Veepõhiste tintide väljatöötamise ja keskkonnasõbralike veepõhiste polüuretaantintide uurimine

Õhusaaste on pikka aega olnud suur probleem, kuna toksiliste gaaside, nagu lenduvad orgaanilised ühendid, emissioonid on olulised loodusnähtuste, nagu tolmutormid, kõrval. Kuna teadlikkus keskkonnakaitsest kasvab ja riiklikke poliitikaid rakendatakse, on trükitööstus, mis on suur lenduvate orgaaniliste ühendite tekitaja, seisnud silmitsi vältimatute reformidega. Sellest tulenevalt on keskkonnasõbralikud trükivärvid muutunud ülemaailmse trükitööstuse uuringute keskpunktiks. Saadaolevate keskkonnasõbralike tintide hulgast, sealhulgas veepõhised tindid, energiaga kõvenevad tindid ja taimeõlipõhised tindid, on veepõhised tindid enim kasutatud. Veepõhised tindid sisaldavad väiksemas koguses orgaanilisi lahusteid, vähendades lenduvate orgaaniliste ühendite emissiooni ja järgides keskkonnakaitse põhimõtteid. Kuid veepõhistel tindidel on ka puudusi, nagu aeglane kuivamis- ja kõvenemisaeg ning halb vee- ja leelisekindlus, mis piirab nende kasutamist traditsioonilistes tööstusvärvides. Seega on nende nõrkuste parandamine vaigu modifitseerimise kaudu muutunud oluliseks fookuseks. Selles artiklis kirjeldatakse veepõhiste trükivärvide väljatöötamist ja rakendamist, vaigu modifikatsioonide uurimist, veepõhiseid polüuretaane kasutavate trükivärvide uurimise edusamme ja tulevikuväljavaateid selles valdkonnas.

• Eksperimentaalne

1. Veepõhiste tintide väljatöötamine

Tintidel on pikk ajalugu, mis on esile kerkinud koos trükkimise leiutamisega. Pärast Lithol Red Pigmenti kasutuselevõttu 1900. aastal levisid tindid laialdaselt, ajendades riike investeerima tindiuuringutesse. Veepõhised tindid on tuletis, mis tuleneb kõrgematest nõuetest tindi praktilisusele. Veepõhiste tintide uurimine algas välismaal 1960. aastatel, peamiselt selleks, et kiirendada printimiskiirust ja vähendada sõltuvust naftapõhistest toorainetest. Nendes trükivärvides kasutati peamiste materjalidena orgaanilisi ühendeid, nagu benseenid ja šellak või naatriumlignosulfonaat, et rahuldada tolleaegseid printimisvajadusi. 1970. aastatel töötasid teadlased välja polümeer-emulsioonvaigu, millel on südamiku-kest ja võrkstruktuuri, polümeriseerides akrüülmonomeere stüreeniga, säilitades tindi läike ja veekindluse, täites samas keskkonnanõudeid. Kuna aga keskkonnateadlikkus kasvas ja keskkonnaseadused kehtestati rangemaks, vähenes benseenipõhiste orgaaniliste ainete osakaal trükivärvides. 1980. aastateks võtsid Lääne-Euroopa riigid kasutusele "rohelise tindiga trükkimise" ja "uue veepõhise tindiprintimise" mõisted ja tehnoloogiad.

Hiina tinditööstus sai alguse hilise Qingi dünastia ajal valuuta tootmisega, tuginedes suuresti imporditud tintidele kuni 1975. aastani, mil Tianjini tinditehas ja Gangu tinditehas töötasid välja ja tootsid esimese kodumaise veepõhise sügavtrükivärvi. 1990. aastateks oli Hiina importinud üle 100 fleksotrüki tootmisliini, aidates kiiresti edasi veepõhiste trükivärvide kasutamist. 2003. aastal töötas Hiina tööstustehnoloogia uurimisinstituut edukalt välja seotud tooted ja 2004. aasta alguses tootis Shanghai Meide Company täielikult veepõhist madala temperatuuriga termoreaktiivset tinti, mis vastab Jaapani ja Saksa standarditele. Kuigi Hiina teadusuuringud veepõhiste tintide kohta nägid kiiret arengut 21. sajandi alguses, olid lääneriigid juba saavutanud märkimisväärseid edusamme: umbes 95% fleksotoodetest ja 80% sügavtrükitoodetest Ameerika Ühendriikides kasutasid veepõhiseid tinti, samas kui Ühendkuningriigis. ja Jaapan võttis kasutusele veepõhised tindid toiduainete ja ravimite pakendamiseks. Võrreldes oli Hiina areng aeglasem.

Turu edasiseks edendamiseks võttis Hiina 2007. aasta mais kasutusele esimese veepõhise tindi standardi ja 2011. aastal pooldas "rohelist innovatsiooni arendamist", mille eesmärk on asendada lahustipõhised tindid veepõhiste tindidega. Trükitööstuse 2016. aasta "13. viieaastaplaanis" olid peamised fookuses "veepõhiste keskkonnamaterjalide uuringud" ja "roheline trükkimine". Aastaks 2020 laiendas rohelise ja digitaalse printimise riiklik edendamine veepõhise tindi turgu.

2. Veepõhiste tintide pealekandmine

20. sajandi alguses kasutasid Ameerika Ühendriigid fleksotrükkimisel esmakordselt veepõhiseid tinti. 1970. aastateks kasutati kvaliteetseid veepõhiseid sügavtinti laialdaselt erinevate pakkepaberite, paksude raamaturiiulite ja kartongi jaoks. 1980. aastatel töötati välismaal välja läikivad ja matid siiditrüki vesipõhised tindid, mis laiendasid nende kasutusala kangastele, paberile, PVC-le, polüstüreenile, alumiiniumfooliumile ja metallidele. Praegu kasutatakse veepõhiseid tinte nende keskkonnasõbralike, mittetoksiliste ja ohutute omaduste tõttu peamiselt toiduainete pakendite trükkimisel, näiteks tubakapakendites ja joogipudelites. Keskkonnaalaste seaduste paranedes muutub veepõhiste tintide kasutamine jätkuvalt mitmekesisemaks ja intensiivistumaks. Hiina edendab järk-järgult ka nende kasutamist trükitööstuses.

• Tulemused ja arutlus

1. Vaigu modifikatsioonide uurimine

Tindi jõudlust mõjutavad vaigu erinevused. Üldiselt on veepõhised tindivaigud tavaliselt polüuretaan, modifitseeritud akrüülemulsioonid või polüakrüülvaigud. Suurepärase läikega veepõhiseid polüuretaanvaikusid (WPU) kasutatakse pakenditrükkimisel laialdaselt. Seega on WPU jõudluse suurendamine veepõhise tindi keskkonnasõbralikkuse ja läike parandamiseks muutunud trükitööstuses tähelepanu keskpunktiks.

2. Modifitseerivad veepõhised polüuretaanid

Veepõhised polüuretaanid, mis koosnevad madala molekulmassiga polüoolidest, võib liigitada polüester-, polüeetri- ja hübriidtüüpideks. Lähtuvalt polüester- ja polüeeterpolümeeride erinevatest omadustest on nende tugevus ja stabiilsus erinev. Üldiselt on polüeeterpolüuretaanidel madalam tugevus ja stabiilsus kui polüesterpolüuretaanidel, kuid neil on parem vastupidavus kõrgele temperatuurile ja need on vähem altid hüdrolüüsile. Näiteks tindi "konsistentsi" suurendamine polüetüleenglükoolmonometüüleetri abil parandab selle taluvusomadusi. See on siiski vaid võrdluspunkt. Erinevad uurimisinstituudid kasutavad WPU spetsiifiliste aspektide täiustamiseks erinevaid meetodeid.

Näiteks 2010. aastal valiti tindi viskoossuse ja adhesiooniprobleemide lahendamiseks suure sitkuse ja löögitugevusega epoksüvaigud, suurendades seeläbi tindi tugevust. 2006. aastal avaldati Pekingi keemiaülikooli uuringus, milles kasutati etüleenglükoolil põhinevat polüuretaani spetsiaalse pika pehme segmendiga vaigu moodustamiseks, mis parandas tindi paindlikkust ja tugevdas kaudselt veepõhist tinti. Mõned meeskonnad saavutavad modifikatsioonitulemusi keemiliste ainete lisamisega: ränidioksiidi või räniorgaanilise lisamisega WPU parandamiseks, mille tulemuseks on suurem tindi tõmbetugevus. Karboksüülotsaga butadieennitriilpolüuretaani kasutatakse tindi painutamise ja viskoossuse parandamiseks, kohandudes keerukamate keskkondadega.

Seega valivad teadlased tavaliselt konkreetsed polüestrid tindi omaduste põhjal, kasutades sobivaid polühappeid ja polüoole kuumakindlate polüesterpolüoolide sünteesimiseks, tugeva adhesiooniga polaarsete rühmade sisseviimist, sobivate toorainete valimist polüuretaani kristallilisuse parandamiseks ja sidestusaineid WPU liimi parandamiseks. niiskus- ja kuumakindlus.

3. Veekindluse muutmine

Kuna tinti kasutatakse peamiselt välispakendis ja see puutub sageli kokku veega, võib halb veekindlus vähendada kõvadust, läiget ja isegi tindi koorumist või kahjustusi, mis mõjutab oluliselt säilitamist. WPU veekindluse parandamine suurendab tindi säilitamise jõudlust, kasutades materjalidena hea veekindlusega polüoole. Näiteks WPU muutmine akrüülmonomeeridega või epoksüvaigu sisalduse reguleerimine võib parandada tindi veekindlust.

Lisaks kõrge veekindlusega polümeeride kasutamisele standardse polüuretaani asendamiseks lisavad teadlased soovitud efekti saavutamiseks sageli orgaanilisi või anorgaanilisi aineid. Näiteks nanomõõtmelise ränidioksiidi lisamine vaigusse suurendab veekindlust ja tugevust, mis on tindi tootmisel laialdaselt kasutatav meetod. "Emulsioonkopolümerisatsioonimeetod" loob veekindluse parandamiseks komposiit-PUA, samas kui sellised meetodid nagu polüetüleenglükoolmonometüüleetri modifitseerimine ja räniorgaanilise modifitseeritud WPU atsetooni süntees suurendavad veekindlust.

4. Kõrgtemperatuuri vastupidavuse modifikatsioon

Üldiselt on WPU vastupidavus kõrgele temperatuurile suhteliselt nõrk, mis piirab veepõhise tindi kuumakindlust. Polüeeterpolüuretaanidel on topeltsidemete arvu tõttu tavaliselt parem kõrge temperatuuritaluvus kui polüesterpolüuretaanidel. Pika ahelaga polümeeride või benseenitsükli estrite/eetrite lisamine polümerisatsioonimonomeeridena parandab polümeeri vastupidavust kõrgele temperatuurile ja seega ka veepõhise tindi kuumuskindlust. Lisaks pika ahelaga polüeeterpolüuretaanide kasutamisele kasutavad mõned meeskonnad komposiitmaterjale, et suurendada keerukust ja suurendada vastupidavust kõrgele temperatuurile. Näiteks nano-tinaoksiidi antimoni lisamine DMPA-st, polüeetrist 220-st ja IPDI-st sünteesitud WPU-le võimaldab tindikihtidel soojust neelata, parandades kõrge temperatuuri vastupidavust. Silikaaerogeeli lisamine polüuretaanile vähendab ka soojusjuhtivust ja suurendab tindi kuumakindlust.

5. Stabiilsuse modifikatsioon

WPU stabiilsus mõjutab oluliselt veepõhise tindi salvestamise jõudlust. Lisaks veele ja kõrgele temperatuurile vastupidavusele on molekulmass ja struktuuri paigutus üliolulised. Polüestervaigud on üldiselt stabiilsemad kui polüeetervaigud, kuna molekulaarstruktuuris on rohkem vesiniksidemeid. Esterainete lisamine segapolüuretaanide moodustamiseks suurendab stabiilsust, näiteks isotsüanaadi ja silaani dispersiooni kasutamine, et luua kahekomponendiline WPU, millel on parem stabiilsus ja kulumiskindlus. Kuumtöötlemine ja jahutamine võivad samuti luua rohkem vesiniksidemeid, tihendades molekulide paigutust ning parandades WPU stabiilsust ja veepõhise tindi salvestamise jõudlust.

6. Adhesiooni parandamine

Kuigi WPU optimeerimine parandab veekindlust, vastupidavust kõrgele temperatuurile ja stabiilsust, on WPU-del molekulmassi ja polaarsuse tõttu siiski halb nakkumine polüetüleenist (PE) plasttoodetega. Tavaliselt lisatakse sarnase polaarsusega ja molekulmassiga polümeere või monomeere, et parandada WPU-d ja suurendada veepõhise tindi adhesiooni mittepolaarsete materjalidega. Näiteks WPU kopolümeriseerimine polüvinüülkloriid-hüdroksüetüülakrülaatvaiguga parandab tindi ja katete vahelist veekindlat adhesiooni. Akrüülpolüestervaigu lisamine WPU-le loob ainulaadse molekulaarse lingi struktuuri, parandades oluliselt WPU adhesiooni. Need meetodid võivad aga mõjutada tindi algseid omadusi, näiteks läiget. Seetõttu töödeldakse tööstuslike tehnikatega materjale ilma omadusi muutmata, et parandada tindi adhesiooni, näiteks pindade aktiveerimine elektroodidega või lühiajaline leektöötlus, et suurendada adsorptsiooni.

• Järeldus

Praegu kasutatakse veepõhiseid tinti laialdaselt toiduainete pakendamiseks, ravimipakendites, töökodades, raamatutes ja muudes kattekihtides või trükirakendustes. Kuid nende loomupärased jõudluspiirangud piiravad laiemaid rakendusi. Kuna keskkonna- ja ohutusteadlikkus kasvab koos paranenud elatustasemega, asendavad veepõhised keskkonnasõbralikud tindid, mis vähendavad lenduvate orgaaniliste ühendite heitkoguseid, üha enam lahustipõhiseid tinti, esitades väljakutse traditsioonilistele lahustipõhise tindi turgudele.

Selles kontekstis on tindi jõudluse parandamine veepõhiste vaikude, eriti veepõhiste polüuretaanide modifitseerimise teel selliste uuenduslike meetodite abil nagu nanotehnoloogia ning orgaaniliste ja anorgaaniliste ühendite hübridiseerimine, tulevase veepõhise tindi arendamise jaoks ülioluline. Seetõttu on veepõhise tindi jõudluse suurendamiseks laiemate rakenduste jaoks vaja täiendavaid põhjalikke uuringuid vaigu modifikatsioonide kohta.