αν και η έρευνα της Κίνας για τα μελάνια με βάση το νερό γνώρισε ταχεία ανάπτυξη στις αρχές του 21ου αιώνα, οι δυτικές χώρες είχαν ήδη σημειώσει σημαντική πρόοδο: περίπου το 95% των προϊόντων flexo και το 80% των προϊόντων gravure στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιούσαν μελάνια με βάση το νερό, ενώ το Ηνωμένο Βασίλειο και η Ιαπωνία υιοθέτησαν μελάνια με βάση το νερό για συσκευασίες τροφίμων και φαρμακευτικών προϊόντων. Συγκριτικά, η ανάπτυξη της Κίνας ήταν πιο αργή.

Για περαιτέρω προώθηση της αγοράς, η Κίνα εισήγαγε το πρώτο πρότυπο μελανιού με βάση το νερό τον Μάιο του 2007 και το 2011 υποστήριξε την «ανάπτυξη πράσινης καινοτομίας», με στόχο την αντικατάσταση των μελανιών με βάση διαλύτες με μελάνια με βάση το νερό. Στο «13ο Πενταετές Σχέδιο» του 2016 για τον κλάδο της εκτύπωσης, η «έρευνα για περιβαλλοντικά υλικά με βάση το νερό» και η «πράσινη εκτύπωση» ήταν βασικοί άξονες. Μέχρι το 2020, η εθνική προώθηση της πράσινης και ψηφιακής εκτύπωσης επέκτεινε την αγορά μελανιών με βάση το νερό.

2. Εφαρμογή μελανιών με βάση το νερό

Στις αρχές του 20ου αιώνα, οι Ηνωμένες Πολιτείες εφάρμοσαν για πρώτη φορά μελάνια με βάση το νερό στην εκτύπωση flexo. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, τα υψηλής ποιότητας μελάνια γκραβούρα με βάση το νερό χρησιμοποιούνταν ευρέως για διάφορα χαρτιά συσκευασίας, χοντρά ράφια βιβλίων και χαρτόνι. Στη δεκαετία του 1980 αναπτύχθηκαν στο εξωτερικό μελάνια γυαλιστερής και ματ μεταξοτυπίας με βάση το νερό, επεκτείνοντας την εφαρμογή τους σε υφάσματα, χαρτί, PVC, πολυστυρένιο, φύλλο αλουμινίου και μέταλλα. Επί του παρόντος, λόγω των οικολογικών, μη τοξικών και ασφαλών χαρακτηριστικών τους, τα μελάνια με βάση το νερό χρησιμοποιούνται κυρίως στην εκτύπωση συσκευασιών τροφίμων, όπως συσκευασίες καπνού και μπουκάλια ποτών. Καθώς οι περιβαλλοντικοί νόμοι βελτιώνονται, η εφαρμογή μελανιών με βάση το νερό συνεχίζει να διαφοροποιείται και να εντείνεται. Η Κίνα προωθεί επίσης σταδιακά τη χρήση τους στη βιομηχανία εκτύπωσης.

• Αποτελέσματα και συζήτηση

1. Έρευνα για τις Τροποποιήσεις Ρητίνης

Η απόδοση του μελανιού επηρεάζεται από τις διαφορές ρητίνης. Γενικά, οι ρητίνες μελανιού με βάση το νερό είναι τυπικά πολυουρεθάνη, τροποποιημένα ακρυλικά γαλακτώματα ή πολυακρυλικές ρητίνες. Οι ρητίνες πολυουρεθάνης με βάση το νερό (WPU), με ανώτερη γυαλάδα, χρησιμοποιούνται ευρέως στην εκτύπωση συσκευασιών. Έτσι, η βελτίωση της απόδοσης WPU για τη βελτίωση της φιλικότητας και της γυαλάδας του μελανιού με βάση το νερό έχει γίνει εστίαση στη βιομηχανία εκτύπωσης.

2. Τροποποίηση πολυουρεθανών με βάση το νερό

Οι πολυουρεθάνες με βάση το νερό, που αποτελούνται από πολυόλες χαμηλού μοριακού βάρους, μπορούν να ταξινομηθούν σε πολυεστέρα, πολυαιθέρα και υβριδικούς τύπους. Με βάση τις διαφορετικές ιδιότητες των πολυμερών πολυεστέρα και πολυαιθέρα, η αντοχή και η σταθερότητά τους ποικίλλουν. Γενικά, οι πολυαιθερικές πολυουρεθάνες έχουν χαμηλότερη αντοχή και σταθερότητα από τις πολυεστερικές πολυουρεθάνες, αλλά παρουσιάζουν καλύτερη αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και είναι λιγότερο επιρρεπείς σε υδρόλυση. Για παράδειγμα, η αύξηση της «συνοχής» του μελανιού με τη χρήση μονομεθυλαιθέρα πολυαιθυλενογλυκόλης βελτιώνει τα χαρακτηριστικά ανοχής του. Ωστόσο, αυτό είναι μόνο ένα σημείο αναφοράς. Διάφορα ερευνητικά ινστιτούτα υιοθετούν διαφορετικές μεθόδους για να ενισχύσουν συγκεκριμένες πτυχές της WPU.

Για παράδειγμα, το 2010, επιλέχθηκαν εποξειδικές ρητίνες με υψηλή σκληρότητα και αντοχή σε κρούση για την αντιμετώπιση προβλημάτων ιξώδους και πρόσφυσης μελανιού, ενισχύοντας έτσι την αντοχή του μελανιού. Το 2006, μια μελέτη που δημοσιεύτηκε από το Beijing Chemical University χρησιμοποίησε πολυουρεθάνη με βάση την αιθυλενογλυκόλη για να σχηματίσει μια ειδική ρητίνη με μακρύ μαλακό τμήμα, βελτιώνοντας την ευελιξία του μελανιού και ενισχύοντας έμμεσα το μελάνι με βάση το νερό. Ορισμένες ομάδες επιτυγχάνουν αποτελέσματα τροποποίησης προσθέτοντας χημικές ουσίες: ενσωματώνοντας πυρίτιο ή οργανοπυρίτιο για τη βελτίωση της WPU, με αποτέλεσμα ενισχυμένη αντοχή σε εφελκυσμό μελανιού. Η πολυουρεθάνη βουταδιενονιτριλίου με τερματικό καρβοξυλικό άκρο χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της απόδοσης και του ιξώδους κάμψης μελανιού, προσαρμοζόμενη σε πιο πολύπλοκα περιβάλλοντα.

Έτσι, οι ερευνητές τυπικά επιλέγουν συγκεκριμένους πολυεστέρες με βάση τις ιδιότητες του μελανιού, χρησιμοποιώντας κατάλληλα πολυοξέα και πολυόλες για τη σύνθεση ανθεκτικών στη θερμότητα πολυεστερικών πολυολών, εισάγοντας πολικές ομάδες με ισχυρή πρόσφυση, επιλέγοντας κατάλληλες πρώτες ύλες για τη βελτίωση της κρυσταλλικότητας πολυουρεθάνης και χρησιμοποιώντας παράγοντες σύζευξης για την ενίσχυση της κόλλας WPU αντοχή στην υγρασία και τη θερμότητα.

3. Τροποποίηση αντοχής στο νερό

Δεδομένου ότι το μελάνι χρησιμοποιείται κυρίως για την εξωτερική συσκευασία και έρχεται συχνά σε επαφή με το νερό, η κακή αντοχή στο νερό μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη σκληρότητα, γυαλάδα, ακόμη και ξεφλούδισμα ή ζημιά του μελανιού, επηρεάζοντας σημαντικά την απόδοση αποθήκευσης. Η βελτίωση της αντοχής στο νερό WPU βελτιώνει την απόδοση αποθήκευσης μελανιού χρησιμοποιώντας πολυόλες με καλή αντοχή στο νερό ως υλικά. Για παράδειγμα, η τροποποίηση της WPU με ακρυλικά μονομερή ή η προσαρμογή της περιεκτικότητας σε εποξειδική ρητίνη μπορεί να βελτιώσει την αντοχή του μελανιού στο νερό.

Εκτός από τη χρήση πολυμερών υψηλής αντοχής στο νερό για την αντικατάσταση της τυπικής πολυουρεθάνης, οι ερευνητές συχνά προσθέτουν οργανικές ή ανόργανες ουσίες για να επιτύχουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Για παράδειγμα, η ενσωμάτωση πυριτίου νανοκλίμακας στη ρητίνη ενισχύει την αντοχή και την αντοχή στο νερό, μια μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή μελανιού. Η "μέθοδος συμπολυμερισμού γαλακτώματος" δημιουργεί σύνθετο PUA για τη βελτίωση της αντοχής στο νερό, ενώ μέθοδοι όπως η τροποποίηση μονομεθυλαιθέρα πολυαιθυλενογλυκόλης και η σύνθεση ακετόνης τροποποιημένης με οργανοπυρίτιο WPU ενισχύουν την αντοχή στο νερό.

4. Τροποποίηση αντίστασης σε υψηλή θερμοκρασία

Γενικά, η αντίσταση της WPU σε υψηλές θερμοκρασίες είναι σχετικά ασθενής, περιορίζοντας την αντίσταση στη θερμότητα του μελανιού με βάση το νερό. Οι πολυαιθερικές πολυουρεθάνες έχουν συνήθως καλύτερη αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες από τις πολυεστερικές πολυουρεθάνες λόγω του αριθμού των διπλών δεσμών. Η προσθήκη πολυμερών μακράς αλυσίδας ή εστέρων/αιθέρων βενζολικού δακτυλίου ως μονομερών πολυμερισμού βελτιώνει την αντοχή του πολυμερούς σε υψηλή θερμοκρασία και, κατά συνέπεια, την αντίσταση στη θερμότητα του μελανιού με βάση το νερό. Εκτός από τη χρήση πολυαιθερικών πολυουρεθανών μακράς αλυσίδας, ορισμένες ομάδες χρησιμοποιούν σύνθετα υλικά για να αυξήσουν την πολυπλοκότητα και να ενισχύσουν την αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα, η προσθήκη αντιμονίου νανοξειδίου του κασσιτέρου σε WPU που συντίθεται από DMPA, πολυαιθέρα 220 και IPDI επιτρέπει στα στρώματα μελανιού να απορροφούν θερμότητα, βελτιώνοντας την αντίσταση σε υψηλή θερμοκρασία. Η προσθήκη αερογέλης πυριτίου στην πολυουρεθάνη μειώνει επίσης τη θερμική αγωγιμότητα και ενισχύει την αντίσταση στη θερμότητα του μελανιού.

5. Τροποποίηση σταθερότητας

Η σταθερότητα της WPU επηρεάζει σημαντικά την απόδοση αποθήκευσης μελανιού με βάση το νερό. Εκτός από την αντίσταση στο νερό και την υψηλή θερμοκρασία, το μοριακό βάρος και η διάταξη της δομής είναι ζωτικής σημασίας. Οι πολυεστερικές ρητίνες είναι γενικά πιο σταθερές από τις πολυαιθερικές ρητίνες λόγω περισσότερων δεσμών υδρογόνου στη μοριακή δομή. Η προσθήκη εστερικών ουσιών για το σχηματισμό μικτών πολυουρεθανών αυξάνει τη σταθερότητα, όπως η χρήση ισοκυανικού και σιλανικής διασποράς για τη δημιουργία ενός WPU δύο συστατικών με βελτιωμένη σταθερότητα και αντοχή στην τριβή. Η θερμική επεξεργασία και η ψύξη μπορούν επίσης να δημιουργήσουν περισσότερους δεσμούς υδρογόνου, συσφίγγοντας τη μοριακή διάταξη και ενισχύοντας τη σταθερότητα της WPU και την απόδοση αποθήκευσης μελανιού με βάση το νερό.

6. Βελτίωση πρόσφυσης

Ενώ η βελτιστοποίηση της WPU βελτιώνει την αντοχή στο νερό, την αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες και τη σταθερότητα, οι WPU εξακολουθούν να παρουσιάζουν κακή πρόσφυση σε πλαστικά προϊόντα πολυαιθυλενίου (PE) λόγω μοριακού βάρους και πολικότητας. Τυπικά, προστίθενται πολυμερή ή μονομερή παρόμοιας πολικότητας και μοριακού βάρους για τη βελτίωση της WPU και την ενίσχυση της πρόσφυσης του μελανιού με βάση το νερό σε μη πολικά υλικά. Για παράδειγμα, ο συμπολυμερισμός WPU με ρητίνη πολυβινυλοχλωριδίου-υδροξυαιθυλακρυλικού εστέρα βελτιώνει την αδιάβροχη πρόσφυση μεταξύ μελανιών και επικαλύψεων. Η προσθήκη ακρυλικής πολυεστερικής ρητίνης στο WPU δημιουργεί μια μοναδική δομή μοριακού συνδέσμου, ενισχύοντας σημαντικά την πρόσφυση του WPU. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι μπορούν να επηρεάσουν τις ιδιότητες του αρχικού μελανιού, όπως η γυαλάδα. Επομένως, οι βιομηχανικές τεχνικές επεξεργάζονται υλικά χωρίς να αλλάζουν τις ιδιότητες για τη βελτίωση της πρόσφυσης του μελανιού, όπως η ενεργοποίηση επιφανειών με ηλεκτρόδια ή η βραχυπρόθεσμη επεξεργασία φλόγας για την αύξηση της προσρόφησης.

• συμπέρασμα

Επί του παρόντος, τα μελάνια με βάση το νερό χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευασίες τροφίμων, φαρμακευτικές συσκευασίες, εργαστήρια, βιβλία και άλλες επικαλύψεις ή εφαρμογές εκτύπωσης. Ωστόσο, οι εγγενείς περιορισμοί απόδοσης τους περιορίζουν ευρύτερες εφαρμογές. Καθώς η ευαισθητοποίηση για το περιβάλλον και την ασφάλεια αυξάνεται με το βελτιωμένο βιοτικό επίπεδο, τα οικολογικά μελάνια με βάση το νερό που μειώνουν τις εκπομπές VOC αντικαθιστούν ολοένα και περισσότερο τα μελάνια με βάση διαλύτες, αμφισβητώντας τις παραδοσιακές αγορές μελανιών που βασίζονται σε διαλύτες.

Σε αυτό το πλαίσιο, η βελτίωση της απόδοσης της μελάνης με την τροποποίηση ρητινών με βάση το νερό, ειδικά των πολυουρεθανών με βάση το νερό, μέσω καινοτόμων μεθόδων όπως η νανοτεχνολογία και ο υβριδισμός οργανικών και ανόργανων ενώσεων είναι ζωτικής σημασίας για τη μελλοντική ανάπτυξη μελανιών με βάση το νερό. Ως εκ τούτου, απαιτείται περαιτέρω ολοκληρωμένη έρευνα σχετικά με τις τροποποιήσεις ρητίνης για τη βελτίωση της απόδοσης του μελανιού με βάση το νερό για ευρύτερες εφαρμογές.