Су негізіндегі сиялардың дамуын зерттеу және экологиялық таза су негізіндегі полиуретанды сияларды зерттеу

Ауаның ластануы ұзақ уақыт бойы басты алаңдаушылық туғызып келеді, өйткені шаңды дауыл сияқты табиғи құбылыстармен қатар, VOC сияқты улы газдар шығарындылары маңызды үлес қосады. Қоршаған ортаны қорғау туралы хабардарлық өскен сайын және әртүрлі ұлттық саясаттар жүзеге асырылған сайын, негізгі VOC эмитенті полиграфия өнеркәсібі сөзсіз реформаға тап болды. Тиісінше, экологиялық таза баспа бояулары жаһандық полиграфия өнеркәсібін зерттеудің басты нүктесі болды. Су негізіндегі сияларды, энергиямен емдейтін сияларды және өсімдік майы негізіндегі сияларды қоса алғанда, қол жетімді экологиялық таза сиялардың арасында су негізіндегі сиялар ең көп қолданылады. Су негізіндегі сияларда органикалық еріткіштердің аз үлесі бар, бұл VOC шығарындыларын азайтады және қоршаған ортаны қорғау принциптеріне сәйкес келеді. Дегенмен, су негізіндегі сиялардың баяу кептіру және қатаю уақыты, су мен сілтіге төзімділігі нашар сияқты кемшіліктері бар, бұл олардың дәстүрлі өнеркәсіптік сияларда қолданылуын шектейді. Осылайша, шайырды модификациялау арқылы осы әлсіздіктерді жақсарту маңызды бағытқа айналды. Бұл жұмыста су негізіндегі бояуларды әзірлеу және қолдану, шайыр модификацияларын зерттеу, су негізіндегі полиуретанды қолданып басып шығару сиялары бойынша зерттеулердегі прогресс және осы саладағы болашақ перспективалар көрсетілген.

• Эксперименттік

1. Су негізіндегі бояуларды әзірлеу

Сиялардың басып шығару өнертабыстарымен қатар пайда болған ұзақ тарихы бар. 1900 жылы Lithol Red Pigment енгізілгеннен кейін сиялар кеңінен таралып, елдерді сияны зерттеуге инвестициялауға итермеледі. Су негізіндегі сиялар - бұл сияны қолдану мүмкіндігіне қойылатын жоғары талаптардың нәтижесінде алынған туынды. Су негізіндегі бояулар бойынша зерттеулер 1960 жылдары шетелде басталды, ең алдымен басып шығару жылдамдығын жылдамдату және мұнай негізіндегі шикізатқа тәуелділікті азайту үшін. Бұл сиялар сол кездегі басып шығару қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін негізгі материалдар ретінде бензолдар мен шеллак немесе натрий лигносульфонаты сияқты органикалық қосылыстарды пайдаланды. 1970 жылдары зерттеушілер акрил мономерлерін стиролмен полимерлеу арқылы, қоршаған орта талаптарын қанағаттандыра отырып, бояулардың жылтырлығы мен суға төзімділігін сақтай отырып, өзегі және желілік құрылымы бар полимер эмульсиялы шайырды жасады. Дегенмен, қоршаған ортаны қорғау туралы хабардар болу және қатаң экологиялық заңдар қабылданған сайын сиялардағы бензол негізіндегі органикалық заттардың үлесі азайды. 1980 жылдарға қарай Батыс Еуропа елдері «жасыл сиямен басып шығару» және «жаңа су негізіндегі сиямен басып шығару» ұғымдары мен технологияларын енгізді.

Қытайдың сия өнеркәсібі Цин династиясының соңында валюта өндіруден басталды, 1975 жылға дейін импорттық сияларға сүйенді, бұл кезде Тяньцзинь сия зауыты мен Гангу сия зауыты отандық су негізіндегі гравюралық бояуды жасап шығарды. 1990 жылдарға қарай Қытай су негізіндегі сияларды қолдануды жылдам дамыта отырып, 100-ден астам флексо басып шығару өндірісін импорттады. 2003 жылы Қытайдың өнеркәсіптік технологиялар ғылыми-зерттеу институты тиісті өнімдерді сәтті әзірледі, ал 2004 жылдың басында Shanghai Meide компаниясы жапон және неміс стандарттарына сәйкес келетін толығымен су негізіндегі, төмен температурада термореактивті сия шығарды. Қытайдың су негізіндегі бояулар бойынша зерттеулері 21 ғасырдың басында қарқынды дамып келе жатқанына қарамастан, Батыс елдері қазірдің өзінде айтарлықтай прогреске қол жеткізді: АҚШ-тағы флексо өнімдерінің шамамен 95% және гравюралық өнімдердің 80% -ы су негізіндегі бояуларды пайдаланды, ал Ұлыбритания және Жапония тамақ пен фармацевтикалық қаптамаға арналған су негізіндегі сияларды қабылдады. Салыстырмалы түрде Қытайдың дамуы баяу болды.

Нарықты одан әрі ілгерілету үшін Қытай 2007 жылдың мамыр айында бірінші су негізіндегі сия стандартын енгізді және 2011 жылы еріткіш негізіндегі сияларды су негізіндегі сиялармен алмастыруды мақсат етіп, «жасыл инновацияны дамытуды» жақтады. 2016 жылғы «13-ші бесжылдықта» полиграфия өнеркәсібінде «су негізіндегі экологиялық материалдарды зерттеу» және «жасыл басып шығару» басты назарда болды. 2020 жылға қарай жасыл және цифрлық басып шығаруды ұлттық жылжыту су негізіндегі сия нарығын кеңейтті.

2. Су негізіндегі бояуларды қолдану

20 ғасырдың басында Америка Құрама Штаттары алғаш рет флексо басып шығаруда су негізіндегі бояуларды қолданды. 1970 жылдары жоғары сапалы су негізіндегі гравюралық бояулар әртүрлі орау қағаздары, қалың кітап сөрелері және картон үшін кеңінен қолданылды. 1980 жылдары жылтыр және күңгірт экранды басып шығаруға арналған су негізіндегі сиялар шетелде әзірленіп, олардың матаға, қағазға, ПВХ, полистирол, алюминий фольга және металдарға қолданылуын кеңейтті. Қазіргі уақытта экологиялық таза, улы емес және қауіпсіз сипаттамаларына байланысты су негізіндегі сиялар негізінен темекі қаптамасы мен сусын бөтелкелері сияқты тамақ өнімдерін басып шығаруда қолданылады. Қоршаған ортаны қорғау заңдары жақсарған сайын, су негізіндегі сияларды қолдану әртараптандырылуын және күшеюін жалғастыруда. Қытай да оларды баспа өнеркәсібінде қолдануды біртіндеп дамытып келеді.

• Нәтижелер мен пікірталас

1. Шайырды модификациялау бойынша зерттеулер

Сияның өнімділігіне шайыр айырмашылығы әсер етеді. Әдетте, су негізіндегі сия шайырлары әдетте полиуретан, модификацияланған акрил эмульсиялары немесе полиакрилді шайырлар болып табылады. Жылтырлығы жоғары су негізіндегі полиуретанды (WPU) шайырлар орауыш басып шығаруда кеңінен қолданылады. Осылайша, су негізіндегі сияның қоршаған ортаға зиянсыздығы мен жылтырлығын жақсарту үшін WPU өнімділігін арттыру полиграфия өнеркәсібінде басты назарға айналды.

2. Су негізіндегі полиуретанды модификациялау

Төмен молекулалық салмақты полиолдардан тұратын су негізіндегі полиуретандар полиэфир, полиэфир және гибридті түрлерге жіктелуі мүмкін. Полиэфир және полиэфир полимерлерінің әртүрлі қасиеттеріне байланысты олардың беріктігі мен тұрақтылығы әртүрлі. Әдетте полиэфирлі полиуретандар полиэфирлі полиуретандарға қарағанда беріктігі мен тұрақтылығы төмен, бірақ жоғары температураға жақсы төзімділік көрсетеді және гидролизге аз бейім. Мысалы, полиэтиленгликоль монометил эфирін қолдану арқылы сияның «консистенциясын» арттыру оның төзімділік сипаттамаларын жақсартады. Дегенмен, бұл тек анықтамалық нүкте. Әртүрлі ғылыми-зерттеу институттары WPU-ның нақты аспектілерін жақсарту үшін әртүрлі әдістерді қолданады.

Мысалы, 2010 жылы сия тұтқырлығы мен адгезия мәселелерін шешу үшін қаттылығы мен соққыға төзімділігі жоғары эпоксидті шайырлар таңдалды, осылайша сия беріктігін арттырады. 2006 жылы Бейжің химиялық университеті жариялаған зерттеуде этиленгликоль негізіндегі полиуретанды ұзақ жұмсақ сегменті бар арнайы шайыр жасау үшін қолданылған, сия икемділігін жақсартып, су негізіндегі сияны жанама түрде күшейтті. Кейбір командалар химиялық заттарды қосу арқылы өзгерту нәтижелеріне қол жеткізеді: WPU жақсарту үшін кремний диоксиді немесе кремний органикалық қосылысы, нәтижесінде сия созылу беріктігі артады. Карбоксилмен аяқталатын бутадиен нитрилді полиуретан сияны иілу өнімділігі мен тұтқырлығын жақсарту, күрделірек орталарға бейімделу үшін қолданылады.

Осылайша, зерттеушілер әдетте сия қасиеттеріне негізделген арнайы полиэфирлерді таңдайды, ыстыққа төзімді полиэфир полиолдарын синтездеу үшін сәйкес полиқышқылдар мен полиолдарды пайдаланады, күшті адгезиясы бар полярлық топтарды енгізеді, полиуретанды кристалдылығын жақсарту үшін қолайлы шикізатты таңдайды және WPU желімінің әсерін жақсарту үшін байланыстырушы агенттерді пайдаланады. ылғал мен ыстыққа төзімділік.

3. Суға төзімділіктің модификациясы

Сия негізінен сыртқы орауыш үшін пайдаланылатындықтан және суға жиі тиетіндіктен, суға төзімділіктің нашарлығы қаттылықтың, жылтырдың төмендеуіне және тіпті сия қабығын кетіруге немесе зақымдауға әкелуі мүмкін, бұл сақтау өнімділігіне айтарлықтай әсер етеді. WPU суға төзімділігін жақсарту материал ретінде жақсы суға төзімді полиолдарды пайдалану арқылы сияны сақтау өнімділігін арттырады. Мысалы, WPU-ны акрил мономерлерімен өзгерту немесе эпоксидті шайырдың мазмұнын реттеу сия суға төзімділігін арттыруы мүмкін.

Стандартты полиуретанды ауыстыру үшін суға төзімділігі жоғары полимерлерді пайдаланудан басқа, зерттеушілер қажетті әсерге жету үшін жиі органикалық немесе бейорганикалық заттарды қосады. Мысалы, наносөлшемді кремнеземді шайырға қосу суға төзімділік пен беріктікті арттырады, бұл сия өндірісінде кеңінен қолданылатын әдіс. «Эмульсиялық сополимерлеу әдісі» суға төзімділікті жақсарту үшін композиттік PUA жасайды, ал полиэтиленгликоль монометил эфирін өзгерту және кремнийорганикалық түрлендірілген WPU ацетон синтезі сияқты әдістер суға төзімділікті арттырады.

4. Жоғары температураға төзімділікті өзгерту

Жалпы, WPU жоғары температураға төзімділігі салыстырмалы түрде әлсіз, бұл су негізіндегі сияның ыстыққа төзімділігін шектейді. Полиэфирлі полиуретандар әдетте қос байланыстардың санына байланысты полиэфирлі полиуретандарға қарағанда жоғары температураға жақсы төзімділікке ие. Полимерлеу мономерлері ретінде ұзын тізбекті полимерлерді немесе бензол сақинасының күрделі эфирлерін/эфирлерін қосу полимердің жоғары температураға төзімділігін және, тиісінше, су негізіндегі сияға ыстыққа төзімділігін жақсартады. Ұзын тізбекті полиэфирлі полиуретанды пайдаланудан басқа, кейбір командалар күрделілікті арттыру және жоғары температураға төзімділікті арттыру үшін композиттік материалдарды пайдаланады. Мысалы, DMPA, полиэтер 220 және IPDI-дан синтезделген WPU-ға нано қалайы оксиді сурьмасын қосу сия қабаттарының жылуды сіңіруіне мүмкіндік береді, бұл жоғары температураға төзімділікті жақсартады. Полиуретанды кремний диоксиді аэрогельді қосу сонымен қатар жылу өткізгіштігін төмендетеді және сияның ыстыққа төзімділігін арттырады.

5. Тұрақтылық модификациясы

WPU тұрақтылығы су негізіндегі сияны сақтау өнімділігіне айтарлықтай әсер етеді. Суға және жоғары температураға төзімділіктен басқа, молекулалық салмақ пен құрылымның орналасуы өте маңызды. Полиэфирлі шайырлар, әдетте, молекулалық құрылымдағы сутектік байланыстардың көп болуына байланысты полиэфирлік шайырларға қарағанда тұрақтырақ. Аралас полиуретандар түзу үшін күрделі эфир заттарын қосу тұрақтылықты арттырады, мысалы изоцианат пен силан дисперсиясын пайдалану тұрақтылығы мен тозуға төзімділігі жоғары қос компонентті WPU жасау. Термиялық өңдеу және салқындату молекулалық орналасуды қатайтып, WPU тұрақтылығын және су негізіндегі сияны сақтау өнімділігін арттыра отырып, көбірек сутегі байланыстарын жасай алады.

6. Адгезияны жақсарту

WPU оңтайландыру суға төзімділікті, жоғары температураға төзімділікті және тұрақтылықты жақсартқанымен, WPU молекулалық салмағы мен полярлығына байланысты полиэтиленді (PE) пластмасса бұйымдарына нашар адгезия көрсетеді. Әдетте, ұқсас полярлық және молекулалық салмақ полимерлер немесе мономерлер WPU жақсарту және полярлы емес материалдарға су негізіндегі сия адгезиясын жақсарту үшін қосылады. Мысалы, поливинилхлорид-гидроксиэтилакрилат шайырымен бірге полимерленген WPU бояулар мен жабындар арасындағы су өткізбейтін адгезияны жақсартады. WPU-ға акрилді полиэфирлі шайыр қосу WPU адгезиясын айтарлықтай арттыра отырып, бірегей молекулалық байланыс құрылымын жасайды. Дегенмен, бұл әдістер жылтырлық сияқты түпнұсқа сия қасиеттеріне әсер етуі мүмкін. Сондықтан өнеркәсіптік әдістер сия адгезиясын жақсарту үшін сипаттарды өзгертпей материалдарды өңдейді, мысалы, электродтармен беттерді белсендіру немесе адсорбцияны арттыру үшін қысқа мерзімді жалынмен өңдеу.

• Қорытынды

Қазіргі уақытта су негізіндегі бояулар тамақ өнімдерінде, фармацевтикалық қаптамада, шеберханаларда, кітаптарда және басқа жабындарда немесе басып шығаруда кеңінен қолданылады. Дегенмен, олардың тән өнімділік шектеулері кеңірек қолданбаларды шектейді. Өмір сүру деңгейінің жоғарылауымен қоршаған ортаны қорғау және қауіпсіздік туралы хабардар болу өскен сайын, VOC шығарындыларын азайтатын су негізіндегі экологиялық таза сиялар еріткіш негізіндегі сияларды көбірек ауыстырып, дәстүрлі еріткіш негізіндегі сия нарықтарын қиындатады.

Осы тұрғыда су негізіндегі шайырларды, әсіресе су негізіндегі полиуретанды нанотехнология және органикалық және бейорганикалық қосылыстарды будандастыру сияқты инновациялық әдістер арқылы модификациялау арқылы сия өнімділігін арттыру болашақ су негізіндегі сияны дамыту үшін өте маңызды. Сондықтан кеңірек қолданбалар үшін су негізіндегі сия өнімділігін арттыру үшін шайыр модификациялары бойынша әрі қарай кешенді зерттеулер қажет.