수성잉크 개발 탐구 및 친환경 수성 폴리우레탄 잉크 연구

대기 오염은 오랫동안 주요 관심사였으며, VOC와 같은 독성 가스 배출은 먼지 폭풍과 같은 자연 현상과 함께 중요한 원인이 되었습니다. 환경 보호에 대한 인식이 높아지고 다양한 국가 정책이 시행되면서 VOC의 주요 배출원인 인쇄 산업은 불가피한 개혁을 맞이하게 되었습니다. 이에 따라 친환경 인쇄잉크는 글로벌 인쇄산업 연구의 화두가 되고 있다. 수성잉크, 에너지경화형 잉크, 식물성 기름계 잉크 등 친환경 잉크 중 수성잉크가 가장 널리 사용되고 있습니다. 수성 잉크에는 유기 용제의 비율이 낮아서 VOC 배출을 줄이고 환경 보호 원칙에 부합합니다. 그러나 수성 잉크는 느린 건조 및 경화 시간, 열악한 물 및 알칼리 저항성 등의 단점도 있어 기존 산업용 잉크에서의 적용이 제한됩니다. 따라서 수지 개질을 통해 이러한 약점을 개선하는 것이 중요한 초점이 되었습니다. 이 논문에서는 수성 잉크의 개발 및 응용, 수지 개질 연구, 수성 폴리우레탄을 사용한 인쇄 잉크 연구 진행 상황 및 이 분야의 미래 전망을 개괄적으로 설명합니다.

• 실험적

1. 수성 잉크 개발

잉크는 인쇄의 발명과 함께 등장하면서 오랜 역사를 가지고 있습니다. 1900년 리톨 레드 안료가 도입된 이후 잉크가 널리 보급되면서 각국에서는 잉크 연구에 투자하게 되었습니다. 수성 잉크는 잉크 실용성에 대한 높은 요구로 인해 파생된 것입니다. 수성 잉크에 대한 연구는 주로 인쇄 속도를 높이고 석유 기반 원료에 대한 의존도를 줄이기 위해 1960년대 해외에서 시작되었습니다. 이들 잉크는 당시 인쇄 수요에 맞춰 벤젠, 셸락, 리그노술폰산나트륨 등의 유기화합물을 주재료로 사용했다. 1970년대 연구자들은 아크릴계 단량체를 스티렌과 중합하여 코어-쉘 및 네트워크 구조를 갖는 고분자 에멀전 수지를 개발했으며, 환경 요구 사항을 충족하면서 잉크의 광택과 내수성을 유지했습니다. 그러나 환경에 대한 인식이 높아지고 환경법이 강화되면서 잉크 내 벤젠계 유기물 함량이 줄어들었습니다. 1980년대에 이르러 서유럽 국가들은 '친환경 잉크 인쇄'와 '신수성 잉크 인쇄'라는 개념과 기술을 도입했습니다.

중국의 잉크 산업은 청나라 말기 화폐 생산으로 시작되었으며, 1975년까지 수입 잉크에 크게 의존했습니다. 1975년 천진 잉크 공장과 간우 잉크 공장이 국내 최초의 수성 그라비아 잉크를 개발 및 생산했습니다. 1990년대까지 중국은 100개 이상의 플렉소 인쇄 생산 라인을 수입하여 수성 잉크 사용을 빠르게 발전시켰습니다. 2003년 중국 산업 기술 연구소는 관련 제품을 성공적으로 개발했으며, 2004년 초 Shanghai Meide Company는 일본과 독일 표준을 충족하는 완전 수성 저온 열경화성 잉크를 생산했습니다. 중국의 수성 잉크에 대한 연구는 21세기 초반에 급속한 발전을 이루었지만 서구 국가들은 이미 상당한 진전을 이루었습니다. 미국에서는 플렉소 제품의 약 95%, 그라비아 제품의 80%가 수성 잉크를 사용한 반면, 영국에서는 일본은 식품 및 의약품 포장에 수성 잉크를 채택했습니다. 이에 비해 중국의 발전 속도는 더뎠다.

시장을 더욱 촉진하기 위해 중국은 2007년 5월 최초의 수성 잉크 표준을 도입했으며 2011년에는 용제형 잉크를 수성 잉크로 대체하는 것을 목표로 하는 "녹색 혁신 개발"을 주창했습니다. 2016년 인쇄산업 '13차 5개년 계획'에서는 '수성 환경소재 연구'와 '그린 프린팅'을 중점적으로 다루었습니다. 2020년까지 친환경 및 디지털 인쇄에 대한 전국적인 홍보로 수성 잉크 시장이 확대되었습니다.

2. 수성 잉크의 응용

20세기 초 미국은 플렉소 인쇄에 수성 잉크를 처음으로 적용했습니다. 1970년대에는 고품질의 수성 그라비아 잉크가 각종 포장지, 두꺼운 책장, 판지 등에 널리 사용되었습니다. 1980년대에는 광택 및 무광택 스크린 인쇄 수성 잉크가 해외에서 개발되어 직물, 종이, PVC, 폴리스티렌, 알루미늄 호일 및 금속으로 적용 범위가 확대되었습니다. 현재 수성잉크는 친환경적이고 무독성이며 안전한 특성으로 인해 담배 포장, 음료수 병 등 식품 포장 인쇄에 주로 사용됩니다. 환경법이 개선됨에 따라 수성 잉크의 적용이 계속해서 다양해지고 강화되고 있습니다. 중국은 또한 인쇄 산업에서의 사용을 점진적으로 장려하고 있습니다.

• 결과 및 토론

1. 수지 개질 연구

잉크 성능은 수지의 차이에 따라 영향을 받습니다. 일반적으로 수성 잉크 수지는 일반적으로 폴리우레탄, 변성 아크릴 에멀젼 또는 폴리아크릴 수지입니다. 광택이 뛰어난 수성 폴리우레탄(WPU) 수지는 포장 인쇄에 널리 사용됩니다. 따라서 수성잉크의 친환경성과 광택성을 향상시키기 위한 WPU 성능 향상이 인쇄업계의 화두가 되었습니다.

2. 수성 폴리우레탄 수정

저분자 폴리올로 구성된 수성 폴리우레탄은 폴리에스터형, 폴리에테르형, 하이브리드형으로 분류됩니다. 폴리에스터와 폴리에테르 폴리머의 다양한 특성에 따라 강도와 안정성이 다릅니다. 일반적으로 폴리에테르 폴리우레탄은 폴리에스터 폴리우레탄보다 강도와 안정성이 낮지만 고온 저항성이 우수하고 가수분해 경향이 적습니다. 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르를 사용하여 잉크의 "일관성"을 높이면 내성 특성이 향상됩니다. 그러나 이는 단지 참고사항일 뿐입니다. 다양한 연구 기관에서는 WPU의 특정 측면을 향상시키기 위해 다양한 방법을 채택합니다.

일례로 2010년에는 잉크 점도 및 접착성 문제를 해결하기 위해 인성과 충격강도가 높은 에폭시 수지를 선택해 잉크 강도를 향상시켰습니다. 2006년 베이징화학대학에서 발표한 연구에서는 에틸렌 글리콜 기반 폴리우레탄을 사용하여 길고 부드러운 세그먼트를 가진 특수 수지를 형성하여 잉크 유연성을 향상시키고 간접적으로 수성 잉크를 강화했습니다. 일부 팀은 화학 물질을 추가하여 수정 결과를 얻었습니다. 실리카 또는 유기 규소를 통합하여 WPU를 개선하여 잉크 인장 강도를 향상시켰습니다. 카르복실 말단 부타디엔 니트릴 폴리우레탄은 보다 복잡한 환경에 적응하면서 잉크 굽힘 성능과 점도를 향상시키는 데 사용됩니다.

따라서 연구자들은 일반적으로 잉크 특성에 따라 특정 폴리에스터를 선택하고, 적절한 폴리산과 폴리올을 활용하여 내열성 폴리에스터 폴리올을 합성하고, 접착력이 강한 극성기를 도입하고, 폴리우레탄 결정성을 향상시키기 위해 적합한 원료를 선택하고, WPU 접착제의 강화를 위해 커플링제를 사용합니다. 습기와 내열성.

3. 방수 수정

잉크는 주로 겉포장재로 사용되며 물과 접촉하는 경우가 많기 때문에 내수성이 떨어지면 경도와 광택이 떨어지고 심지어 잉크가 벗겨지거나 손상되어 보관 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. WPU 내수성 향상은 내수성이 좋은 폴리올을 소재로 사용하여 잉크 저장 성능을 향상시킵니다. 예를 들어 WPU를 아크릴 모노머로 변경하거나 에폭시 수지 함량을 조정하면 잉크 내수성을 향상시킬 수 있습니다.

표준 폴리우레탄을 대체하기 위해 높은 내수성 폴리머를 사용하는 것 외에도 연구자들은 원하는 효과를 얻기 위해 유기 또는 무기 물질을 추가하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 나노 스케일의 실리카를 수지에 첨가하면 내수성과 강도가 향상되는데, 이는 잉크 생산에 널리 사용되는 방법입니다. "에멀젼 공중합법"은 복합 PUA를 생성하여 내수성을 향상시키는 반면, 폴리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 개질 및 유기 규소 개질 WPU의 아세톤 합성과 같은 방법은 내수성을 향상시킵니다.

4. 고온 저항 수정

일반적으로 WPU의 고온 저항은 상대적으로 약하여 수성 잉크의 내열성이 제한됩니다. 폴리에테르 폴리우레탄은 일반적으로 이중 결합의 수로 인해 폴리에스테르 폴리우레탄보다 고온 저항성이 더 좋습니다. 장쇄 폴리머 또는 벤젠 고리 에스테르/에테르를 중합 모노머로 첨가하면 폴리머의 고온 저항성이 향상되고 결과적으로 수성 잉크 내열성이 향상됩니다. 장쇄 폴리에테르 폴리우레탄을 사용하는 것 외에도 일부 팀은 복합 재료를 사용하여 복잡성을 높이고 고온 저항을 향상시킵니다. 예를 들어, DMPA, 폴리에테르 220, IPDI로 합성된 WPU에 나노 주석 산화물 안티몬을 첨가하면 잉크 층이 열을 흡수하여 고온 저항이 향상됩니다. 폴리우레탄에 실리카 에어로겔을 첨가하면 열전도율도 감소하고 잉크 내열성은 향상됩니다.

5. 안정성 수정

WPU 안정성은 수성 잉크 저장 성능에 큰 영향을 미칩니다. 내수성과 고온 저항 외에도 분자량과 구조 배열이 중요합니다. 폴리에스테르 수지는 일반적으로 분자 구조에 더 많은 수소 결합이 있기 때문에 폴리에테르 수지보다 더 안정적입니다. 혼합 폴리우레탄을 형성하기 위해 에스테르 물질을 첨가하면 이소시아네이트와 실란 분산액을 사용하여 안정성과 내마모성이 향상된 이중 성분 WPU를 만드는 등 안정성이 증가합니다. 열처리 및 냉각은 또한 더 많은 수소 결합을 생성하여 분자 배열을 강화하고 WPU 안정성과 수성 잉크 저장 성능을 향상시킬 수 있습니다.

6. 접착력 향상

WPU를 최적화하면 내수성, 고온 저항성, 안정성이 향상되지만 WPU는 분자량과 극성으로 인해 폴리에틸렌(PE) 플라스틱 제품에 대한 접착력이 여전히 좋지 않습니다. 일반적으로 유사한 극성 및 분자량의 폴리머 또는 모노머를 첨가하여 WPU를 개선하고 비극성 재료에 대한 수성 잉크 접착력을 향상시킵니다. 예를 들어 폴리염화비닐-히드록시에틸 아크릴레이트 수지와 WPU를 공중합하면 잉크와 코팅제 사이의 방수 접착력이 향상됩니다. WPU에 아크릴 폴리에스테르 수지를 첨가하면 독특한 분자 연결 구조가 생성되어 WPU 접착력이 크게 향상됩니다. 그러나 이러한 방법은 광택과 같은 원래 잉크 속성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 산업 기술은 전극으로 표면을 활성화하거나 흡착을 증가시키기 위한 단기 화염 처리와 같이 잉크 접착력을 향상시키기 위해 특성을 변경하지 않고 재료를 처리합니다.

• 결론

현재 수성 잉크는 식품 포장, 의약품 포장, 작업장, 서적 및 기타 코팅이나 인쇄 응용 분야에 널리 사용됩니다. 그러나 고유한 성능 제한으로 인해 더 광범위한 응용 프로그램이 제한됩니다. 생활 수준이 향상되면서 환경 및 안전에 대한 인식이 높아짐에 따라 VOC 배출을 줄이는 수성 친환경 잉크가 점점 더 용제형 잉크를 대체하고 있으며 전통적인 용제형 잉크 시장에 도전하고 있습니다.

이러한 맥락에서 나노기술과 유기 및 무기 화합물의 혼성화와 같은 혁신적인 방법을 통해 수성 수지, 특히 수성 폴리우레탄을 변형하여 잉크 성능을 향상시키는 것이 미래의 수성 잉크 개발에 매우 ​​중요합니다. 따라서 더 넓은 응용 분야에서 수성 잉크 성능을 향상시키기 위해서는 수지 변형에 대한 더욱 포괄적인 연구가 필요합니다.