بررسی توسعه جوهرهای مبتنی بر آب و مطالعه جوهرهای پلی اورتان مبتنی بر آب سازگار با محیط زیست

آلودگی هوا مدت‌هاست که یکی از نگرانی‌های اصلی بوده و انتشار گازهای سمی مانند VOCs در کنار پدیده‌های طبیعی مانند طوفان‌های گرد و غبار، عوامل مهمی هستند. با افزایش آگاهی در مورد حفاظت از محیط زیست و اجرای سیاست های مختلف ملی، صنعت چاپ، یک تولید کننده اصلی VOC، با اصلاحات اجتناب ناپذیری مواجه شده است. در نتیجه، جوهرهای چاپ سازگار با محیط زیست به نقطه کانونی در تحقیقات صنعت چاپ جهانی تبدیل شده‌اند. در میان جوهرهای سازگار با محیط زیست موجود، از جمله جوهرهای مبتنی بر آب، جوهرهای قابل درمان با انرژی و جوهرهای مبتنی بر روغن گیاهی، جوهرهای مبتنی بر آب بیشترین استفاده را دارند. جوهرهای مبتنی بر آب حاوی نسبت کمتری از حلال‌های آلی هستند که انتشار VOC را کاهش می‌دهند و با اصول حفاظت از محیط زیست همسو می‌شوند. با این حال، جوهرهای مبتنی بر آب دارای معایبی مانند زمان خشک شدن و پخت آهسته و مقاومت ضعیف در برابر آب و قلیایی هستند که کاربرد آنها را در جوهرهای صنعتی سنتی محدود می کند. بنابراین، بهبود این نقاط ضعف از طریق اصلاح رزین به یک تمرکز قابل توجه تبدیل شده است. این مقاله توسعه و کاربرد جوهرهای مبتنی بر آب، مطالعه اصلاحات رزین، پیشرفت در تحقیق در مورد جوهرهای چاپ با استفاده از پلی یورتان های پایه آب و چشم انداز آینده در این زمینه را تشریح می کند.

• تجربی

1. توسعه جوهرهای مبتنی بر آب

جوهرها سابقه ای طولانی دارند و در کنار اختراع چاپ ظاهر شده اند. پس از معرفی رنگدانه قرمز لیتول در سال 1900، جوهرها رواج یافت و کشورها را بر آن داشت تا در تحقیقات جوهر سرمایه گذاری کنند. جوهرهای مبتنی بر آب مشتقاتی هستند که ناشی از تقاضای بیشتر برای کاربردی بودن جوهر است. تحقیقات در مورد جوهرهای مبتنی بر آب در خارج از کشور در دهه 1960 آغاز شد، در درجه اول برای افزایش سرعت چاپ و کاهش اتکا به مواد خام مبتنی بر نفت. این جوهرها از ترکیبات آلی مانند بنزن و شلاک یا لیگنوسولفونات سدیم به عنوان مواد اصلی برای رفع نیازهای چاپ در آن زمان استفاده می کردند. در دهه 1970، محققان با پلیمریزاسیون مونومرهای اکریلیک با استایرن، رزین امولسیون پلیمری را با ساختار پوسته هسته و شبکه ساختند و در عین حال که الزامات محیطی را برآورده می‌کردند، براقیت و مقاومت در برابر آب جوهرها را حفظ کردند. با این حال، با افزایش آگاهی زیست محیطی و وضع قوانین سختگیرانه زیست محیطی، نسبت مواد آلی مبتنی بر بنزن در جوهرها کاهش یافت. در دهه 1980، کشورهای اروپای غربی مفاهیم و فناوری های «چاپ جوهر سبز» و «چاپ جوهر پایه آب جدید» را معرفی کردند.

صنعت جوهر چین در اواخر سلسله چینگ با تولید ارز آغاز شد و تا سال 1975 به شدت بر جوهرهای وارداتی متکی بود، زمانی که کارخانه جوهر تیانجین و کارخانه جوهر گانگو اولین جوهر گراور مبتنی بر آب داخلی را توسعه دادند و تولید کردند. در دهه 1990، چین بیش از 100 خط تولید چاپ فلکسو را وارد کرد و به سرعت استفاده از جوهرهای مبتنی بر آب را توسعه داد. در سال 2003، مؤسسه تحقیقات فناوری صنعتی چین با موفقیت محصولات مرتبط را توسعه داد و در اوایل سال 2004، شرکت شانگهای مید یک جوهر گرما سخت کاملاً مبتنی بر آب و دمای پایین مطابق با استانداردهای ژاپن و آلمان تولید کرد. اگرچه تحقیقات چین روی جوهرهای مبتنی بر آب در اوایل قرن بیست و یکم توسعه سریعی را تجربه کرد، اما کشورهای غربی قبلاً به پیشرفت‌های قابل توجهی دست یافته بودند: حدود 95٪ محصولات فلکسو و 80٪ محصولات گراور در ایالات متحده از جوهرهای مبتنی بر آب استفاده می کردند، در حالی که انگلستان و ژاپن جوهرهای مبتنی بر آب را برای بسته بندی مواد غذایی و دارویی به کار گرفتند. در مقایسه، توسعه چین کندتر بود.

برای ارتقای بیشتر بازار، چین اولین استاندارد جوهر مبتنی بر آب را در می 2007 معرفی کرد و در سال 2011 از "توسعه نوآوری سبز" حمایت کرد، با هدف جایگزینی جوهرهای مبتنی بر حلال با جوهرهای مبتنی بر آب. در "برنامه پنج ساله سیزدهم" سال 2016 برای صنعت چاپ، "تحقیق در مورد مواد زیست محیطی مبتنی بر آب" و "چاپ سبز" تمرکز اصلی بود. تا سال 2020، ترویج ملی چاپ سبز و دیجیتال، بازار جوهر مبتنی بر آب را گسترش داد.

2. استفاده از جوهرهای مبتنی بر آب

در اوایل قرن بیستم، ایالات متحده برای اولین بار از جوهرهای مبتنی بر آب در چاپ فلکسو استفاده کرد. در دهه 1970، جوهرهای گراور پایه آب با کیفیت بالا به طور گسترده برای کاغذهای بسته بندی مختلف، قفسه های کتاب ضخیم و مقوا استفاده می شد. در دهه 1980، جوهرهای مبتنی بر آب چاپ صفحه براق و مات در خارج از کشور توسعه یافتند و کاربرد خود را در پارچه ها، کاغذ، PVC، پلی استایرن، فویل آلومینیوم و فلزات گسترش دادند. در حال حاضر جوهرهای مبتنی بر آب به دلیل ویژگی‌های سازگار با محیط زیست، غیر سمی و ایمن، عمدتاً در چاپ بسته‌بندی مواد غذایی مانند بسته‌بندی تنباکو و بطری‌های نوشیدنی استفاده می‌شوند. با بهبود قوانین زیست محیطی، استفاده از جوهرهای مبتنی بر آب به تنوع و تشدید ادامه می‌دهد. چین نیز به تدریج در حال ترویج استفاده از آنها در صنعت چاپ است.

• نتایج و بحث

1. تحقیق در مورد اصلاحات رزین

عملکرد جوهر تحت تأثیر تفاوت های رزین است. به طور کلی، رزین های جوهر پایه آب معمولا پلی اورتان، امولسیون های اکریلیک اصلاح شده یا رزین های پلی اکریلیک هستند. رزین های پلی اورتان پایه آب (WPU) با براقیت برتر، به طور گسترده در چاپ بسته بندی استفاده می شود. بنابراین، بهبود عملکرد WPU برای بهبود سازگاری با محیط زیست و براقیت جوهر مبتنی بر آب، به یک تمرکز در صنعت چاپ تبدیل شده است.

2. اصلاح پلی یورتان های مبتنی بر آب

پلی اورتان های پایه آب که از پلی ال های با وزن مولکولی کم تشکیل شده اند را می توان به انواع پلی استر، پلی اتر و هیبریدی طبقه بندی کرد. بر اساس خواص مختلف پلیمرهای پلی استر و پلی اتر، استحکام و پایداری آنها متفاوت است. به طور کلی، پلی یورتان های پلی اتر استحکام و پایداری کمتری نسبت به پلی یورتان های پلی استر دارند اما مقاومت بهتری در دمای بالا نشان می دهند و کمتر در معرض هیدرولیز هستند. به عنوان مثال، افزایش "سازگاری" جوهر با استفاده از پلی اتیلن گلیکول مونو متیل اتر، ویژگی های تحمل آن را بهبود می بخشد. با این حال، این تنها یک نقطه مرجع است. موسسات تحقیقاتی مختلف روش های مختلفی را برای تقویت جنبه های خاص WPU اتخاذ می کنند.

به عنوان مثال، در سال 2010، رزین های اپوکسی با چقرمگی و استحکام ضربه ای بالا برای رفع ویسکوزیته جوهر و مشکلات چسبندگی انتخاب شدند و در نتیجه استحکام جوهر را افزایش دادند. در سال 2006، مطالعه ای که توسط دانشگاه شیمی پکن منتشر شد، از پلی اورتان مبتنی بر اتیلن گلیکول برای تشکیل رزین مخصوص با بخش نرم طولانی استفاده کرد که انعطاف پذیری جوهر را بهبود بخشید و به طور غیرمستقیم جوهر مبتنی بر آب را تقویت کرد. برخی از تیم‌ها با افزودن مواد شیمیایی به نتایج اصلاح دست می‌یابند: ترکیب سیلیس یا ارگانوسیلیکن برای بهبود WPU، که منجر به افزایش استحکام کششی جوهر می‌شود. بوتادین نیتریل پلی یورتان با کربوکسیل پایانه شده برای بهبود عملکرد خمش جوهر و ویسکوزیته، سازگار با محیط های پیچیده تر استفاده می شود.

بنابراین، محققان معمولاً پلی استرهای خاص را بر اساس خواص جوهر انتخاب می کنند، از پلی اسیدها و پلی ال های مناسب برای سنتز پلی استرهای مقاوم در برابر حرارت، معرفی گروه های قطبی با چسبندگی قوی، انتخاب مواد اولیه مناسب برای بهبود بلورینگی پلی اورتان و استفاده از عوامل جفت کننده برای تقویت چسب WPU استفاده می کنند. مقاومت در برابر رطوبت و گرما.

3. اصلاح مقاومت در برابر آب

از آنجایی که جوهر عمدتاً برای بسته‌بندی بیرونی استفاده می‌شود و اغلب در تماس با آب است، مقاومت ضعیف در برابر آب می‌تواند منجر به کاهش سختی، براقیت و حتی پوسته شدن یا آسیب جوهر شود و به طور قابل‌توجهی بر عملکرد ذخیره‌سازی تأثیر بگذارد. بهبود مقاومت در برابر آب WPU، عملکرد ذخیره جوهر را با استفاده از پلی ال هایی با مقاومت خوب در برابر آب به عنوان مواد افزایش می دهد. به عنوان مثال، اصلاح WPU با مونومرهای اکریلیک یا تنظیم محتوای رزین اپوکسی می تواند مقاومت در برابر آب جوهر را بهبود بخشد.

به غیر از استفاده از پلیمرهای با مقاومت بالا در برابر آب برای جایگزینی پلی اورتان استاندارد، محققان اغلب مواد آلی یا معدنی را برای دستیابی به اثر مورد نظر اضافه می کنند. به عنوان مثال، ترکیب سیلیکا در مقیاس نانو در رزین، مقاومت و استحکام در برابر آب را افزایش می‌دهد، روشی که به طور گسترده در تولید جوهر مورد استفاده قرار می‌گیرد. "روش کوپلیمریزاسیون امولسیونی" PUA کامپوزیت را برای بهبود مقاومت در برابر آب ایجاد می کند، در حالی که روش هایی مانند اصلاح مونو متیل اتر پلی اتیلن گلیکول و سنتز استون WPU اصلاح شده با سیلیکون ارگانوسیلی باعث افزایش مقاومت در برابر آب می شود.

4. اصلاح مقاومت در برابر دمای بالا

به طور کلی، مقاومت WPU در دمای بالا نسبتا ضعیف است و مقاومت حرارتی جوهر مبتنی بر آب را محدود می کند. پلی اورتان های پلی اتر معمولاً به دلیل تعداد پیوندهای دوگانه، مقاومت بهتری در برابر دمای بالا نسبت به پلی استر پلی یورتان دارند. افزودن پلیمرهای با زنجیره بلند یا استرها/اترهای حلقه بنزن به عنوان مونومرهای پلیمریزاسیون باعث بهبود مقاومت پلیمر در دمای بالا و در نتیجه مقاومت حرارتی جوهر مبتنی بر آب می شود. علاوه بر استفاده از پلی اورتان های پلی اتر با زنجیره بلند، برخی از تیم ها از مواد کامپوزیتی برای افزایش پیچیدگی و افزایش مقاومت در برابر دمای بالا استفاده می کنند. به عنوان مثال، افزودن آنتیموان نانو اکسید قلع به WPU سنتز شده از DMPA، پلی‌اتر 220 و IPDI، لایه‌های جوهر را قادر می‌سازد تا گرما را جذب کنند و مقاومت در برابر دمای بالا را بهبود بخشد. افزودن سیلیکا ایروژل به پلی اورتان نیز هدایت حرارتی را کاهش می دهد و مقاومت حرارتی جوهر را افزایش می دهد.

5. اصلاح پایداری

پایداری WPU به طور قابل توجهی بر عملکرد ذخیره جوهر مبتنی بر آب تأثیر می گذارد. علاوه بر مقاومت در برابر آب و دمای بالا، وزن مولکولی و آرایش ساختار بسیار مهم است. رزین های پلی استر معمولاً به دلیل پیوندهای هیدروژنی بیشتر در ساختار مولکولی، پایدارتر از رزین های پلی اتر هستند. افزودن مواد استر برای تشکیل پلی یورتان های مخلوط، پایداری را افزایش می دهد، مانند استفاده از پراکندگی ایزوسیانات و سیلان برای ایجاد یک WPU دو جزئی با پایداری و مقاومت در برابر سایش بهبود یافته. عملیات حرارتی و خنک‌سازی همچنین می‌تواند پیوندهای هیدروژنی بیشتری ایجاد کند، آرایش مولکولی را سفت کند و پایداری WPU و عملکرد ذخیره‌سازی جوهر مبتنی بر آب را افزایش دهد.

6. بهبود چسبندگی

در حالی که بهینه سازی WPU مقاومت در برابر آب، مقاومت در برابر دمای بالا و پایداری را بهبود می بخشد، WPU ها همچنان به دلیل وزن مولکولی و قطبیت، چسبندگی ضعیفی به محصولات پلاستیکی پلی اتیلن (PE) نشان می دهند. به طور معمول، پلیمرها یا مونومرهایی با قطبیت و وزن مولکولی مشابه برای بهبود WPU و افزایش چسبندگی جوهر مبتنی بر آب به مواد غیر قطبی اضافه می‌شوند. به عنوان مثال، پلیمریزاسیون WPU با رزین پلی وینیل کلرید-هیدروکسی اتیل آکریلات چسبندگی ضد آب بین جوهرها و پوشش ها را بهبود می بخشد. افزودن رزین پلی استر اکریلیک به WPU یک ساختار پیوند مولکولی منحصر به فرد ایجاد می کند که به طور قابل توجهی چسبندگی WPU را افزایش می دهد. با این حال، این روش ها می توانند بر خواص جوهر اصلی مانند براق بودن تأثیر بگذارند. بنابراین، تکنیک‌های صنعتی مواد را بدون تغییر خواص برای بهبود چسبندگی جوهر، مانند فعال کردن سطوح با الکترود یا شعله کوتاه‌مدت برای افزایش جذب، درمان می‌کنند.

• نتیجه

در حال حاضر جوهرهای مبتنی بر آب به طور گسترده در بسته بندی مواد غذایی، بسته بندی دارویی، کارگاه ها، کتاب ها و دیگر پوشش ها یا کاربردهای چاپ استفاده می شود. با این حال، محدودیت‌های عملکرد ذاتی آنها، کاربردهای گسترده‌تری را محدود می‌کند. همانطور که آگاهی از محیط زیست و ایمنی با بهبود استانداردهای زندگی افزایش می یابد، جوهرهای سازگار با محیط زیست مبتنی بر آب که انتشار VOC را کاهش می دهند، به طور فزاینده ای جایگزین جوهرهای مبتنی بر حلال می شوند و بازارهای جوهر مبتنی بر حلال سنتی را به چالش می کشند.

در این زمینه، بهبود عملکرد جوهر با اصلاح رزین‌های مبتنی بر آب، به‌ویژه پلی‌اورتان‌های مبتنی بر آب، از طریق روش‌های نوآورانه‌ای مانند فناوری نانو و هیبریداسیون ترکیبات آلی و معدنی برای توسعه آتی جوهر مبتنی بر آب بسیار مهم است. بنابراین، تحقیقات جامع بیشتری در مورد اصلاحات رزین برای بهبود عملکرد جوهر مبتنی بر آب برای کاربردهای گسترده‌تر مورد نیاز است.