წყალზე დაფუძნებული მელანების შესწავლა და ეკოლოგიურად სუფთა წყლის პოლიურეთანის მელნის შესწავლა

ჰაერის დაბინძურება დიდი ხანია მთავარი პრობლემაა, ტოქსიკური აირის გამონაბოლქვი, როგორიცაა VOCs, მნიშვნელოვანი წვლილი შეაქვს ბუნებრივ მოვლენებთან ერთად, როგორიცაა მტვრის ქარიშხალი. გარემოს დაცვის შესახებ ცნობიერების ამაღლებასთან ერთად და სხვადასხვა ეროვნული პოლიტიკის დანერგვით, ბეჭდვის ინდუსტრია, VOC-ის მთავარი გამომცემელი, გარდაუვალი რეფორმის წინაშე აღმოჩნდა. შესაბამისად, ეკოლოგიურად სუფთა საბეჭდი მელანი გახდა გლობალური ბეჭდვის ინდუსტრიის კვლევის მთავარი წერტილი. ხელმისაწვდომ ეკოლოგიურ მელნებს შორის, მათ შორის წყალზე დაფუძნებული მელანები, ენერგიით განკურნებადი მელანები და მცენარეულ ზეთებზე დაფუძნებული მელანები, ყველაზე ფართოდ გამოიყენება წყალზე დაფუძნებული მელანები. წყალზე დაფუძნებული მელანი შეიცავს ორგანული გამხსნელების ნაკლებ პროპორციას, რაც ამცირებს VOC-ის გამოყოფას და შეესაბამება გარემოს დაცვის პრინციპებს. თუმცა, წყალზე დაფუძნებულ მელანებს ასევე აქვთ ნაკლოვანებები, როგორიცაა ნელი გაშრობისა და გამკვრივების დრო და ცუდი წყლისა და ტუტე წინააღმდეგობის გაწევა, რაც ზღუდავს მათ გამოყენებას ტრადიციულ სამრეწველო მელნებში. ამრიგად, ამ სისუსტეების გაუმჯობესება ფისოვანი მოდიფიკაციის გზით გახდა მნიშვნელოვანი აქცენტი. ეს ნაშრომი ასახავს წყალზე დაფუძნებული მელნის შემუშავებას და გამოყენებას, ფისოვანი მოდიფიკაციების შესწავლას, წყალზე დაფუძნებული პოლიურეთანის გამოყენებით საბეჭდი მელნის კვლევის პროგრესს და სამომავლო პერსპექტივებს ამ სფეროში.

• ექსპერიმენტული

1. წყალზე დაფუძნებული მელანების განვითარება

მელნებს დიდი ხნის ისტორია აქვს, რომელიც ჩნდება ბეჭდვის გამოგონებასთან ერთად. 1900 წელს ლითოლის წითელი პიგმენტის დანერგვის შემდეგ, მელანი ფართოდ გავრცელდა, რამაც აიძულა ქვეყნები ინვესტიციები ჩაეტარებინათ მელნის კვლევაში. წყალზე დაფუძნებული მელანები წარმოებულია მელნის პრაქტიკულობის მაღალი მოთხოვნების გამო. წყალზე დაფუძნებული მელნის კვლევა საზღვარგარეთ დაიწყო 1960-იან წლებში, ძირითადად, ბეჭდვის სიჩქარის დაჩქარებისა და ნავთობზე დაფუძნებულ ნედლეულზე დამოკიდებულების შესამცირებლად. ეს მელანები იყენებდნენ ორგანულ ნაერთებს, როგორიცაა ბენზოლები და შელაკი ან ნატრიუმის ლიგნოსულფონატი, როგორც ძირითადი მასალები იმ დროისთვის ბეჭდვის საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად. 1970-იან წლებში მკვლევარებმა შეიმუშავეს პოლიმერული ემულსიური ფისი ბირთვის გარსით და ქსელის სტრუქტურით აკრილის მონომერების სტირონით პოლიმერიზაციის გზით, მელნის სიპრიალისა და წყლის წინააღმდეგობის შენარჩუნებით, გარემოსდაცვითი მოთხოვნების დაკმაყოფილებისას. თუმცა, როდესაც გაიზარდა გარემოსდაცვითი ცნობიერება და ამოქმედდა უფრო მკაცრი გარემოსდაცვითი კანონები, ბენზოლზე დაფუძნებული ორგანული ნივთიერებების წილი მელნებში შემცირდა. 1980-იანი წლებისთვის დასავლეთ ევროპის ქვეყნებმა შემოიღეს "მწვანე მელნის ბეჭდვის" და "ახალი წყლის ბაზაზე მელნის ბეჭდვის" კონცეფციები და ტექნოლოგიები.

ჩინეთის მელნის ინდუსტრია დაიწყო გვიან ცინგ დინასტიაში ვალუტის წარმოებით, რომელიც დიდწილად ეყრდნობოდა იმპორტირებულ მელანს 1975 წლამდე, სანამ ტიანჯინის მელნის ქარხანა და განგუ მელნის ქარხანა შეიმუშავეს და აწარმოეს პირველი შიდა წყალზე დაფუძნებული გრავიურის მელანი. 1990-იანი წლებისთვის ჩინეთმა შემოიტანა 100-ზე მეტი ფლექსო ბეჭდვის საწარმოო ხაზი, რაც სწრაფად ავითარებდა წყალზე დაფუძნებული მელნის გამოყენებას. 2003 წელს ჩინეთის სამრეწველო ტექნოლოგიების კვლევითმა ინსტიტუტმა წარმატებით შეიმუშავა მონათესავე პროდუქტები, ხოლო 2004 წლის დასაწყისში შანხაი მეიდის კომპანიამ წარმოადგინა სრულად წყალზე დაფუძნებული, დაბალტემპერატურული თერმომდგრადი მელანი, რომელიც აკმაყოფილებს იაპონურ და გერმანულ სტანდარტებს. მიუხედავად იმისა, რომ ჩინეთში ჩატარებულმა კვლევებმა წყალზე დაფუძნებულ მელანებზე სწრაფი განვითარება დაინახა 21-ე საუკუნის დასაწყისში, დასავლეთის ქვეყნებმა უკვე მიაღწიეს მნიშვნელოვან პროგრესს: აშშ-ში ფლექსო პროდუქტების დაახლოებით 95% და გრავიურის პროდუქტების 80% იყენებდა წყალზე დაფუძნებულ მელანს, ხოლო დიდ ბრიტანეთში. და იაპონიამ მიიღეს წყლის დაფუძნებული მელანი საკვებისა და ფარმაცევტული შეფუთვისთვის. შედარებით, ჩინეთის განვითარება უფრო ნელი იყო.

ბაზრის შემდგომი პოპულარიზაციის მიზნით, ჩინეთმა 2007 წლის მაისში დანერგა წყალზე დაფუძნებული მელნის პირველი სტანდარტი და 2011 წელს მხარი დაუჭირა „მწვანე ინოვაციების განვითარებას“, რომლის მიზანი იყო გამხსნელზე დაფუძნებული მელნის ჩანაცვლება წყალზე დაფუძნებული მელნით. 2016 წლის "მე-13 ხუთწლიან გეგმაში" ბეჭდვის ინდუსტრიისთვის, "კვლევა წყალზე დაფუძნებულ გარემოსდაცვით მასალებზე" და "მწვანე ბეჭდვა" იყო ძირითადი აქცენტი. 2020 წლისთვის მწვანე და ციფრული ბეჭდვის ეროვნულმა პოპულარიზაციამ გააფართოვა წყალზე დაფუძნებული მელნის ბაზარი.

2. წყალზე დაფუძნებული მელანების გამოყენება

მე-20 საუკუნის დასაწყისში შეერთებულმა შტატებმა პირველად გამოიყენა წყლის დაფუძნებული მელანი ფლექსო ბეჭდვაში. 1970-იანი წლებისთვის წყალზე დაფუძნებული მაღალი ხარისხის გრავიურის მელანი ფართოდ გამოიყენებოდა სხვადასხვა შესაფუთი ქაღალდებისთვის, სქელი წიგნების თაროებისთვის და მუყაოსთვის. 1980-იან წლებში პრიალა და მქრქალი ტრაფარეტული ბეჭდვის წყალზე დაფუძნებული მელანები საზღვარგარეთ შეიქმნა, რაც მათი გამოყენება გაფართოვდა ქსოვილებზე, ქაღალდზე, PVC-ზე, პოლისტირონზე, ალუმინის ფოლგასა და ლითონებზე. ამჟამად, მათი ეკოლოგიურად სუფთა, არატოქსიკური და უსაფრთხო მახასიათებლების გამო, წყალზე დაფუძნებული მელანები ძირითადად გამოიყენება საკვების შეფუთვის ბეჭდვაში, როგორიცაა თამბაქოს შეფუთვა და სასმელის ბოთლები. გარემოსდაცვითი კანონების გაუმჯობესებასთან ერთად, წყალზე დაფუძნებული მელნის გამოყენება აგრძელებს დივერსიფიკაციას და გაძლიერებას. ჩინეთი ასევე თანდათან ხელს უწყობს მათ გამოყენებას ბეჭდვის ინდუსტრიაში.

• Შედეგები და დისკუსია

1. კვლევა ფისოვანი მოდიფიკაციების შესახებ

მელნის შესრულებაზე გავლენას ახდენს ფისოვანი განსხვავებები. ზოგადად, წყლის დაფუძნებული მელნის ფისები, როგორც წესი, არის პოლიურეთანი, მოდიფიცირებული აკრილის ემულსიები ან პოლიაკრილის ფისები. წყლის დაფუძნებული პოლიურეთანის (WPU) ფისები, უმაღლესი სიპრიალის მქონე, ფართოდ გამოიყენება შეფუთვის ბეჭდვაში. ამგვარად, WPU-ის მუშაობის გაუმჯობესება წყალზე დაფუძნებული მელნის გარემოსდაცვითი კეთილგანწყობისა და სიპრიალის გასაუმჯობესებლად გახდა აქცენტი ბეჭდვის ინდუსტრიაში.

2. წყლის დაფუძნებული პოლიურეთანის მოდიფიკაცია

წყალზე დაფუძნებული პოლიურეთანი, რომელიც შედგება დაბალმოლეკულური წონის პოლიოლებისგან, შეიძლება დაიყოს პოლიესტერად, პოლიეთერად და ჰიბრიდულ ტიპებად. პოლიესტერისა და პოლიეთერის პოლიმერების სხვადასხვა თვისებებიდან გამომდინარე, მათი სიძლიერე და სტაბილურობა განსხვავდება. ზოგადად, პოლიეთერ პოლიურეთანებს აქვთ უფრო დაბალი სიმტკიცე და სტაბილურობა, ვიდრე პოლიესტერის პოლიურეთანები, მაგრამ აჩვენებენ უკეთეს წინააღმდეგობას მაღალ ტემპერატურაზე და ნაკლებად არიან მიდრეკილნი ჰიდროლიზისკენ. მაგალითად, მელნის "თანმიმდევრულობის" გაზრდა პოლიეთილენ გლიკოლის მონომეთილეთერის გამოყენებით აუმჯობესებს მის ტოლერანტობის მახასიათებლებს. თუმცა, ეს მხოლოდ საცნობარო წერტილია. სხვადასხვა კვლევითი ინსტიტუტი იღებს სხვადასხვა მეთოდს WPU-ს კონკრეტული ასპექტების გასაუმჯობესებლად.

მაგალითად, 2010 წელს შეირჩა ეპოქსიდური ფისები მაღალი გამძლეობითა და ზემოქმედების სიძლიერით მელნის სიბლანტისა და ადჰეზიის პრობლემების გადასაჭრელად, რითაც გაზრდიდა მელნის სიმტკიცეს. 2006 წელს პეკინის ქიმიური უნივერსიტეტის მიერ გამოქვეყნებულმა კვლევამ გამოიყენა ეთილენგლიკოლზე დაფუძნებული პოლიურეთანი სპეციალური ფისის შესაქმნელად გრძელი რბილი სეგმენტით, რაც აუმჯობესებს მელნის მოქნილობას და ირიბად აძლიერებს წყალზე დაფუძნებულ მელანს. ზოგიერთი გუნდი აღწევს მოდიფიკაციის შედეგებს ქიმიური ნივთიერებების დამატებით: სილიციუმის ან ორგანოსილიციუმის ჩართვა WPU-ს გასაუმჯობესებლად, რაც იწვევს მელნის გაძლიერებულ დაჭიმულობას. კარბოქსილით დაბოლოებული ბუტადიენ ნიტრილის პოლიურეთანი გამოიყენება მელნის დახრის მუშაობისა და სიბლანტის გასაუმჯობესებლად, უფრო რთულ გარემოში ადაპტაციისთვის.

ამგვარად, მკვლევარები, როგორც წესი, ირჩევენ სპეციფიკურ პოლიესტერებს მელნის თვისებებზე დაყრდნობით, იყენებენ შესაბამის პოლიმჟავებსა და პოლიოლებს თბოგამძლე პოლიესტერი პოლიოლების სინთეზირებისთვის, პოლარული ჯგუფების დანერგვით ძლიერი ადჰეზიით, ირჩევენ შესაფერის ნედლეულს პოლიურეთანის კრისტალურობის გასაუმჯობესებლად და შეერთების აგენტების გამოყენებით WPU წებოს გასაძლიერებლად. ტენიანობის და სითბოს წინააღმდეგობა.

3. წყლის წინააღმდეგობის მოდიფიკაცია

ვინაიდან მელანი ძირითადად გამოიყენება გარე შეფუთვაში და ხშირად ეკონტაქტება წყალს, წყლის ნაკლებმა წინააღმდეგობამ შეიძლება გამოიწვიოს სიხისტე, სიპრიალის და მელნის გახეხვა ან დაზიანებაც კი, რაც მნიშვნელოვნად იმოქმედებს შენახვის მუშაობაზე. WPU წყლის წინააღმდეგობის გაუმჯობესება აუმჯობესებს მელნის შენახვის ეფექტურობას პოლიოლების გამოყენებით კარგი წყალგამძლეობით მასალად. მაგალითად, WPU-ს შეცვლა აკრილის მონომერებით ან ეპოქსიდური ფისის შემცველობის კორექტირებამ შეიძლება გააუმჯობესოს მელნის წყლის წინააღმდეგობა.

სტანდარტული პოლიურეთანის ჩანაცვლებისთვის მაღალი წყალგამძლე პოლიმერების გამოყენების გარდა, მკვლევარები ხშირად ამატებენ ორგანულ ან არაორგანულ ნივთიერებებს სასურველი ეფექტის მისაღწევად. მაგალითად, ნანომასშტაბიანი სილიციუმის ფისში შეყვანა აძლიერებს წყლის წინააღმდეგობას და სიმტკიცეს, რაც ფართოდ გამოიყენება მელნის წარმოებაში. "ემულსიის კოპოლიმერიზაციის მეთოდი" ქმნის კომპოზიტურ PUA-ს წყლის წინააღმდეგობის გასაუმჯობესებლად, ხოლო ისეთი მეთოდები, როგორიცაა პოლიეთილენ გლიკოლის მონომეთილეთერის მოდიფიკაცია და აცეტონის სინთეზი ორგანოსილიციუმის მოდიფიცირებული WPU აძლიერებს წყლის წინააღმდეგობას.

4. მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობის მოდიფიკაცია

ზოგადად, WPU-ის მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობა შედარებით სუსტია, რაც ზღუდავს წყალზე დაფუძნებული მელნის სითბოს წინააღმდეგობას. პოლიეთერულ პოლიურეთანს, როგორც წესი, აქვს უკეთესი მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობა, ვიდრე პოლიესტერის პოლიურეთანები ორმაგი ბმების რაოდენობის გამო. გრძელი ჯაჭვის პოლიმერების ან ბენზოლის რგოლის ეთერების/ეთერების, როგორც პოლიმერიზაციის მონომერების დამატება, აუმჯობესებს პოლიმერის მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობას და, შესაბამისად, წყალზე დაფუძნებულ მელნის სითბოს წინააღმდეგობას. გარდა გრძელი ჯაჭვის პოლიეთერული პოლიურეთანის გამოყენებისა, ზოგიერთი გუნდი იყენებს კომპოზიციურ მასალებს სირთულის გასაზრდელად და მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობის გასაზრდელად. მაგალითად, ნანო კალის ოქსიდის ანტიმონის დამატება WPU-ში, რომელიც სინთეზირებულია DMPA-დან, პოლიეთერი 220-დან და IPDI-დან, მელნის ფენებს საშუალებას აძლევს შთანთქას სითბო, აუმჯობესებს მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობას. სილიციუმის აეროგელის დამატება პოლიურეთანში ასევე ამცირებს თბოგამტარობას და აძლიერებს მელნის სითბოს წინააღმდეგობას.

5. სტაბილურობის მოდიფიკაცია

WPU სტაბილურობა მნიშვნელოვნად მოქმედებს წყალზე დაფუძნებული მელნის შენახვის მუშაობაზე. წყლისა და მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობის გარდა, მოლეკულური წონა და სტრუქტურის მოწყობა გადამწყვეტია. პოლიესტერის ფისები ზოგადად უფრო სტაბილურია, ვიდრე პოლიეთერული ფისები მოლეკულურ სტრუქტურაში მეტი წყალბადის ბმების გამო. ეთერული ნივთიერებების დამატება შერეული პოლიურეთანის შესაქმნელად ზრდის სტაბილურობას, როგორიცაა იზოციანატის და სილანის დისპერსიის გამოყენება ორკომპონენტიანი WPU-ის შესაქმნელად გაუმჯობესებული სტაბილურობით და აბრაზიული წინააღმდეგობით. სითბურმა დამუშავებამ და გაგრილებამ ასევე შეიძლება შექმნას მეტი წყალბადის ბმა, გამკაცრდეს მოლეკულური განლაგება და გააძლიეროს WPU სტაბილურობა და წყალზე დაფუძნებული მელნის შენახვის ფუნქციონირება.

6. ადჰეზიის გაუმჯობესება

მიუხედავად იმისა, რომ WPU-ს ოპტიმიზაცია აუმჯობესებს წყლის წინააღმდეგობას, მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობას და სტაბილურობას, WPU-ები მაინც აჩვენებენ ცუდ ადჰეზიას პოლიეთილენის (PE) პლასტმასის პროდუქტებზე მოლეკულური წონისა და პოლარობის გამო. როგორც წესი, მსგავსი პოლარობის და მოლეკულური წონის პოლიმერები ან მონომერები ემატება WPU-ს გასაუმჯობესებლად და წყალზე დაფუძნებული მელნის გადაბმის გასაძლიერებლად არაპოლარულ მასალებთან. მაგალითად, WPU-ს თანაპოლიმერიზაცია პოლივინილ ქლორიდ-ჰიდროქსიეთილის აკრილატის ფისთან ერთად აუმჯობესებს წყალგამძლე ადჰეზიას მელნებსა და საფარებს შორის. WPU-ში აკრილის პოლიესტერის ფისის დამატება ქმნის უნიკალურ მოლეკულურ ბმულის სტრუქტურას, რაც მნიშვნელოვნად აძლიერებს WPU-ს ადჰეზიას. თუმცა, ამ მეთოდებმა შეიძლება გავლენა მოახდინოს ორიგინალური მელნის თვისებებზე, როგორიცაა სიპრიალის. ამიტომ, სამრეწველო ტექნიკა მკურნალობს მასალებს თვისებების შეცვლის გარეშე, მელნის ადჰეზიის გასაუმჯობესებლად, როგორიცაა ზედაპირების გააქტიურება ელექტროდებით ან ხანმოკლე ცეცხლთან დამუშავება ადსორბციის გაზრდის მიზნით.

• დასკვნა

ამჟამად წყალზე დაფუძნებული მელანები ფართოდ გამოიყენება საკვების შეფუთვაში, ფარმაცევტულ შეფუთვაში, სახელოსნოებში, წიგნებში და სხვა საფარებსა თუ ბეჭდვის პროგრამებში. თუმცა, მათი შესრულების თანდაყოლილი შეზღუდვები ზღუდავს უფრო ფართო აპლიკაციებს. გარემოსდაცვითი და უსაფრთხოების შესახებ ცნობიერების ამაღლებასთან ერთად გაუმჯობესებული ცხოვრების სტანდარტებით, წყალზე დაფუძნებული ეკოლოგიურად სუფთა მელანები, რომლებიც ამცირებენ VOC-ის ემისიებს, სულ უფრო მეტად ანაცვლებენ გამხსნელებზე დაფუძნებულ მელანებს, რაც გამოწვევას უქმნის გამხსნელებზე დაფუძნებულ მელნის ტრადიციულ ბაზრებს.

ამ კონტექსტში, მელნის მუშაობის გაუმჯობესება წყალზე დაფუძნებული ფისების, განსაკუთრებით წყალზე დაფუძნებული პოლიურეთანის მოდიფიცირებით, ისეთი ინოვაციური მეთოდებით, როგორიცაა ნანოტექნოლოგია და ორგანული და არაორგანული ნაერთების ჰიბრიდიზაცია, გადამწყვეტია წყალზე დაფუძნებული მელნის მომავალი განვითარებისთვის. აქედან გამომდინარე, საჭიროა შემდგომი ყოვლისმომცველი კვლევა ფისოვანი მოდიფიკაციების შესახებ, რათა გაზარდოს წყალზე დაფუძნებული მელნის მოქმედება უფრო ფართო გამოყენებისთვის.