Menjajaki Perkembangan Tinta Berbasis Air dan Kajian Tinta Poliuretan Berbasis Air yang Ramah Lingkungan

Polusi udara telah lama menjadi perhatian utama, dengan emisi gas beracun seperti VOC menjadi kontributor signifikan selain fenomena alam seperti badai debu. Seiring dengan tumbuhnya kesadaran akan perlindungan lingkungan dan berbagai kebijakan nasional yang diterapkan, industri percetakan, yang merupakan penghasil emisi VOC terbesar, menghadapi reformasi yang tak terelakkan. Oleh karena itu, tinta cetak ramah lingkungan telah menjadi titik fokus dalam penelitian industri percetakan global. Di antara tinta ramah lingkungan yang tersedia, termasuk tinta berbahan dasar air, tinta yang dapat diawetkan dengan energi, dan tinta berbahan dasar minyak nabati, tinta berbahan dasar air adalah yang paling banyak digunakan. Tinta berbahan dasar air mengandung lebih sedikit pelarut organik, sehingga mengurangi emisi VOC dan sejalan dengan prinsip perlindungan lingkungan. Namun, tinta berbahan dasar air juga memiliki kelemahan seperti waktu pengeringan dan pengawetan yang lambat serta ketahanan yang buruk terhadap air dan alkali, sehingga membatasi penerapannya pada tinta industri tradisional. Oleh karena itu, perbaikan kelemahan ini melalui modifikasi resin telah menjadi fokus yang signifikan. Makalah ini menguraikan pengembangan dan penerapan tinta berbahan dasar air, studi modifikasi resin, kemajuan penelitian tinta cetak menggunakan poliuretan berbahan dasar air, dan prospek masa depan di bidang ini.

• Eksperimental

1. Pengembangan Tinta Berbasis Air

Tinta memiliki sejarah panjang, muncul bersamaan dengan penemuan mesin cetak. Setelah diperkenalkannya Pigmen Merah Lithol pada tahun 1900, tinta menjadi tersebar luas, mendorong banyak negara untuk berinvestasi dalam penelitian tinta. Tinta berbahan dasar air merupakan turunan yang dihasilkan dari tuntutan kepraktisan tinta yang lebih tinggi. Penelitian mengenai tinta berbahan dasar air dimulai di luar negeri pada tahun 1960an, terutama untuk mempercepat laju pencetakan dan mengurangi ketergantungan pada bahan mentah berbahan dasar minyak bumi. Tinta ini menggunakan senyawa organik seperti benzena dan lak atau natrium lignosulfonat sebagai bahan utama untuk memenuhi kebutuhan pencetakan saat itu. Pada tahun 1970-an, para peneliti mengembangkan resin emulsi polimer dengan cangkang inti dan struktur jaringan dengan mempolimerisasi monomer akrilik dengan stirena, menjaga kilap tinta dan ketahanan air sekaligus memenuhi persyaratan lingkungan. Namun, seiring dengan meningkatnya kesadaran lingkungan dan diberlakukannya undang-undang lingkungan yang lebih ketat, proporsi bahan organik berbasis benzena dalam tinta menurun. Pada tahun 1980-an, negara-negara Eropa Barat memperkenalkan konsep dan teknologi "pencetakan tinta ramah lingkungan" dan "pencetakan tinta berbasis air yang baru".

Industri tinta Tiongkok dimulai pada akhir Dinasti Qing dengan produksi mata uang, sangat bergantung pada tinta impor hingga tahun 1975, ketika Pabrik Tinta Tianjin dan Pabrik Tinta Gangu mengembangkan dan memproduksi tinta gravure berbasis air dalam negeri yang pertama. Pada tahun 1990an, Tiongkok telah mengimpor lebih dari 100 lini produksi pencetakan flexo, sehingga dengan cepat memajukan penggunaan tinta berbasis air. Pada tahun 2003, Institut Penelitian Teknologi Industri China berhasil mengembangkan produk terkait, dan pada awal tahun 2004, Shanghai Meide Company memproduksi tinta termoset bersuhu rendah berbahan dasar air yang memenuhi standar Jepang dan Jerman. Meskipun penelitian Tiongkok mengenai tinta berbahan dasar air mengalami perkembangan pesat pada awal abad ke-21, negara-negara Barat telah mencapai kemajuan yang signifikan: sekitar 95% produk flexo dan 80% produk gravure di Amerika Serikat menggunakan tinta berbahan dasar air, sedangkan di Inggris dan Jepang mengadopsi tinta berbahan dasar air untuk kemasan makanan dan farmasi. Sebaliknya, pembangunan Tiongkok lebih lambat.

Untuk lebih mempromosikan pasar, Tiongkok memperkenalkan standar tinta berbahan dasar air yang pertama pada bulan Mei 2007 dan pada tahun 2011 menganjurkan "pengembangan inovasi ramah lingkungan", yang bertujuan untuk mengganti tinta berbahan dasar pelarut dengan tinta berbahan dasar air. Dalam "Rencana Lima Tahun ke-13" tahun 2016 untuk industri percetakan, "penelitian tentang bahan ramah lingkungan berbasis air" dan "percetakan ramah lingkungan" menjadi fokus utama. Pada tahun 2020, promosi nasional percetakan ramah lingkungan dan digital memperluas pasar tinta berbasis air.

2. Penerapan Tinta Berbasis Air

Pada awal abad ke-20, Amerika Serikat pertama kali menerapkan tinta berbahan dasar air dalam pencetakan flexo. Pada tahun 1970-an, tinta gravure berbahan dasar air berkualitas tinggi banyak digunakan untuk berbagai kertas kemasan, rak buku tebal, dan karton. Pada tahun 1980-an, tinta sablon berbahan dasar air glossy dan matte dikembangkan di luar negeri, memperluas penerapannya pada kain, kertas, PVC, polistiren, aluminium foil, dan logam. Saat ini, karena sifatnya yang ramah lingkungan, tidak beracun, dan aman, tinta berbahan dasar air banyak digunakan dalam pencetakan kemasan makanan, seperti kemasan tembakau dan botol minuman. Seiring dengan membaiknya undang-undang lingkungan hidup, penerapan tinta berbahan dasar air terus mengalami diversifikasi dan intensif. Tiongkok juga secara progresif mempromosikan penggunaannya dalam industri percetakan.

• Hasil dan Diskusi

1. Penelitian Modifikasi Resin

Kinerja tinta dipengaruhi oleh perbedaan resin. Umumnya, resin tinta berbahan dasar air biasanya berupa poliuretan, emulsi akrilik termodifikasi, atau resin poliakrilik. Resin poliuretan berbahan dasar air (WPU), dengan kilap yang unggul, banyak digunakan dalam pencetakan kemasan. Oleh karena itu, peningkatan kinerja WPU untuk meningkatkan keramahan lingkungan dan kilap tinta berbasis air telah menjadi fokus dalam industri percetakan.

2. Memodifikasi Poliuretan Berbasis Air

Poliuretan berbahan dasar air, terdiri dari poliol dengan berat molekul rendah, dapat diklasifikasikan menjadi jenis poliester, polieter, dan hibrida. Berdasarkan perbedaan sifat poliester dan polimer polieter, kekuatan dan stabilitasnya bervariasi. Secara umum, poliuretan polieter memiliki kekuatan dan stabilitas yang lebih rendah dibandingkan poliuretan poliester namun menunjukkan ketahanan suhu tinggi yang lebih baik dan kurang rentan terhadap hidrolisis. Misalnya, meningkatkan "konsistensi" tinta dengan menggunakan polietilen glikol monometil eter akan meningkatkan karakteristik toleransinya. Namun, ini hanyalah sebuah titik referensi. Berbagai lembaga penelitian mengadopsi metode berbeda untuk meningkatkan aspek spesifik WPU.

Misalnya, pada tahun 2010, resin epoksi dengan ketangguhan dan kekuatan benturan tinggi dipilih untuk mengatasi masalah viskositas dan daya rekat tinta, sehingga meningkatkan kekuatan tinta. Pada tahun 2006, sebuah penelitian yang diterbitkan oleh Beijing Chemical University menggunakan poliuretan berbahan dasar etilen glikol untuk membentuk resin khusus dengan segmen lunak yang panjang, meningkatkan fleksibilitas tinta dan secara tidak langsung memperkuat tinta berbahan dasar air. Beberapa tim mencapai hasil modifikasi dengan menambahkan zat kimia: menggabungkan silika atau organosilikon untuk meningkatkan WPU, sehingga meningkatkan kekuatan tarik tinta. Poliuretan butadiena nitril diakhiri karboksil digunakan untuk meningkatkan kinerja dan viskositas pembengkokan tinta, beradaptasi dengan lingkungan yang lebih kompleks.

Oleh karena itu, peneliti biasanya memilih poliester tertentu berdasarkan sifat tintanya, memanfaatkan poliasam dan poliol yang sesuai untuk mensintesis poliol poliester tahan panas, memperkenalkan gugus polar dengan daya rekat kuat, memilih bahan baku yang sesuai untuk meningkatkan kristalinitas poliuretan, dan menggunakan bahan penggandeng untuk meningkatkan perekat WPU. tahan lembab dan panas.

3. Modifikasi Tahan Air

Karena tinta terutama digunakan untuk kemasan luar dan sering bersentuhan dengan air, ketahanan air yang buruk dapat menyebabkan berkurangnya kekerasan, kilap, dan bahkan tinta terkelupas atau rusak, sehingga sangat mempengaruhi kinerja penyimpanan. Meningkatkan ketahanan air WPU meningkatkan kinerja penyimpanan tinta dengan menggunakan poliol dengan ketahanan air yang baik sebagai bahan. Misalnya, memodifikasi WPU dengan monomer akrilik atau menyesuaikan kandungan resin epoksi dapat meningkatkan ketahanan tinta terhadap air.

Selain menggunakan polimer dengan ketahanan air yang tinggi untuk menggantikan poliuretan standar, peneliti sering menambahkan zat organik atau anorganik untuk mencapai efek yang diinginkan. Misalnya, memasukkan silika skala nano ke dalam resin meningkatkan ketahanan dan kekuatan air, metode yang banyak digunakan dalam produksi tinta. "Metode kopolimerisasi emulsi" menciptakan PUA komposit untuk meningkatkan ketahanan air, sementara metode seperti modifikasi polietilen glikol monometil eter dan sintesis aseton dari WPU yang dimodifikasi organosilikon meningkatkan ketahanan air.

4. Modifikasi Ketahanan Suhu Tinggi

Secara umum, ketahanan suhu tinggi WPU relatif lemah, sehingga membatasi ketahanan panas tinta berbasis air. Poliuretan polieter biasanya memiliki ketahanan suhu tinggi yang lebih baik dibandingkan poliuretan poliester karena banyaknya ikatan rangkap. Menambahkan polimer rantai panjang atau ester/eter cincin benzena sebagai monomer polimerisasi meningkatkan ketahanan polimer terhadap suhu tinggi dan, akibatnya, ketahanan panas tinta berbasis air. Selain menggunakan poliuretan polieter rantai panjang, beberapa tim menggunakan material komposit untuk meningkatkan kompleksitas dan meningkatkan ketahanan terhadap suhu tinggi. Misalnya, menambahkan antimon oksida timah nano ke WPU yang disintesis dari DMPA, polieter 220, dan IPDI memungkinkan lapisan tinta menyerap panas, sehingga meningkatkan ketahanan terhadap suhu tinggi. Menambahkan silika aerogel ke poliuretan juga mengurangi konduktivitas termal dan meningkatkan ketahanan panas tinta.

5. Modifikasi Stabilitas

Stabilitas WPU berpengaruh signifikan terhadap kinerja penyimpanan tinta berbasis air. Selain ketahanan terhadap air dan suhu tinggi, berat molekul dan susunan struktur juga sangat penting. Resin poliester umumnya lebih stabil dibandingkan resin polieter karena lebih banyak ikatan hidrogen dalam struktur molekulnya. Menambahkan zat ester untuk membentuk campuran poliuretan meningkatkan stabilitas, seperti menggunakan dispersi isosianat dan silan untuk menciptakan WPU dua komponen dengan peningkatan stabilitas dan ketahanan abrasi. Perlakuan panas dan pendinginan juga dapat menciptakan lebih banyak ikatan hidrogen, memperketat susunan molekul, dan meningkatkan stabilitas WPU serta kinerja penyimpanan tinta berbasis air.

6. Peningkatan Adhesi

Meskipun mengoptimalkan WPU meningkatkan ketahanan terhadap air, ketahanan suhu tinggi, dan stabilitas, WPU masih menunjukkan daya rekat yang buruk pada produk plastik polietilen (PE) karena berat molekul dan polaritasnya. Biasanya, polimer atau monomer dengan polaritas dan berat molekul yang serupa ditambahkan untuk meningkatkan WPU dan meningkatkan daya rekat tinta berbasis air ke bahan non-polar. Misalnya, kopolimerisasi WPU dengan resin polivinil klorida-hidroksietil akrilat meningkatkan daya rekat kedap air antara tinta dan pelapis. Menambahkan resin poliester akrilik ke WPU menciptakan struktur tautan molekul unik, yang secara signifikan meningkatkan daya rekat WPU. Namun, metode ini dapat mempengaruhi sifat tinta asli seperti kilap. Oleh karena itu, teknik industri mengolah bahan tanpa mengubah sifat untuk meningkatkan daya rekat tinta, seperti mengaktifkan permukaan dengan elektroda atau perlakuan api jangka pendek untuk meningkatkan adsorpsi.

• Kesimpulan

Saat ini, tinta berbahan dasar air banyak digunakan dalam kemasan makanan, kemasan farmasi, bengkel, buku, dan aplikasi pelapis atau pencetakan lainnya. Namun, keterbatasan kinerja bawaannya membatasi aplikasi yang lebih luas. Seiring dengan tumbuhnya kesadaran lingkungan dan keselamatan seiring dengan peningkatan standar hidup, tinta ramah lingkungan berbasis air yang mengurangi emisi VOC semakin banyak menggantikan tinta berbasis pelarut, sehingga menantang pasar tinta tradisional berbasis pelarut.

Dalam konteks ini, meningkatkan kinerja tinta dengan memodifikasi resin berbahan dasar air, khususnya poliuretan berbahan dasar air, melalui metode inovatif seperti nanoteknologi dan hibridisasi senyawa organik dan anorganik sangat penting untuk pengembangan tinta berbasis air di masa depan. Oleh karena itu, penelitian komprehensif lebih lanjut mengenai modifikasi resin diperlukan untuk meningkatkan kinerja tinta berbasis air untuk aplikasi yang lebih luas.