Istraživanje razvoja tinti na bazi vode i proučavanje ekološki prihvatljivih poliuretanskih tinti na bazi vode

Onečišćenje zraka dugo je predstavljalo veliku zabrinutost, a emisije toksičnih plinova poput HOS-eva značajno doprinose uz prirodne pojave poput oluja s prašinom. Kako raste svijest o zaštiti okoliša i provode se razne nacionalne politike, tiskarska industrija, glavni emiter VOC-a, suočava se s neizbježnom reformom. Posljedično, ekološki prihvatljive tiskarske tinte postale su središnja točka u istraživanju globalne tiskarske industrije. Među dostupnim ekološki prihvatljivim tintama, uključujući tinte na bazi vode, tinte koje se stvrdnjavaju energijom i tinte na bazi biljnog ulja, najčešće se koriste tinte na bazi vode. Tinte na bazi vode sadrže manji udio organskih otapala, smanjujući emisiju HOS-a i usklađujući se s načelima zaštite okoliša. Međutim, tinte na bazi vode također imaju nedostatke kao što su sporo vrijeme sušenja i stvrdnjavanja te slaba otpornost na vodu i alkalije, što ograničava njihovu primjenu u tradicionalnim industrijskim tintama. Stoga je poboljšanje ovih slabosti kroz modifikaciju smole postalo značajan fokus. Ovaj rad opisuje razvoj i primjenu tinti na bazi vode, proučavanje modifikacija smola, napredak u istraživanju tiskarskih boja koje koriste poliuretane na bazi vode i buduće izglede u ovom području.

• Eksperimentalno

1. Razvoj tinti na bazi vode

Tinte imaju dugu povijest, a pojavile su se zajedno s izumom tiska. Nakon uvođenja litol crvenog pigmenta 1900. godine, tinte su postale široko rasprostranjene, što je potaknulo zemlje da ulažu u istraživanje tinte. Tinte na bazi vode su derivat koji proizlazi iz viših zahtjeva za praktičnošću tinte. Istraživanje tinti na bazi vode započelo je u inozemstvu 1960-ih, prvenstveno kako bi se ubrzale stope ispisa i smanjilo oslanjanje na sirovine na bazi nafte. Te su tinte koristile organske spojeve poput benzena i šelaka ili natrijevog lignosulfonata kao glavne materijale za zadovoljavanje potreba tiska u to vrijeme. U 1970-ima, istraživači su razvili polimernu emulzijsku smolu sa strukturom jezgra-omotač i mrežastom strukturom polimerizacijom akrilnih monomera sa stirenom, održavajući sjaj tinte i otpornost na vodu dok su ispunjavali ekološke zahtjeve. Međutim, kako je ekološka svijest rasla i kako su doneseni stroži zakoni o zaštiti okoliša, udio organskih tvari na bazi benzena u tintama se smanjio. Do 1980-ih zapadnoeuropske zemlje uvele su koncepte i tehnologije "ispisa zelenom tintom" i "novog ispisa tintom na bazi vode".

Kineska industrija tinte započela je u kasnoj dinastiji Qing s proizvodnjom valute, uvelike se oslanjajući na uvozne tinte do 1975., kada su Tianjin Ink Factory i Gangu Ink Factory razvile i proizvele prvu domaću tintu za gravuru na bazi vode. Do 1990-ih, Kina je uvezla preko 100 proizvodnih linija za flekso tisak, ubrzano unapređujući korištenje tinti na bazi vode. Godine 2003. Kineski istraživački institut za industrijsku tehnologiju uspješno je razvio srodne proizvode, a početkom 2004. Shanghai Meide Company proizvela je termoreaktivnu tintu na niskoj temperaturi potpuno na bazi vode koja zadovoljava japanske i njemačke standarde. Iako su kineska istraživanja tinti na bazi vode doživjela brzi razvoj početkom 21. stoljeća, zapadne su zemlje već postigle značajan napredak: oko 95% proizvoda za flekso i 80% proizvoda za gravuru u Sjedinjenim Državama koristilo je tinte na bazi vode, dok je UK a Japan je usvojio tinte na bazi vode za pakiranje hrane i lijekova. Usporedno, razvoj Kine bio je sporiji.

Kako bi dodatno promovirala tržište, Kina je u svibnju 2007. uvela prvi standard tinte na bazi vode, a 2011. zagovarala je "razvoj zelenih inovacija", s ciljem zamjene tinte na bazi otapala s tintama na bazi vode. U "13. petogodišnjem planu" za 2016. za grafičku industriju, "istraživanje ekoloških materijala na bazi vode" i "zeleni tisak" bili su ključni fokusi. Do 2020. nacionalna promocija zelenog i digitalnog ispisa proširila je tržište tinte na bazi vode.

2. Primjena tinti na bazi vode

Početkom 20. stoljeća Sjedinjene su Države prve primijenile tinte na bazi vode u fleksotisku. Do 1970-ih, visokokvalitetne tinte za gravuru na bazi vode bile su naširoko korištene za razne vrste papira za pakiranje, debele police za knjige i karton. Osamdesetih godina prošlog stoljeća u inozemstvu su razvijene sjajne i mat tinte za sitotisak na bazi vode, koje su proširile svoju primjenu na tkanine, papir, PVC, polistiren, aluminijsku foliju i metale. Trenutačno se, zbog svojih ekološki prihvatljivih, netoksičnih i sigurnih karakteristika, tinte na bazi vode uglavnom koriste za ispis ambalaže za hranu, kao što je pakiranje duhana i boca za piće. Kako se ekološki zakoni poboljšavaju, primjena tinti na bazi vode nastavlja se diverzificirati i intenzivirati. Kina također progresivno promiče njihovu upotrebu u tiskarskoj industriji.

• Rezultati i rasprava

1. Istraživanje modifikacija smole

Na učinak tinte utječu razlike u smoli. Općenito, smole za tinte na bazi vode obično su poliuretanske, modificirane akrilne emulzije ili poliakrilne smole. Poliuretanske (WPU) smole na bazi vode, vrhunskog sjaja, naširoko se koriste u tiskanju ambalaže. Stoga je poboljšanje performansi WPU-a za poboljšanje ekološke prihvatljivosti i sjaja tinte na bazi vode postalo fokus u tiskarskoj industriji.

2. Modificiranje poliuretana na bazi vode

Poliuretani na bazi vode, sastavljeni od niskomolekularnih poliola, mogu se klasificirati u poliesterske, polieterske i hibridne tipove. Na temelju različitih svojstava poliestera i polieterskih polimera, njihova čvrstoća i stabilnost variraju. Općenito, polieter poliuretani imaju nižu čvrstoću i stabilnost od poliester poliuretana, ali pokazuju bolju otpornost na visoke temperature i manje su skloni hidrolizi. Na primjer, povećanje "konzistencije" tinte upotrebom polietilen glikol monometil etera poboljšava njezine karakteristike tolerancije. Međutim, ovo je samo referentna točka. Razni istraživački instituti usvajaju različite metode za poboljšanje specifičnih aspekata WPU-a.

Na primjer, 2010. epoksidne smole visoke žilavosti i otpornosti na udar odabrane su za rješavanje problema viskoznosti i prianjanja tinte, čime se povećava čvrstoća tinte. Godine 2006. studija koju je objavilo Kemijsko sveučilište u Pekingu koristila je poliuretan na bazi etilen glikola za formiranje posebne smole s dugim mekim segmentom, poboljšavajući fleksibilnost tinte i neizravno jačajući tintu na bazi vode. Neki timovi postižu modifikacijske rezultate dodavanjem kemijskih tvari: ugradnjom silicijevog dioksida ili organosilicija za poboljšanje WPU-a, što rezultira povećanom vlačnom čvrstoćom tinte. Butadien nitril poliuretan s karboksilnim završetkom koristi se za poboljšanje performansi savijanja tinte i viskoznosti, prilagođavajući se složenijim okruženjima.

Stoga istraživači obično odabiru specifične poliestere na temelju svojstava tinte, koristeći odgovarajuće polikiseline i poliole za sintetiziranje poliesterskih poliola otpornih na toplinu, uvodeći polarne skupine s jakim prianjanjem, birajući prikladne sirovine za poboljšanje kristalnosti poliuretana i koristeći sredstva za spajanje za poboljšanje WPU ljepila otpornost na vlagu i toplinu.

3. Modifikacija vodootpornosti

Budući da se tinta uglavnom koristi za vanjsku ambalažu i često dolazi u dodir s vodom, slaba otpornost na vodu može dovesti do smanjene tvrdoće, sjaja, pa čak i ljuštenja ili oštećenja tinte, što značajno utječe na učinkovitost skladištenja. Poboljšanje WPU otpornosti na vodu poboljšava performanse pohrane tinte upotrebom poliola s dobrom vodootpornošću kao materijala. Na primjer, modificiranje WPU-a akrilnim monomerima ili prilagođavanje sadržaja epoksidne smole može poboljšati otpornost tinte na vodu.

Osim što koriste polimere visoke vodootpornosti za zamjenu standardnog poliuretana, istraživači često dodaju organske ili anorganske tvari kako bi postigli željeni učinak. Na primjer, ugradnja nanorazmjernog silicijevog dioksida u smolu povećava vodootpornost i čvrstoću, što je široko korištena metoda u proizvodnji tinte. "Metoda emulzijske kopolimerizacije" stvara kompozitni PUA za poboljšanje vodootpornosti, dok metode poput modifikacije polietilen glikol monometil etera i acetonske sinteze organosilicijem modificiranog WPU povećavaju vodootpornost.

4. Modifikacija otpornosti na visoke temperature

Općenito, WPU otpornost na visoke temperature je relativno slaba, ograničavajući otpornost tinte na bazi vode na toplinu. Polieter poliuretani obično imaju bolju otpornost na visoke temperature od poliester poliuretana zbog broja dvostrukih veza. Dodavanje polimera dugog lanca ili estera/etera benzenskog prstena kao polimerizacijskih monomera poboljšava otpornost polimera na visoke temperature i, posljedično, otpornost na toplinu tinte na bazi vode. Osim upotrebe dugolančanih polieterskih poliuretana, neki timovi koriste kompozitne materijale za povećanje složenosti i otpornost na visoke temperature. Na primjer, dodavanje nano kositrenog oksida antimona u WPU sintetiziran iz DMPA, polietera 220 i IPDI omogućuje slojevima tinte da apsorbiraju toplinu, poboljšavajući otpornost na visoke temperature. Dodavanje silika aerogela poliuretanu također smanjuje toplinsku vodljivost i povećava otpornost tinte na toplinu.

5. Modifikacija stabilnosti

WPU stabilnost značajno utječe na performanse pohrane tinte na bazi vode. Osim otpornosti na vodu i visoke temperature, molekularna težina i raspored strukture su ključni. Poliesterske smole općenito su stabilnije od polieterskih smola zbog više vodikovih veza u molekularnoj strukturi. Dodavanje esterskih tvari za formiranje miješanih poliuretana povećava stabilnost, kao što je korištenje disperzije izocijanata i silana za stvaranje dvokomponentnog WPU-a s poboljšanom stabilnošću i otpornošću na abraziju. Toplinska obrada i hlađenje također mogu stvoriti više vodikovih veza, pojačavajući raspored molekula i poboljšavajući WPU stabilnost i performanse pohrane tinte na bazi vode.

6. Poboljšanje prianjanja

Dok optimizacija WPU-a poboljšava vodootpornost, otpornost na visoke temperature i stabilnost, WPU-ovi i dalje pokazuju slabo prianjanje na polietilenske (PE) plastične proizvode zbog molekularne težine i polariteta. Obično se dodaju polimeri ili monomeri slične polarnosti i molekularne težine kako bi se poboljšao WPU i poboljšalo prianjanje tinte na bazi vode na nepolarne materijale. Na primjer, kopolimerizacija WPU-a s polivinil-klorid-hidroksietil-akrilatnom smolom poboljšava vodootporno prianjanje između boja i premaza. Dodavanjem akrilne poliesterske smole WPU-u stvara se jedinstvena struktura molekularne veze, značajno poboljšavajući prianjanje WPU-a. Međutim, te metode mogu utjecati na svojstva izvorne tinte poput sjaja. Stoga industrijske tehnike tretiraju materijale bez mijenjanja svojstava kako bi se poboljšalo prianjanje tinte, kao što je aktiviranje površina elektrodama ili kratkotrajna obrada plamenom za povećanje adsorpcije.

• Zaključak

Trenutačno se tinte na bazi vode naširoko koriste u ambalaži za hranu, farmaceutskoj ambalaži, radionicama, knjigama i drugim premazima ili primjenama ispisa. Međutim, njihova inherentna ograničenja izvedbe ograničavaju šire primjene. Kako svijest o okolišu i sigurnosti raste s poboljšanim životnim standardom, ekološki prihvatljive tinte na bazi vode koje smanjuju emisiju VOC sve više zamjenjuju tinte na bazi otapala, izazivajući tradicionalna tržišta tinte na bazi otapala.

U tom kontekstu, poboljšanje performansi tinte modificiranjem smola na bazi vode, posebno poliuretana na bazi vode, putem inovativnih metoda kao što su nanotehnologija i hibridizacija organskih i anorganskih spojeva ključno je za budući razvoj tinte na bazi vode. Stoga su potrebna daljnja sveobuhvatna istraživanja modifikacija smola kako bi se poboljšala učinkovitost tinte na bazi vode za šire primjene.