Vesipohjaisten musteiden kehittäminen ja ympäristöystävällisten vesipohjaisten polyuretaanimusteiden tutkimus

Ilmansaasteet ovat olleet suuri huolenaihe jo pitkään, ja myrkylliset kaasupäästöt, kuten VOC-päästöt, ovat merkittäviä tekijöitä luonnonilmiöiden, kuten pölymyrskyjen, rinnalla. Kun tietoisuus ympäristönsuojelusta kasvaa ja erilaisia ​​kansallisia politiikkoja toteutetaan, painoteollisuus, suuri VOC-päästöjä aiheuttava teollisuus, on kohdannut väistämättömiä uudistuksia. Näin ollen ympäristöystävällisistä painomusteista on tullut globaalin painoteollisuuden tutkimuksen keskipiste. Saatavilla olevista ympäristöystävällisistä musteista, kuten vesipohjaisista musteista, energiakovettuvista musteista ja kasviöljypohjaisista musteista, vesipohjaiset musteet ovat yleisimmin käytettyjä. Vesipohjaiset musteet sisältävät vähemmän orgaanisia liuottimia, mikä vähentää VOC-päästöjä ja noudattaa ympäristönsuojeluperiaatteita. Vesipohjaisilla musteilla on kuitenkin myös haittoja, kuten hitaat kuivumis- ja kovettumisajat sekä huono veden- ja alkalinkestävyys, mikä rajoittaa niiden käyttöä perinteisissä teollisissa musteissa. Näin ollen näiden heikkouksien parantamisesta hartsi modifioinnilla on tullut merkittävä painopiste. Tässä artikkelissa kuvataan vesipohjaisten painovärien kehitystä ja käyttöä, hartsimuunnelmien tutkimusta, vesipohjaisia ​​polyuretaaneja käyttävien painomusteiden tutkimuksen edistymistä ja alan tulevaisuudennäkymiä.

• Kokeellinen

1. Vesipohjaisten musteiden kehittäminen

Musteilla on pitkä historia, ja se on syntynyt painatuksen keksimisen rinnalla. Lithol Red Pigmentin käyttöönoton jälkeen vuonna 1900 musteet yleistyivät, mikä sai maat investoimaan musteen tutkimukseen. Vesipohjaiset musteet ovat johdannaisia, jotka johtuvat korkeammista käytännöllisyyden vaatimuksista. Vesipohjaisten musteiden tutkimus aloitettiin ulkomailla 1960-luvulla ensisijaisesti painonopeuden nopeuttamiseksi ja öljypohjaisten raaka-aineiden vähentämiseksi. Näissä musteissa käytettiin orgaanisia yhdisteitä, kuten bentseenejä ja sellakkaa tai natriumlignosulfonaattia päämateriaaleina, jotka vastaavat tuolloin painatustarpeita. 1970-luvulla tutkijat kehittivät polymeeriemulsiohartsin, jossa on ydin-kuori ja verkkorakenne polymeroimalla akryylimonomeereja styreenillä, säilyttäen musteiden kiillon ja vedenkestävyyden ympäristövaatimukset täyttäen. Kuitenkin, kun ympäristötietoisuus lisääntyi ja ympäristölakeja tiukennettiin, bentseenipohjaisten orgaanisten aineiden osuus musteissa väheni. 1980-luvulle mennessä Länsi-Euroopan maat ottivat käyttöön "vihreän mustetulostuksen" ja "uuden vesipohjaisen mustetulostuksen" käsitteet ja tekniikat.

Kiinan musteteollisuus sai alkunsa myöhään Qing-dynastian aikana valuutan tuotannosta, ja se nojautui voimakkaasti tuontimusteisiin vuoteen 1975 asti, jolloin Tianjin Ink Factory ja Gangu Ink Factory kehittivät ja tuottivat ensimmäisen kotimaisen vesipohjaisen syväpainomusteen. 1990-luvulle mennessä Kiina oli tuonut maahan yli 100 fleksopainon tuotantolinjaa, mikä edisti nopeasti vesipohjaisten musteiden käyttöä. Vuonna 2003 Kiinan teollisuusteknologian tutkimuslaitos kehitti onnistuneesti vastaavia tuotteita, ja vuoden 2004 alussa Shanghai Meide Company tuotti täysin vesipohjaista, matalassa lämpötilassa lämpökovettuvaa mustetta, joka täyttää japanilaiset ja saksalaiset standardit. Vaikka Kiinan vesipohjaisten musteiden tutkimus kehittyi nopeasti 2000-luvun alussa, länsimaissa oli jo saavutettu merkittävää edistystä: Yhdysvalloissa noin 95 % fleksotuotteista ja 80 % syväpainotuotteista käytti vesipohjaisia ​​musteita, kun taas Isossa-Britanniassa. ja Japani otti käyttöön vesipohjaiset musteet elintarvike- ja lääkepakkauksiin. Kiinan kehitys oli tähän verrattuna hitaampaa.

Markkinoiden edistämiseksi edelleen Kiina otti käyttöön ensimmäisen vesipohjaisen musteen standardin toukokuussa 2007 ja kannatti vuonna 2011 "vihreää innovaatiokehitystä", jonka tavoitteena on korvata liuotinpohjaiset musteet vesipohjaisilla musteilla. Painoteollisuuden 2016 "13. viisivuotissuunnitelmassa" painopisteitä olivat "vesipohjaisten ympäristömateriaalien tutkimus" ja "vihreä painatus". Vuoteen 2020 mennessä vihreän ja digitaalisen painatuksen kansallinen edistäminen laajensi vesipohjaisten musteiden markkinoita.

2. Vesipohjaisten musteiden käyttö

1900-luvun alussa Yhdysvallat käytti ensimmäisen kerran vesipohjaisia ​​musteita fleksopainatuksessa. 1970-luvulla korkealaatuisia vesipohjaisia ​​syväpainomusteita käytettiin laajalti erilaisissa pakkauspapereissa, paksuissa kirjahyllyissä ja pahvissa. 1980-luvulla ulkomailla kehitettiin kiiltäviä ja mattapintaisia ​​silkkipainovärejä, jotka ovat vesipohjaisia ​​ja laajensivat niiden käyttöä kankaisiin, paperiin, PVC:hen, polystyreeniin, alumiinifolioon ja metalleihin. Ympäristöystävällisten, myrkyttömien ja turvallisten ominaisuuksiensa vuoksi vesipohjaisia ​​musteita käytetään tällä hetkellä pääasiassa elintarvikepakkauspainatuksessa, kuten tupakkapakkauksissa ja juomapulloissa. Ympäristölakien parantuessa vesipohjaisten musteiden käyttö monipuolistuu ja tehostuu. Kiina on myös asteittain edistämässä niiden käyttöä painoteollisuudessa.

• Tulokset ja keskustelu

1. Hartsin modifikaatioiden tutkimus

Musteen suorituskykyyn vaikuttavat hartsierot. Yleensä vesipohjaiset mustehartsit ovat tyypillisesti polyuretaania, modifioituja akryyliemulsioita tai polyakryylihartseja. Vesipohjaisia ​​polyuretaanihartseja (WPU), joilla on erinomainen kiilto, käytetään laajasti pakkauspainatuksessa. Näin ollen WPU-suorituskyvyn parantaminen vesipohjaisen musteen ympäristöystävällisyyden ja kiillon parantamiseksi on noussut painoalan painopisteeksi.

2. Modifioivat vesipohjaiset polyuretaanit

Vesipohjaiset polyuretaanit, jotka koostuvat pienimolekyylisistä polyoleista, voidaan luokitella polyesteri-, polyeetteri- ja hybridityyppeihin. Polyesteri- ja polyeetteripolymeerien erilaisten ominaisuuksien perusteella niiden lujuus ja stabiilisuus vaihtelevat. Yleensä polyeetteripolyuretaaneilla on pienempi lujuus ja stabiilisuus kuin polyesteripolyuretaaneilla, mutta niillä on parempi korkean lämpötilan kestävyys ja ne ovat vähemmän alttiita hydrolyysille. Esimerkiksi musteen "konsistenssin" lisääminen käyttämällä polyetyleeniglykolimonometyylieetteriä parantaa sen sietokykyä. Tämä on kuitenkin vain vertailukohta. Useat tutkimuslaitokset omaksuvat erilaisia ​​menetelmiä WPU:n erityispiirteiden parantamiseksi.

Esimerkiksi vuonna 2010 valittiin korkean sitkeyden ja iskunkestävyyden omaavat epoksihartsit, jotka ratkaisevat musteen viskositeetti- ja tarttuvuusongelmia, mikä parantaa musteen lujuutta. Vuonna 2006 Beijing Chemical Universityn julkaisemassa tutkimuksessa etyleeniglykolipohjaista polyuretaania muodostettiin erityinen hartsi, jolla oli pitkä pehmeä segmentti, mikä parantaa musteen joustavuutta ja epäsuorasti vahvistaa vesipohjaista mustetta. Jotkut tiimit saavuttavat muokkaustuloksia lisäämällä kemiallisia aineita: lisäämällä piidioksidia tai orgaanista piitä WPU:n parantamiseksi, mikä parantaa musteen vetolujuutta. Karboksyylipäätteistä butadieeninitriilipolyuretaania käytetään parantamaan musteen taivutuskykyä ja viskositeettia, mukautuen monimutkaisempiin ympäristöihin.

Näin ollen tutkijat valitsevat tyypillisesti tietyt polyesterit musteen ominaisuuksien perusteella, käyttämällä sopivia polyhappoja ja polyoleja lämmönkestävien polyesteripolyolien syntetisoimiseksi, lisäämällä polaarisia ryhmiä, joilla on vahva adheesio, valitsemalla sopivia raaka-aineita polyuretaanin kiteisyyden parantamiseksi ja käyttämällä kytkentäaineita WPU-liiman parantamiseen. kosteuden ja lämmönkestävyys.

3. Vedenkestävyyden muutos

Koska mustetta käytetään pääasiassa ulkopakkauksiin ja se joutuu usein kosketuksiin veden kanssa, huono vedenkestävyys voi heikentää kovuutta, kiiltoa ja jopa musteen kuoriutumista tai vaurioita, mikä vaikuttaa merkittävästi säilytyskykyyn. WPU-vedenkestävyyden parantaminen parantaa musteen säilytyskykyä käyttämällä materiaaleina polyoleja, joilla on hyvä vedenkestävyys. Esimerkiksi WPU:n muokkaaminen akryylimonomeereillä tai epoksihartsipitoisuuden säätäminen voi parantaa musteen vedenkestävyyttä.

Sen lisäksi, että tavallisen polyuretaanin korvaamiseen käytetään korkean vedenkestävyyden polymeerejä, tutkijat lisäävät usein orgaanisia tai epäorgaanisia aineita halutun vaikutuksen saavuttamiseksi. Esimerkiksi nanomittakaavan piidioksidin sisällyttäminen hartsiin parantaa vedenkestävyyttä ja lujuutta, mikä on laajalti käytetty menetelmä musteen tuotannossa. "Emulsiokopolymerointimenetelmä" luo komposiitti-PUA:ta vedenkestävyyden parantamiseksi, kun taas menetelmät, kuten polyetyleeniglykolimonometyylieetterin modifiointi ja organopiimodifioidun WPU:n asetonisynteesi, parantavat vedenkestävyyttä.

4. Korkeiden lämpötilojen vastuksen modifiointi

Yleensä WPU:n korkean lämpötilan kestävyys on suhteellisen heikko, mikä rajoittaa vesipohjaisen musteen lämmönkestävyyttä. Polyeetteripolyuretaaneilla on tyypillisesti parempi korkean lämpötilan kestävyys kuin polyesteripolyuretaaneilla kaksoissidosten lukumäärän vuoksi. Pitkäketjuisten polymeerien tai bentseenirengasestereiden/eetterien lisääminen polymerointimonomeereiksi parantaa polymeerin korkeiden lämpötilojen kestävyyttä ja siten vesipohjaisen musteen lämmönkestävyyttä. Pitkäketjuisten polyeetteripolyuretaanien lisäksi jotkut tiimit käyttävät komposiittimateriaaleja monimutkaisuuden lisäämiseksi ja korkeiden lämpötilojen kestävyyden parantamiseksi. Esimerkiksi nano-tinaoksidiantimonin lisääminen DMPA:sta, polyeetteri 220:sta ja IPDI:stä syntetisoituun WPU:han mahdollistaa mustekerrosten lämmön imemisen, mikä parantaa korkeiden lämpötilojen kestävyyttä. Silica airgeelin lisääminen polyuretaaniin vähentää myös lämmönjohtavuutta ja parantaa musteen lämmönkestävyyttä.

5. Vakauden muutos

WPU:n vakaus vaikuttaa merkittävästi vesipohjaisen musteen säilytyskykyyn. Veden- ja korkeiden lämpötilojen kestävyyden lisäksi molekyylipaino ja rakennejärjestely ovat tärkeitä. Polyesterihartsit ovat yleensä stabiilimpia kuin polyeetterihartsit, koska molekyylirakenteessa on enemmän vetysidoksia. Esteriaineiden lisääminen sekoitettujen polyuretaanien muodostamiseen lisää vakautta, kuten käyttämällä isosyanaattia ja silaanidispersiota kaksikomponenttisen WPU:n luomiseksi, jolla on parannettu stabiilius ja kulutuskestävyys. Lämpökäsittely ja jäähdytys voivat myös luoda lisää vetysidoksia, kiristää molekyylijärjestelyä ja parantaa WPU:n vakautta ja vesipohjaisen musteen varastointikykyä.

6. Tarttuvuuden parantaminen

Vaikka WPU:n optimointi parantaa vedenkestävyyttä, korkeiden lämpötilojen kestävyyttä ja vakautta, WPU:t tarttuvat edelleen huonosti polyeteenimuovituotteisiin molekyylipainon ja napaisuuden vuoksi. Tyypillisesti lisätään samankaltaisia ​​polaarisia ja molekyylipainoisia polymeerejä tai monomeerejä WPU:n parantamiseksi ja vesipohjaisen musteen adheesion parantamiseksi ei-polaarisiin materiaaleihin. Esimerkiksi WPU:n kopolymerointi polyvinyylikloridi-hydroksietyyliakrylaattihartsin kanssa parantaa musteiden ja pinnoitteiden vedenpitävää tarttumista. Akryylipolyesterihartsin lisääminen WPU:han luo ainutlaatuisen molekyylilinkkirakenteen, mikä parantaa merkittävästi WPU:n tarttuvuutta. Nämä menetelmät voivat kuitenkin vaikuttaa alkuperäisiin musteen ominaisuuksiin, kuten kiiltoon. Siksi teolliset tekniikat käsittelevät materiaaleja muuttamatta ominaisuuksia musteen tarttuvuuden parantamiseksi, kuten pintojen aktivointi elektrodeilla tai lyhytaikainen liekkikäsittely adsorption lisäämiseksi.

• Johtopäätös

Tällä hetkellä vesipohjaisia ​​musteita käytetään laajalti elintarvikepakkauksissa, lääkepakkauksissa, työpajoissa, kirjoissa ja muissa pinnoitteissa tai painosovelluksissa. Niiden luontaiset suorituskykyrajoitukset rajoittavat kuitenkin laajempia sovelluksia. Kun ympäristö- ja turvallisuustietoisuus kasvaa elintason parantuessa, vesipohjaiset ympäristöystävälliset, VOC-päästöjä vähentävät musteet korvaavat yhä useammin liuotinpohjaisia ​​musteita, mikä haastaa perinteiset liuotinpohjaisten musteiden markkinat.

Tässä yhteydessä musteen suorituskyvyn parantaminen modifioimalla vesipohjaisia ​​hartseja, erityisesti vesipohjaisia ​​polyuretaaneja, innovatiivisilla menetelmillä, kuten nanoteknologialla ja orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden hybridisaatiolla, on ratkaisevan tärkeää tulevan vesipohjaisen musteen kehittämisen kannalta. Siksi tarvitaan lisää kattavaa tutkimusta hartsin modifikaatioista vesipohjaisen musteen suorituskyvyn parantamiseksi laajemmissa sovelluksissa.