Vandens rašalo kūrimo ir ekologiškų vandens pagrindo poliuretano rašalo tyrimas

Oro tarša jau seniai kėlė didelį susirūpinimą, nes toksiškų dujų, tokių kaip LOJ, išmetimas yra reikšmingas veiksnys šalia gamtos reiškinių, tokių kaip dulkių audros. Augant supratimui apie aplinkos apsaugą ir įgyvendinant įvairias nacionalines politikos kryptis, spausdinimo pramonė, kuri yra pagrindinė LOJ emisija, susidūrė su neišvengiama reforma. Todėl aplinkai nekenksmingi spausdinimo dažai tapo pagrindiniu pasaulinių spausdinimo pramonės tyrimų tašku. Tarp turimų ekologiškų rašalų, įskaitant vandens pagrindo rašalus, energetiškai kietėjančius rašalus ir augalinio aliejaus rašalus, plačiausiai naudojami vandens pagrindo rašalai. Vandens pagrindo rašaluose yra mažesnė organinių tirpiklių dalis, todėl sumažėja LOJ emisija ir laikomasi aplinkos apsaugos principų. Tačiau vandens pagrindu pagaminti rašalai taip pat turi trūkumų, tokių kaip lėtas džiūvimo ir kietėjimo laikas, prastas atsparumas vandeniui ir šarmams, o tai riboja jų naudojimą tradiciniuose pramoniniuose rašaluose. Taigi, šių trūkumų gerinimas modifikuojant dervą tapo svarbiu akcentu. Šiame darbe aprašomas vandens pagrindo dažų kūrimas ir taikymas, dervos modifikacijų tyrimas, spausdinimo dažų, naudojant vandens pagrindo poliuretanus, tyrimų pažanga ir šios srities ateities perspektyvos.

• Eksperimentinis

1. Vandens pagrindo rašalo kūrimas

Rašalai turi ilgą istoriją, atsirandančią kartu su spausdinimo išradimu. 1900 m. pradėjus naudoti Lithol Red Pigment, rašalas paplito, todėl šalys investavo į rašalo tyrimus. Vandens pagrindo rašalas yra darinys, atsirandantis dėl didesnių rašalo praktiškumo reikalavimų. Vandens rašalo tyrimai užsienyje pradėti septintajame dešimtmetyje, visų pirma siekiant pagreitinti spausdinimo greitį ir sumažinti priklausomybę nuo naftos žaliavų. Šiuose rašaluose kaip pagrindinės medžiagos buvo naudojami organiniai junginiai, tokie kaip benzenas ir šelakas arba natrio lignosulfonatas, kad atitiktų to meto spausdinimo poreikius. Aštuntajame dešimtmetyje mokslininkai sukūrė polimerinę emulsinę dervą su šerdies apvalkalu ir tinklo struktūra, polimerizuodami akrilo monomerus su stirenu, išlaikydami rašalo blizgesį ir atsparumą vandeniui, kartu laikantis aplinkosaugos reikalavimų. Tačiau didėjant aplinkosauginiam sąmoningumui ir priimant griežtesnius aplinkosaugos įstatymus, benzeno pagrindu pagamintų organinių medžiagų dalis rašaluose sumažėjo. Devintajame dešimtmetyje Vakarų Europos šalys pristatė „žaliojo rašalo spausdinimo“ ir „naujojo vandens pagrindo rašalo spausdinimo“ sąvokas ir technologijas.

Kinijos rašalo pramonė prasidėjo vėlyvosios Čing dinastijos laikais, gaminant valiutą, kuri labai priklausė nuo importuotų rašalų iki 1975 m., kai Tianjin Ink Factory ir Gangu Ink Factory sukūrė ir pagamino pirmąjį vietinį vandens pagrindo giliaspaudės rašalą. Iki 1990-ųjų Kinija importavo daugiau nei 100 flekso spausdinimo gamybos linijų, sparčiai plėtodama vandens pagrindo rašalo naudojimą. 2003 m. Kinijos pramonės technologijų tyrimų institutas sėkmingai sukūrė susijusius produktus, o 2004 m. pradžioje Šanchajaus Meide Company pagamino visiškai vandens pagrindu pagamintą žemoje temperatūroje termoreaktyvų rašalą, atitinkantį Japonijos ir Vokietijos standartus. Nors Kinijos vandens pagrindo rašalo tyrimai sparčiai vystėsi XXI amžiaus pradžioje, Vakarų šalys jau padarė didelę pažangą: apie 95 % flekso gaminių ir 80 % giliaspaudės gaminių JAV naudojo vandens pagrindu pagamintus rašalus, o JK. ir Japonija priėmė vandens pagrindu pagamintus rašalus maisto ir vaistų pakavimui. Palyginti, Kinijos vystymasis buvo lėtesnis.

Siekdama toliau skatinti rinką, Kinija 2007 m. gegužės mėn. pristatė pirmąjį vandens pagrindo rašalo standartą, o 2011 m. pasisakė už „žaliųjų inovacijų plėtrą“, siekdama pakeisti tirpiklių pagrindu pagamintus rašalus vandens pagrindu pagamintais rašalais. 2016 m. spausdinimo pramonės „13-ajame penkerių metų plane“ pagrindinis dėmesys buvo skiriamas „vandens pagrindu pagamintų aplinkosauginių medžiagų tyrimams“ ir „žaliajam spausdinimui“. Iki 2020 m. nacionalinis žaliojo ir skaitmeninio spausdinimo skatinimas išplėtė vandens rašalo rinką.

2. Vandeninio rašalo naudojimas

XX amžiaus pradžioje Jungtinės Valstijos pirmą kartą panaudojo vandens pagrindu pagamintus dažus flekso spaudoje. Aštuntajame dešimtmetyje aukštos kokybės vandens pagrindo giliaspaudės rašalai buvo plačiai naudojami įvairiems pakavimo popieriams, storoms knygų lentynoms ir kartonui. Devintajame dešimtmetyje užsienyje buvo sukurti blizgūs ir matiniai šilkografijos vandens pagrindo rašalai, išplėtę jų pritaikymą audiniams, popieriui, PVC, polistirenui, aliuminio folijai ir metalams. Šiuo metu vandens pagrindu pagaminti rašalai dėl savo ekologiškų, netoksiškų ir saugių savybių daugiausia naudojami maisto pakuočių spausdinimui, pavyzdžiui, tabako pakuotėms ir gėrimų buteliams. Tobulėjant aplinkosaugos įstatymams, vandens pagrindo rašalo naudojimas vis įvairėja ir intensyvėja. Kinija taip pat palaipsniui skatina jų naudojimą spausdinimo pramonėje.

• Rezultatai ir DISKUSIJA

1. Dervos modifikacijų tyrimai

Rašalo veikimui įtakos turi dervos skirtumai. Paprastai vandens pagrindu pagamintos rašalo dervos paprastai yra poliuretano, modifikuotos akrilo emulsijos arba poliakrilo dervos. Vandens pagrindu pagamintos poliuretano (WPU) dervos, pasižyminčios puikiu blizgesiu, plačiai naudojamos pakuočių spausdinimui. Taigi, WPU našumo didinimas, siekiant pagerinti vandens pagrindu pagaminto rašalo ekologiškumą ir blizgesį, tapo spausdinimo pramonės akcentu.

2. Modifikuojamas vandens pagrindu pagamintas poliuretanas

Vandens pagrindu pagaminti poliuretanai, sudaryti iš mažos molekulinės masės poliolių, gali būti skirstomi į poliesterio, polieterio ir hibridinius tipus. Atsižvelgiant į skirtingas poliesterio ir polieterio polimerų savybes, skiriasi jų stiprumas ir stabilumas. Paprastai polieterio poliuretanai turi mažesnį stiprumą ir stabilumą nei poliesterio poliuretanai, tačiau pasižymi geresniu atsparumu aukštai temperatūrai ir yra mažiau linkę hidrolizei. Pavyzdžiui, padidinus rašalo „konsistenciją“ naudojant polietilenglikolio monometilo eterį, pagerėja jo toleravimo charakteristikos. Tačiau tai tik atskaitos taškas. Įvairūs tyrimų institutai taiko skirtingus metodus, kad pagerintų specifinius WPU aspektus.

Pavyzdžiui, 2010 m. buvo pasirinktos didelio kietumo ir atsparumo smūgiams epoksidinės dervos, kad būtų išspręstos rašalo klampumo ir sukibimo problemos, taip padidinant rašalo stiprumą. 2006 m. Pekino chemijos universiteto paskelbtame tyrime buvo naudojamas etilenglikolio pagrindu pagamintas poliuretanas, kad būtų suformuota speciali derva su ilgu minkštu segmentu, pagerinanti rašalo lankstumą ir netiesiogiai sustiprinanti vandens pagrindu pagamintą rašalą. Kai kurios komandos pasiekia modifikavimo rezultatų pridedant cheminių medžiagų: įdedant silicio dioksido arba organinio silicio, kad pagerintų WPU, o tai padidina rašalo atsparumą tempimui. Karboksilo galą turintis butadieno nitrilo poliuretanas naudojamas rašalo lenkimo efektyvumui ir klampumui pagerinti, prisitaikant prie sudėtingesnės aplinkos.

Taigi, tyrėjai paprastai atrenka konkrečius poliesterius pagal rašalo savybes, naudodami atitinkamas polirūgštis ir poliolius karščiui atspariems poliesterio polioliams sintetinti, įvesdami stiprias sukibimo polines grupes, parinkdami tinkamas žaliavas, kad pagerintų poliuretano kristališkumą, ir naudodami jungiamąsias medžiagas, kad pagerintų WPU klijų kokybę. atsparumas drėgmei ir karščiui.

3. Atsparumo vandeniui modifikacija

Kadangi rašalas dažniausiai naudojamas išorinėms pakuotėms ir dažnai liečiasi su vandeniu, dėl prasto atsparumo vandeniui gali sumažėti kietumas, sumažėti blizgesys ir net nusilupti arba sugadinti rašalas, o tai labai paveikia laikymo efektyvumą. Pagerinus WPU atsparumą vandeniui, kaip medžiagas naudojant geru vandeniui atsparius poliolius, pagerinamas rašalo laikymo efektyvumas. Pavyzdžiui, WPU modifikavimas akrilo monomerais arba epoksidinės dervos kiekio reguliavimas gali pagerinti rašalo atsparumą vandeniui.

Be to, kad standartiniam poliuretanui pakeisti naudojami didelio atsparumo vandeniui polimerai, mokslininkai dažnai prideda organinių arba neorganinių medžiagų, kad pasiektų norimą efektą. Pavyzdžiui, nanoskalės silicio dioksido įtraukimas į dervą padidina atsparumą vandeniui ir stiprumą – tai plačiai naudojamas rašalo gamybos metodas. „Emulsijos kopolimerizacijos metodas“ sukuria sudėtinį PUA, kad pagerintų atsparumą vandeniui, o tokie metodai kaip polietilenglikolio monometilo eterio modifikavimas ir organinio silicio modifikuoto WPU acetono sintezė padidina atsparumą vandeniui.

4. Atsparumo aukštai temperatūrai modifikacija

Paprastai WPU atsparumas aukštai temperatūrai yra gana silpnas, o tai riboja vandens pagrindo rašalo atsparumą karščiui. Dėl dvigubų jungčių skaičiaus polieterio poliuretanai paprastai turi geresnį atsparumą aukštai temperatūrai nei poliesterio poliuretanai. Pridėjus ilgos grandinės polimerų arba benzeno žiedo esterių / eterių kaip polimerizacijos monomerų, pagerėja polimero atsparumas aukštai temperatūrai ir atitinkamai vandens pagrindo rašalo atsparumas karščiui. Be ilgos grandinės polieterio poliuretano naudojimo, kai kurios komandos naudoja kompozicines medžiagas, kad padidintų sudėtingumą ir padidintų atsparumą aukštai temperatūrai. Pavyzdžiui, pridėjus nano alavo oksido stibio į WPU, susintetintą iš DMPA, polieterio 220 ir IPDI, rašalo sluoksniai sugeria šilumą ir pagerina atsparumą aukštai temperatūrai. Silicio aerogelio pridėjimas prie poliuretano taip pat sumažina šilumos laidumą ir padidina rašalo atsparumą karščiui.

5. Stabilumo modifikacija

WPU stabilumas labai paveikia vandens pagrindo rašalo laikymo našumą. Be atsparumo vandeniui ir aukštai temperatūrai, molekulinė masė ir struktūros išdėstymas yra labai svarbūs. Poliesterio dervos paprastai yra stabilesnės nei polieterinės dervos, nes molekulinėje struktūroje yra daugiau vandenilio jungčių. Pridėjus esterių, kad susidarytų mišrus poliuretanas, padidėja stabilumas, pvz., naudojant izocianatą ir silano dispersiją, kad būtų sukurtas dviejų komponentų WPU, pasižymintis geresniu stabilumu ir atsparumu dilimui. Terminis apdorojimas ir aušinimas taip pat gali sukurti daugiau vandenilio jungčių, sugriežtinti molekulių išdėstymą ir pagerinti WPU stabilumą bei vandens pagrindo rašalo laikymo efektyvumą.

6. Sukibimo gerinimas

Nors WPU optimizavimas pagerina atsparumą vandeniui, atsparumą aukštai temperatūrai ir stabilumą, WPU vis tiek blogai sukimba su polietileno (PE) plastiko gaminiais dėl molekulinės masės ir poliškumo. Paprastai pridedami panašaus poliškumo ir molekulinės masės polimerai arba monomerai, siekiant pagerinti WPU ir pagerinti vandens pagrindo rašalo sukibimą su nepolinėmis medžiagomis. Pavyzdžiui, WPU kopolimerizavimas su polivinilchlorido-hidroksietilakrilato derva pagerina vandeniui atsparų rašalo ir dangų sukibimą. Akrilo poliesterio dervos pridėjimas prie WPU sukuria unikalią molekulinės grandies struktūrą, kuri žymiai pagerina WPU sukibimą. Tačiau šie metodai gali paveikti originalias rašalo savybes, pvz., blizgesį. Todėl pramoniniais metodais medžiagos apdorojamos nekeičiant savybių, kad pagerintų rašalo sukibimą, pvz., paviršių aktyvinimas elektrodais arba trumpalaikis apdorojimas liepsna, siekiant padidinti adsorbciją.

• Išvada

Šiuo metu vandens pagrindu pagaminti rašalai plačiai naudojami maisto pakuotėse, farmacijos pakuotėse, dirbtuvėse, knygose ir kitose dangose ​​ar spausdinant. Tačiau jiems būdingi veikimo apribojimai riboja platesnes programas. Augant supratimui apie aplinką ir saugą, gerėjant gyvenimo lygiui, vandens pagrindu pagaminti ekologiški rašalai, mažinantys LOJ išmetimą, vis dažniau pakeičia tirpiklių pagrindu pagamintus rašalus, o tai meta iššūkį tradicinėms tirpiklių rašalo rinkoms.

Šiame kontekste ateityje kuriant vandens pagrindo rašalą labai svarbu pagerinti rašalo našumą modifikuojant vandens pagrindo dervas, ypač vandens pagrindu pagamintus poliuretanus, taikant naujoviškus metodus, tokius kaip nanotechnologijos ir organinių bei neorganinių junginių hibridizacija. Todėl reikia atlikti tolesnius išsamius dervos modifikacijų tyrimus, siekiant pagerinti vandens pagrindu pagaminto rašalo našumą platesniam naudojimui.