חקר הפיתוח של צבעי דיו על בסיס מים ומחקר של דיו פוליאוריטן ידידותי לסביבה

זיהום אוויר כבר מזמן מהווה דאגה גדולה, כאשר פליטת גזים רעילים כגון VOCs תורמות משמעותיות לצד תופעות טבע כמו סופות אבק. ככל שהמודעות להגנת הסביבה גדלה ומדיניות לאומית שונה מיושמת, תעשיית הדפוס, פולטת VOC גדולה, עמדה בפני רפורמה בלתי נמנעת. כתוצאה מכך, צבעי הדפסה ידידותיים לסביבה הפכו למוקד בחקר תעשיית הדפוס העולמי. בין הדיו הידידותי לסביבה הזמינים, כולל דיו על בסיס מים, דיו הניתן לריפוי אנרגיה ודיו על בסיס שמן צמחי, דיו על בסיס מים הם הנפוצים ביותר. צבעי דיו על בסיס מים מכילים שיעור נמוך יותר של ממסים אורגניים, מפחיתים את פליטת ה-VOC ומתיישרים עם עקרונות הגנת הסביבה. עם זאת, לדיו על בסיס מים יש גם חסרונות כמו זמני ייבוש ואשפרה איטיים ועמידות ירודה למים ואלקלי, מה שמגביל את היישום שלהם בדיו תעשייתיים מסורתיים. לפיכך, שיפור החולשות הללו באמצעות שינוי שרף הפך למוקד משמעותי. מאמר זה מתאר את הפיתוח והיישום של צבעי דיו על בסיס מים, חקר שינויים בשרף, ההתקדמות במחקר על דיו הדפסה באמצעות פוליאוריטן על בסיס מים, והסיכויים העתידיים בתחום זה.

• נִסיוֹנִי

1. פיתוח דיו על בסיס מים

לדיו יש היסטוריה ארוכה, המתהווה לצד המצאת הדפוס. לאחר הצגתו של Lithol Red Pigment בשנת 1900, הדיו הפך לנפוצה, מה שגרם למדינות להשקיע במחקר דיו. צבעי דיו על בסיס מים הם נגזרת הנובעת מדרישות גבוהות יותר למעשיות של דיו. מחקר על דיו על בסיס מים החל בחו"ל בשנות ה-60, בעיקר כדי להאיץ את קצבי ההדפסה ולהפחית את התלות בחומרי גלם מבוססי נפט. דיו אלה השתמשו בתרכובות אורגניות כמו בנזן ושלאק או נתרן ליגנוסולפונט כחומרים עיקריים כדי לענות על צורכי ההדפסה באותה עת. בשנות ה-70, חוקרים פיתחו שרף אמולסיה פולימרי בעל מעטפת ליבה ומבנה רשת על ידי פילמור מונומרים אקריליים עם סטירן, שמירה על ברק הדיו ועמידות למים תוך עמידה בדרישות הסביבה. עם זאת, ככל שהמודעות הסביבתית גדלה ונחקקו חוקים סביבתיים מחמירים יותר, ירד שיעור החומרים האורגניים המבוססים על בנזן בדיו. עד שנות ה-80, מדינות מערב אירופה הציגו את המושגים והטכנולוגיות של "הדפסת דיו ירוקה" ו"הדפסת דיו חדשה על בסיס מים".

תעשיית הדיו של סין החלה בשלהי שושלת צ'ינג עם ייצור מטבעות, תוך הסתמכות רבה על דיו מיובא עד שנת 1975, כאשר מפעל הדיו טיאנג'ין ומפעל דיו גאנגו פיתחו וייצרו את הדיו הביתי הראשון המבוסס על מים. עד שנות ה-90, סין ייבאה למעלה מ-100 קווי ייצור של הדפסת פלקסו, והקדימה במהירות את השימוש בדיו על בסיס מים. בשנת 2003, המכון לחקר הטכנולוגיה התעשייתית של סין פיתח בהצלחה מוצרים קשורים, ובתחילת 2004, חברת Shanghai Meide ייצרה דיו תרמו-סטנדט מלא על בסיס מים, בטמפרטורה נמוכה, העומד בתקנים יפניים וגרמניים. למרות שהמחקר של סין על צבעי דיו על בסיס מים ראה התפתחות מהירה בתחילת המאה ה-21, מדינות המערב כבר השיגו התקדמות משמעותית: כ-95% ממוצרי הפלקסו ו-80% ממוצרי הדפוס בארצות הברית השתמשו בדיו על בסיס מים, בעוד שבריטניה ויפן אימצו דיו על בסיס מים לאריזות מזון ותרופות. באופן יחסי, התפתחותה של סין הייתה איטית יותר.

כדי לקדם עוד יותר את השוק, הציגה סין את תקן הדיו הראשון על בסיס מים במאי 2007 ובשנת 2011 דגלה ב"פיתוח חדשנות ירוקה", במטרה להחליף דיו על בסיס ממס בדיו על בסיס מים. ב"תכנית החומש ה-13" לתעשיית הדפוס לשנת 2016, "מחקר על חומרים סביבתיים מבוססי מים" ו"הדפסה ירוקה" היו מוקדי מפתח. עד שנת 2020, הקידום הלאומי של דפוס ירוק ודיגיטלי הרחיב את שוק הדיו על בסיס מים.

2. יישום של דיו על בסיס מים

בתחילת המאה ה-20, ארצות הברית יישמה לראשונה דיו על בסיס מים בהדפסת פלקסו. בשנות ה-70 של המאה ה-20, נעשה שימוש נרחב בדיו גרורה איכותיים על בסיס מים עבור ניירות אריזה שונים, מדפי ספרים עבים וקרטון. בשנות ה-80 פותחו בחו"ל צבעי דפוס מבריק ומאט על בסיס מים, שהרחיבו את היישום לבדים, נייר, PVC, פוליסטירן, רדיד אלומיניום ומתכות. נכון לעכשיו, בשל המאפיינים הידידותיים לסביבה, לא רעילים ובטוחים, נעשה שימוש בדיו על בסיס מים בעיקר בהדפסת אריזות מזון, כגון אריזות טבק ובקבוקי משקה. ככל שהחוקים הסביבתיים משתפרים, היישום של דיו על בסיס מים ממשיך להתגוון ולהתעצם. סין גם מקדמת בהדרגה את השימוש בהם בתעשיית הדפוס.

• תוצאות ודיון

1. מחקר על שינויי שרף

ביצועי הדיו מושפעים מהבדלים בשרף. בדרך כלל, שרפי דיו על בסיס מים הם בדרך כלל פוליאוריטן, תחליב אקרילי שונה או שרפים פוליאקריליים. שרפי פוליאוריטן על בסיס מים (WPU), עם ברק מעולה, נמצאים בשימוש נרחב בהדפסת אריזות. לפיכך, שיפור ביצועי WPU כדי לשפר את הידידותיות והברק הסביבתי של דיו על בסיס מים הפך למוקד בתעשיית הדפוס.

2. שינוי פוליאוריטן על בסיס מים

ניתן לסווג פוליאוריטן על בסיס מים, המורכב מפוליאולים בעלי משקל מולקולרי נמוך, לסוגי פוליאסטר, פוליאתר והיברידית. בהתבסס על התכונות השונות של פוליאסטר ופוליאתרים, החוזק והיציבות שלהם משתנים. בדרך כלל, לפוליאורתנים של פוליאתר יש חוזק ויציבות נמוכים יותר מפוליאורתנים מפוליאסטר, אך הם מציגים עמידות טובה יותר בטמפרטורות גבוהות ונוטים פחות להידרוליזה. לדוגמה, הגדלת ה"עקביות" של הדיו על ידי שימוש במונו-מתיל אתר פוליאתילן גליקול משפרת את מאפייני הסובלנות שלו. עם זאת, זוהי רק נקודת התייחסות. מכוני מחקר שונים מאמצים שיטות שונות כדי לשפר היבטים ספציפיים של WPU.

לדוגמה, בשנת 2010, שרפי אפוקסי בעלי קשיחות וחוזק השפעה גבוהים נבחרו כדי לטפל בבעיות צמיגות דיו והידבקות, ובכך לשפר את חוזק הדיו. בשנת 2006, מחקר שפורסם על ידי האוניברסיטה הכימית של בייג'ינג השתמש בפוליאוריתן על בסיס אתילן גליקול ליצירת שרף מיוחד עם מקטע רך ארוך, משפר את גמישות הדיו ומחזק בעקיפין דיו על בסיס מים. צוותים מסוימים משיגים תוצאות שינוי על ידי הוספת חומרים כימיים: שילוב סיליקה או סיליקון אורגני לשיפור WPU, וכתוצאה מכך חוזק מתיחה של דיו משופר. פוליאוריתן בוטאדיאן ניטריל עם סיומת קרבוקסיל משמש לשיפור ביצועי כיפוף דיו וצמיגות, תוך התאמה לסביבות מורכבות יותר.

לפיכך, חוקרים בדרך כלל בוחרים פוליאסטרים ספציפיים על סמך תכונות הדיו, תוך שימוש בחומצות ופוליאול מתאימות לסינתזה של פוליאול פוליאסטר עמיד בחום, הכנסת קבוצות קוטביות עם הידבקות חזקה, בחירת חומרי גלם מתאימים לשיפור גבישיות הפוליאוריתן ושימוש בחומרי צימוד לשיפור דבק WPU עמידות לחות וחום.

3. שינוי עמידות במים

מכיוון שהדיו משמש בעיקר לאריזה חיצונית ומגע לעתים קרובות עם מים, עמידות ירודה למים עלולה להוביל לקשיות מופחתת, ברק ואפילו לקילוף או נזק של הדיו, מה שמשפיע באופן משמעותי על ביצועי האחסון. שיפור עמידות למים WPU משפר את ביצועי אחסון הדיו על ידי שימוש בפוליאולים בעלי עמידות טובה למים כחומרים. לדוגמה, שינוי WPU עם מונומרים אקריליים או התאמת תכולת שרף אפוקסי יכולים לשפר את עמידות המים בדיו.

מלבד שימוש בפולימרים בעלי עמידות גבוהה למים להחלפת פוליאוריטן סטנדרטי, חוקרים מוסיפים לעתים קרובות חומרים אורגניים או אנאורגניים כדי להשיג את האפקט הרצוי. לדוגמה, שילוב סיליקה ננומטרית בשרף משפר את עמידות המים וחוזקם, שיטה בשימוש נרחב בייצור דיו. "שיטת האמולסיה קופולימריזציה" יוצרת PUA מרוכב לשיפור עמידות המים, בעוד ששיטות כמו שינוי אתר מונו-מתיל פוליאתילן גליקול וסינתזת אצטון של WPU שעבר סיליקון אורגנו-סיליקון משפרות את עמידות המים.

4. שינוי התנגדות בטמפרטורה גבוהה

בדרך כלל, ההתנגדות לטמפרטורה גבוהה של WPU חלשה יחסית, מה שמגביל את עמידות החום של דיו על בסיס מים. לפוליאורתנים של פוליאתר יש בדרך כלל עמידות טובה יותר בטמפרטורות גבוהות מפוליאורתנים מפוליאסטר בגלל מספר הקשרים הכפולים. הוספת פולימרים ארוכי שרשרת או אסטרים/אתרים טבעת בנזן כמונומרים של פילמור משפרת את עמידות הפולימר לטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך, עמידות החום של דיו על בסיס מים. מלבד השימוש בפוליאתרים ארוכי שרשרת, חלק מהצוותים משתמשים בחומרים מרוכבים כדי להגביר את המורכבות ולשפר את העמידות בטמפרטורות גבוהות. לדוגמה, הוספת אנטימון ננו-דיל-אוקסיד ל-WPU המסונתז מ-DMPA, פוליאתר 220 ו-IPDI מאפשרת לשכבות דיו לספוג חום, ולשפר את העמידות בטמפרטורות גבוהות. הוספת סיליקה איירגל לפוליאוריתן מפחיתה גם מוליכות תרמית ומשפרת את עמידות החום של הדיו.

5. שינוי יציבות

יציבות WPU משפיעה באופן משמעותי על ביצועי אחסון דיו על בסיס מים. מלבד עמידות למים וטמפרטורות גבוהות, משקל מולקולרי וסידור המבנה הם קריטיים. שרפי פוליאסטר הם בדרך כלל יציבים יותר משרף פוליאתר בגלל יותר קשרי מימן במבנה המולקולרי. הוספת חומרי אסטר ליצירת פוליאוריטן מעורבים מגבירה את היציבות, כגון שימוש בפיזור איזוציאנט וסילאן ליצירת WPU דו-רכיבי עם יציבות משופרים ועמידות בפני שחיקה. טיפול בחום וקירור יכולים גם ליצור יותר קשרי מימן, להדק את הסידור המולקולרי ולשפר את יציבות ה-WPU וביצועי אחסון דיו על בסיס מים.

6. שיפור הדבקה

בעוד שאופטימיזציה של WPU משפרת עמידות למים, עמידות בטמפרטורות גבוהות ויציבות, WPUs עדיין מראים הידבקות לקויה למוצרי פלסטיק פוליאתילן (PE) בשל משקל מולקולרי וקוטביות. בדרך כלל, פולימרים או מונומרים עם קוטביות ומשקל מולקולרי דומה מתווספים כדי לשפר את ה-WPU ולשפר את הידבקות דיו על בסיס מים לחומרים לא קוטביים. לדוגמה, שיתוף-פולימריזציה של WPU עם שרף פוליוויניל כלוריד-הידרוקסיאתיל אקרילט משפר הידבקות עמידה למים בין דיו וציפויים. הוספת שרף פוליאסטר אקרילי ל-WPU יוצרת מבנה קישור מולקולרי ייחודי, המשפר משמעותית את הדבקת WPU. עם זאת, שיטות אלה יכולות להשפיע על תכונות הדיו המקוריות כמו ברק. לכן, טכניקות תעשייתיות מטפלות בחומרים מבלי לשנות את התכונות כדי לשפר את הידבקות הדיו, כגון הפעלת משטחים באמצעות אלקטרודות או טיפול להבה לטווח קצר כדי להגביר את הספיחה.

• סיכום

נכון לעכשיו, דיו על בסיס מים נמצא בשימוש נרחב באריזות מזון, אריזות תרופות, סדנאות, ספרים וציפויים או יישומי הדפסה אחרים. עם זאת, מגבלות הביצועים המובנות שלהם מגבילות יישומים רחבים יותר. ככל שהמודעות הסביבתית והבטיחותית גוברת עם שיפור ברמת החיים, צבעי דיו ידידותיים לסביבה על בסיס מים המפחיתים את פליטת ה-VOC מחליפים יותר ויותר דיו מבוססי ממס, ומאתגרים את שווקי הדיו המסורתיים המבוססים על ממיסים.

בהקשר זה, שיפור ביצועי הדיו על ידי שינוי שרפים על בסיס מים, במיוחד פוליאוריטן על בסיס מים, באמצעות שיטות חדשניות כגון ננוטכנולוגיה והכלאה של תרכובות אורגניות ואי-אורגניות היא חיונית לפיתוח דיו עתידי על בסיס מים. לכן, דרוש מחקר מקיף נוסף על שינויים בשרף כדי לשפר את ביצועי דיו על בסיס מים עבור יישומים רחבים יותר.