Explorer le développement d'encres à base d'eau et l'étude des encres polyuréthane à base d'eau écologiques

La pollution de l’air est depuis longtemps une préoccupation majeure, les émissions de gaz toxiques tels que les COV étant des contributeurs importants aux côtés de phénomènes naturels comme les tempêtes de poussière. À mesure que la prise de conscience de la protection de l’environnement se développe et que diverses politiques nationales sont mises en œuvre, l’industrie de l’imprimerie, un important émetteur de COV, a été confrontée à des réformes inévitables. Par conséquent, les encres d’imprimerie respectueuses de l’environnement sont devenues un point central de la recherche mondiale sur l’industrie de l’imprimerie. Parmi les encres écologiques disponibles, notamment les encres à base d'eau, les encres à durcissement énergétique et les encres à base d'huile végétale, les encres à base d'eau sont les plus largement utilisées. Les encres à base d'eau contiennent une proportion plus faible de solvants organiques, ce qui réduit les émissions de COV et s'aligne sur les principes de protection de l'environnement. Cependant, les encres à base d'eau présentent également des inconvénients tels que des temps de séchage et de durcissement lents et une faible résistance à l'eau et aux alcalis, limitant leur application dans les encres industrielles traditionnelles. Ainsi, l’amélioration de ces faiblesses grâce à la modification de la résine est devenue une priorité importante. Cet article décrit le développement et l'application d'encres à base d'eau, l'étude des modifications de résine, les progrès de la recherche sur les encres d'imprimerie utilisant des polyuréthanes à base d'eau et les perspectives d'avenir dans ce domaine.

• Expérimental

1. Développement d'encres à base d'eau

Les encres ont une longue histoire, apparue parallèlement à l’invention de l’imprimerie. Après l’introduction du Lithol Red Pigment en 1900, les encres se sont généralisées, incitant les pays à investir dans la recherche sur les encres. Les encres à base d’eau sont un dérivé résultant d’exigences plus élevées en matière de praticité de l’encre. La recherche sur les encres à base d'eau a commencé à l'étranger dans les années 1960, principalement pour accélérer les cadences d'impression et réduire la dépendance aux matières premières à base de pétrole. Ces encres utilisaient des composés organiques comme les benzènes et la gomme-laque ou le lignosulfonate de sodium comme matériaux principaux pour répondre aux besoins d'impression de l'époque. Dans les années 1970, les chercheurs ont développé une résine en émulsion polymère dotée d'une structure noyau-coquille et réseau en polymérisant des monomères acryliques avec du styrène, conservant ainsi la brillance et la résistance à l'eau des encres tout en répondant aux exigences environnementales. Cependant, à mesure que la conscience environnementale s’est accrue et que des lois environnementales plus strictes ont été promulguées, la proportion de matières organiques à base de benzène dans les encres a diminué. Dans les années 1980, les pays d'Europe occidentale ont introduit les concepts et les technologies de « l'impression à l'encre verte » et de la « nouvelle impression à l'encre à base d'eau ».

L'industrie chinoise de l'encre a débuté à la fin de la dynastie Qing avec la production de monnaie, en s'appuyant fortement sur les encres importées jusqu'en 1975, lorsque Tianjin Ink Factory et Gangu Ink Factory ont développé et produit la première encre de gravure nationale à base d'eau. Dans les années 1990, la Chine avait importé plus de 100 lignes de production d’impression flexo, faisant ainsi progresser rapidement l’utilisation d’encres à base d’eau. En 2003, l'Institut chinois de recherche en technologie industrielle a développé avec succès des produits connexes et, début 2004, la société Shanghai Meide a produit une encre thermodurcissable à basse température entièrement à base d'eau, répondant aux normes japonaises et allemandes. Bien que la recherche chinoise sur les encres à base d'eau ait connu un développement rapide au début du 21e siècle, les pays occidentaux avaient déjà réalisé des progrès significatifs : environ 95 % des produits flexographiques et 80 % des produits d'héliogravure aux États-Unis utilisaient des encres à base d'eau, tandis qu'au Royaume-Uni et le Japon a adopté des encres à base d'eau pour les emballages alimentaires et pharmaceutiques. En comparaison, le développement de la Chine a été plus lent.

Pour promouvoir davantage le marché, la Chine a introduit la première norme sur les encres à base d'eau en mai 2007 et a plaidé en 2011 en faveur du « développement de l'innovation verte », visant à remplacer les encres à base de solvants par des encres à base d'eau. Dans le « 13e Plan quinquennal » de 2016 pour l'industrie de l'imprimerie, « la recherche sur les matériaux environnementaux à base d'eau » et « l'impression verte » étaient des priorités clés. D’ici 2020, la promotion nationale de l’impression verte et numérique a élargi le marché des encres à base d’eau.

2. Application d'encres à base d'eau

Au début du XXe siècle, les États-Unis ont été les premiers à utiliser des encres à base d’eau pour l’impression flexo. Dans les années 1970, les encres d’héliogravure à base d’eau de haute qualité étaient largement utilisées pour divers papiers d’emballage, étagères épaisses et cartons. Dans les années 1980, les encres à base d’eau pour sérigraphie brillantes et mates ont été développées à l’étranger, élargissant leur application aux tissus, au papier, au PVC, au polystyrène, au papier d’aluminium et aux métaux. Actuellement, en raison de leurs caractéristiques écologiques, non toxiques et sûres, les encres à base d'eau sont principalement utilisées dans l'impression d'emballages alimentaires, tels que les emballages de tabac et les bouteilles de boissons. À mesure que les lois environnementales s'améliorent, l'application des encres à base d'eau continue de se diversifier et de s'intensifier. La Chine promeut également progressivement leur utilisation dans l’industrie de l’imprimerie.

• Résultats et discussion

1. Recherche sur les modifications de la résine

Les performances de l'encre sont influencées par les différences de résine. Généralement, les résines d'encre à base d'eau sont généralement du polyuréthane, des émulsions acryliques modifiées ou des résines polyacryliques. Les résines polyuréthanes à base d'eau (WPU), avec une brillance supérieure, sont largement utilisées dans l'impression d'emballages. Ainsi, l'amélioration des performances WPU afin d'améliorer le respect de l'environnement et la brillance des encres à base d'eau est devenue une priorité dans l'industrie de l'imprimerie.

2. Modification des polyuréthanes à base d'eau

Les polyuréthanes à base d'eau, composés de polyols de faible poids moléculaire, peuvent être classés en types polyester, polyéther et hybride. En fonction des différentes propriétés des polymères polyester et polyéther, leur résistance et leur stabilité varient. Généralement, les polyuréthanes polyéther ont une résistance et une stabilité inférieures à celles des polyuréthanes polyester, mais présentent une meilleure résistance aux températures élevées et sont moins sujets à l'hydrolyse. Par exemple, augmenter la « consistance » de l’encre en utilisant de l’éther monométhylique de polyéthylène glycol améliore ses caractéristiques de tolérance. Cependant, ceci n'est qu'un point de référence. Divers instituts de recherche adoptent différentes méthodes pour améliorer des aspects spécifiques du WPU.

Par exemple, en 2010, des résines époxy à haute ténacité et résistance aux chocs ont été sélectionnées pour résoudre les problèmes de viscosité et d'adhérence de l'encre, améliorant ainsi la résistance de l'encre. En 2006, une étude publiée par l'Université chimique de Pékin a utilisé du polyuréthane à base d'éthylène glycol pour former une résine spéciale avec un long segment souple, améliorant la flexibilité de l'encre et renforçant indirectement l'encre à base d'eau. Certaines équipes obtiennent des résultats de modification en ajoutant des substances chimiques : en incorporant de la silice ou de l'organosilicium pour améliorer le WPU, ce qui entraîne une meilleure résistance à la traction de l'encre. Le polyuréthane nitrile butadiène à terminaison carboxyle est utilisé pour améliorer les performances de pliage et la viscosité de l'encre, en s'adaptant à des environnements plus complexes.

Ainsi, les chercheurs sélectionnent généralement des polyesters spécifiques en fonction des propriétés de l'encre, en utilisant des polyacides et des polyols appropriés pour synthétiser des polyester-polyols résistants à la chaleur, en introduisant des groupes polaires à forte adhérence, en sélectionnant des matières premières appropriées pour améliorer la cristallinité du polyuréthane et en utilisant des agents de couplage pour améliorer l'adhésif WPU. résistance à l'humidité et à la chaleur.

3. Modification de la résistance à l'eau

Étant donné que l’encre est principalement utilisée pour les emballages extérieurs et qu’elle entre fréquemment en contact avec l’eau, une mauvaise résistance à l’eau peut entraîner une réduction de la dureté, de la brillance et même un écaillage ou des dommages à l’encre, affectant considérablement les performances de stockage. L'amélioration de la résistance à l'eau du WPU améliore les performances de stockage de l'encre en utilisant comme matériaux des polyols ayant une bonne résistance à l'eau. Par exemple, la modification du WPU avec des monomères acryliques ou l'ajustement de la teneur en résine époxy peuvent améliorer la résistance à l'eau de l'encre.

Outre l'utilisation de polymères à haute résistance à l'eau pour remplacer le polyuréthane standard, les chercheurs ajoutent souvent des substances organiques ou inorganiques pour obtenir l'effet souhaité. Par exemple, l’incorporation de silice nanométrique dans la résine améliore la résistance à l’eau et la résistance, une méthode largement utilisée dans la production d’encre. La « méthode de copolymérisation en émulsion » crée du PUA composite pour améliorer la résistance à l'eau, tandis que des méthodes telles que la modification de l'éther monométhylique du polyéthylène glycol et la synthèse de l'acétone du WPU modifié par un organosilicium améliorent la résistance à l'eau.

4. Modification de la résistance aux hautes températures

Généralement, la résistance à haute température du WPU est relativement faible, ce qui limite la résistance thermique de l'encre à base d'eau. Les polyuréthanes polyéther ont généralement une meilleure résistance aux températures élevées que les polyuréthanes polyester en raison du nombre de doubles liaisons. L’ajout de polymères à longue chaîne ou d’esters/éthers cycliques benzéniques comme monomères de polymérisation améliore la résistance du polymère à haute température et, par conséquent, la résistance thermique de l’encre à base d’eau. En plus d'utiliser des polyuréthanes polyéthers à longue chaîne, certaines équipes utilisent des matériaux composites pour augmenter la complexité et améliorer la résistance aux températures élevées. Par exemple, l’ajout de nanooxyde d’étain et d’antimoine au WPU synthétisé à partir de DMPA, de polyéther 220 et d’IPDI permet aux couches d’encre d’absorber la chaleur, améliorant ainsi la résistance aux hautes températures. L’ajout d’aérogel de silice au polyuréthane réduit également la conductivité thermique et améliore la résistance thermique de l’encre.

5. Modification de la stabilité

La stabilité du WPU affecte considérablement les performances de stockage de l’encre à base d’eau. Outre la résistance à l’eau et aux températures élevées, le poids moléculaire et la disposition de la structure sont cruciaux. Les résines polyester sont généralement plus stables que les résines polyéther en raison du plus grand nombre de liaisons hydrogène dans la structure moléculaire. L'ajout de substances esters pour former des polyuréthanes mixtes augmente la stabilité, par exemple en utilisant une dispersion d'isocyanate et de silane pour créer un WPU à deux composants avec une stabilité et une résistance à l'abrasion améliorées. Le traitement thermique et le refroidissement peuvent également créer davantage de liaisons hydrogène, resserrant l'arrangement moléculaire et améliorant la stabilité du WPU et les performances de stockage de l'encre à base d'eau.

6. Amélioration de l'adhérence

Bien que l'optimisation du WPU améliore la résistance à l'eau, la résistance aux températures élevées et la stabilité, les WPU présentent toujours une mauvaise adhérence aux produits en plastique polyéthylène (PE) en raison de leur poids moléculaire et de leur polarité. En règle générale, des polymères ou monomères de polarité et de poids moléculaire similaires sont ajoutés pour améliorer le WPU et améliorer l'adhérence de l'encre à base d'eau sur des matériaux non polaires. Par exemple, la copolymérisation du WPU avec une résine de polychlorure de vinyle et d'acrylate d'hydroxyéthyle améliore l'adhérence imperméable entre les encres et les revêtements. L'ajout de résine polyester acrylique au WPU crée une structure de liaison moléculaire unique, améliorant considérablement l'adhésion du WPU. Cependant, ces méthodes peuvent affecter les propriétés de l’encre d’origine comme la brillance. Par conséquent, les techniques industrielles traitent les matériaux sans altérer leurs propriétés pour améliorer l’adhérence de l’encre, comme l’activation de surfaces avec des électrodes ou un traitement à la flamme à court terme pour augmenter l’adsorption.

• Conclusion

Actuellement, les encres à base d’eau sont largement utilisées dans les emballages alimentaires, les emballages pharmaceutiques, les ateliers, les livres et autres applications de revêtement ou d’impression. Cependant, leurs limitations inhérentes en termes de performances limitent les applications plus larges. Alors que la sensibilisation à l’environnement et à la sécurité augmente avec l’amélioration du niveau de vie, les encres écologiques à base d’eau qui réduisent les émissions de COV remplacent de plus en plus les encres à base de solvant, remettant en question les marchés traditionnels des encres à base de solvant.

Dans ce contexte, l’amélioration des performances des encres en modifiant les résines à base d’eau, en particulier les polyuréthanes à base d’eau, grâce à des méthodes innovantes telles que la nanotechnologie et l’hybridation de composés organiques et inorganiques, est cruciale pour le développement futur des encres à base d’eau. Par conséquent, des recherches plus approfondies sur les modifications des résines sont nécessaires pour améliorer les performances des encres à base d’eau pour des applications plus larges.