Uz ūdens bāzes izgatavotu tintes izstrādes izpēte un videi draudzīgu uz ūdens bāzes izgatavotu poliuretāna tinšu izpēte

Gaisa piesārņojums jau sen ir bijis nopietna problēma, un toksisko gāzu emisijas, piemēram, GOS, ir nozīmīgi veicinātāji līdzās dabas parādībām, piemēram, putekļu vētrām. Pieaugot izpratnei par vides aizsardzību un dažādu valstu politikas virzienu īstenošanai, poligrāfijas nozare, kas ir galvenā GOS emitētāja, ir saskārusies ar neizbēgamām reformām. Līdz ar to videi draudzīgas drukas tintes ir kļuvušas par galveno pasaules poligrāfijas nozares pētījumu centru. No pieejamajām videi draudzīgajām tintēm, tostarp uz ūdens bāzes tintēm, enerģētiski cietējošām tintēm un tintēm uz augu eļļas bāzes, visplašāk tiek izmantotas ūdens bāzes tintes. Uz ūdens bāzes izgatavotās tintes satur mazāku organisko šķīdinātāju proporciju, samazinot GOS emisijas un atbilst vides aizsardzības principiem. Tomēr ūdens bāzes tintēm ir arī trūkumi, piemēram, lēns žūšanas un sacietēšanas laiks un slikta ūdens un sārmu izturība, kas ierobežo to pielietojumu tradicionālajās rūpnieciskajās tintēs. Tādējādi šo trūkumu uzlabošana, modificējot sveķus, ir kļuvusi par nozīmīgu uzmanību. Šajā rakstā ir izklāstīta uz ūdens bāzes izgatavotu tintes izstrāde un pielietošana, sveķu modifikāciju izpēte, drukāšanas krāsu izpētē, izmantojot uz ūdens bāzes izgatavotus poliuretānus, un nākotnes perspektīvas šajā jomā.

• Eksperimentāls

1. Ūdens bāzes tintes izstrāde

Tintēm ir sena vēsture, kas parādās līdzās drukāšanas izgudrojumam. Pēc Lithol Red Pigment ieviešanas 1900. gadā tintes kļuva plaši izplatītas, mudinot valstis ieguldīt tintes izpētē. Uz ūdens bāzes izgatavotas tintes ir atvasinājums, kas izriet no augstākām prasībām attiecībā uz tintes praktiskumu. Uz ūdens bāzes izgatavotu tinšu pētījumi ārzemēs sākās 1960. gados, galvenokārt, lai paātrinātu drukāšanas ātrumu un samazinātu atkarību no naftas izejvielām. Šīs tintes izmantoja organiskos savienojumus, piemēram, benzolus un šellaku vai nātrija lignosulfonātu kā galvenos materiālus, lai apmierinātu tā laika drukāšanas vajadzības. 1970. gados pētnieki izstrādāja polimēru emulsijas sveķus ar serdes apvalku un tīkla struktūru, polimerizējot akrila monomērus ar stirolu, saglabājot tintes spīdumu un ūdens izturību, vienlaikus ievērojot vides prasības. Tomēr, pieaugot izpratnei par vidi un pieņemot stingrākus vides likumus, tintēs benzola bāzes organisko vielu īpatsvars samazinājās. Līdz 1980. gadiem Rietumeiropas valstis ieviesa "zaļās tintes drukas" un "jaunas tintes drukas uz ūdens bāzes" jēdzienus un tehnoloģijas.

Ķīnas tintes rūpniecība aizsākās vēlīnā Cjinu dinastijas laikā, ražojot valūtu, lielā mērā paļaujoties uz importētām tintēm līdz 1975. gadam, kad Tianjin Ink Factory un Gangu Ink Factory izstrādāja un ražoja pirmo vietējās ūdens bāzes dobspiedes tinti. Līdz 1990. gadiem Ķīna bija importējusi vairāk nekā 100 fleksodrukas ražošanas līniju, strauji veicinot ūdens bāzes tintes izmantošanu. 2003. gadā Ķīnas Rūpniecisko tehnoloģiju pētniecības institūts veiksmīgi izstrādāja saistītos produktus, un 2004. gada sākumā Shanghai Meide Company ražoja pilnībā uz ūdens bāzes ražotu zemas temperatūras termoreaktīvo tinti, kas atbilst Japānas un Vācijas standartiem. Lai gan Ķīnas pētījumi par ūdens bāzes tintēm strauji attīstījās 21. gadsimta sākumā, Rietumvalstis jau bija panākušas ievērojamu progresu: aptuveni 95% flekso produktu un 80% dobspiedes izstrādājumu ASV izmantoja ūdens bāzes tintes, savukārt Apvienotajā Karalistē. un Japāna pieņēma ūdens bāzes tintes pārtikas un farmācijas iepakojumam. Salīdzinoši Ķīnas attīstība bija lēnāka.

Lai vēl vairāk veicinātu tirgu, Ķīna 2007. gada maijā ieviesa pirmo ūdens bāzes tintes standartu un 2011. gadā iestājās par "zaļās inovācijas attīstību", kuras mērķis ir aizstāt tintes uz šķīdinātāju bāzes ar ūdens bāzes tintes. 2016. gada "13. piecu gadu plānā" poligrāfijas nozarei galvenā uzmanība tika pievērsta "pētniecībai par vides materiāliem uz ūdens bāzes" un "zaļā druka". Līdz 2020. gadam zaļās un digitālās drukas valsts veicināšana paplašināja ūdens bāzes tintes tirgu.

2. Ūdens bāzes tintes uzklāšana

20. gadsimta sākumā ASV flekso drukā pirmo reizi izmantoja ūdens bāzes tintes. Līdz 20. gadsimta 70. gadiem augstas kvalitātes dziļspiedes tintes uz ūdens bāzes tika plaši izmantotas dažādiem iepakojuma papīriem, bieziem grāmatu plauktiem un kartonam. Astoņdesmitajos gados ārzemēs tika izstrādātas glancētas un matētas sietspiedes ūdens bāzes tintes, paplašinot to pielietojumu audumiem, papīram, PVC, polistirolam, alumīnija folijai un metāliem. Pašlaik to videi draudzīgo, netoksisko un drošu īpašību dēļ ūdens bāzes tintes galvenokārt tiek izmantotas pārtikas iepakojuma drukāšanā, piemēram, tabakas iepakojumā un dzērienu pudelēs. Uzlabojoties vides tiesību aktiem, ūdens bāzes tintes izmantošana turpina dažādot un intensificēt. Ķīna arī pakāpeniski veicina to izmantošanu poligrāfijas nozarē.

• Rezultāti un diskusija

1. Pētījumi par sveķu modifikācijām

Tintes veiktspēju ietekmē sveķu atšķirības. Parasti tintes sveķi uz ūdens bāzes parasti ir poliuretāns, modificētas akrila emulsijas vai poliakrila sveķi. Uz ūdens bāzes izgatavoti poliuretāna (WPU) sveķi ar izcilu spīdumu tiek plaši izmantoti iepakojuma drukāšanā. Tādējādi WPU veiktspējas uzlabošana, lai uzlabotu uz ūdens bāzes izgatavotas tintes videi draudzīgumu un spīdumu, ir kļuvusi par galveno poligrāfijas nozarē.

2. Modificēts uz ūdens bāzes veidots poliuretāns

Uz ūdens bāzes izgatavotus poliuretānus, kas sastāv no zemas molekulmasas polioliem, var iedalīt poliestera, poliētera un hibrīda tipos. Pamatojoties uz dažādajām poliestera un poliētera polimēru īpašībām, to izturība un stabilitāte atšķiras. Parasti poliētera poliuretāniem ir zemāka izturība un stabilitāte nekā poliestera poliuretāniem, taču tiem ir labāka augstas temperatūras izturība un tie ir mazāk pakļauti hidrolīzei. Piemēram, palielinot tintes "konsistenci", izmantojot polietilēnglikola monometilēteri, uzlabojas tās tolerances īpašības. Tomēr tas ir tikai atskaites punkts. Dažādi pētniecības institūti izmanto dažādas metodes, lai uzlabotu konkrētus WPU aspektus.

Piemēram, 2010. gadā tika izvēlēti epoksīda sveķi ar augstu stingrību un triecienizturību, lai novērstu tintes viskozitātes un adhēzijas problēmas, tādējādi uzlabojot tintes izturību. 2006. gadā Pekinas Ķīmiskās universitātes publicētajā pētījumā tika izmantots poliuretāns uz etilēnglikola bāzes, lai izveidotu īpašus sveķus ar garu mīkstu segmentu, uzlabojot tintes elastību un netieši stiprinot tinti uz ūdens bāzes. Dažas komandas sasniedz modifikācijas rezultātus, pievienojot ķīmiskas vielas: iekļaujot silīcija dioksīdu vai silīciju, lai uzlabotu WPU, kā rezultātā tiek palielināta tintes stiepes izturība. Butadiēna nitrila poliuretāns ar karboksilgrupu tiek izmantots, lai uzlabotu tintes locīšanas veiktspēju un viskozitāti, pielāgojoties sarežģītākām vidēm.

Tādējādi pētnieki parasti izvēlas konkrētus poliesterus, pamatojoties uz tintes īpašībām, izmantojot piemērotas poliskābes un poliolus, lai sintezētu karstumizturīgus poliestera poliolus, ieviešot polāras grupas ar spēcīgu adhēziju, izvēloties piemērotus izejmateriālus, lai uzlabotu poliuretāna kristāliskumu, un izmantojot savienojošos līdzekļus, lai uzlabotu WPU līmi. mitruma un karstumizturība.

3. Ūdensizturības modifikācija

Tā kā tinte galvenokārt tiek izmantota ārējam iepakojumam un bieži saskaras ar ūdeni, slikta ūdensizturība var samazināt cietību, spīdumu un pat tintes lobīšanos vai bojājumus, kas būtiski ietekmē uzglabāšanas veiktspēju. WPU ūdensizturības uzlabošana uzlabo tintes uzglabāšanas veiktspēju, kā materiālu izmantojot poliolus ar labu ūdensizturību. Piemēram, WPU modificēšana ar akrila monomēriem vai epoksīdsveķu satura pielāgošana var uzlabot tintes ūdensizturību.

Papildus tam, ka standarta poliuretāna aizstāšanai tiek izmantoti augstas ūdensizturības polimēri, pētnieki bieži pievieno organiskas vai neorganiskas vielas, lai sasniegtu vēlamo efektu. Piemēram, nanomēroga silīcija dioksīda iekļaušana sveķos uzlabo ūdensizturību un izturību, kas ir plaši izmantota metode tintes ražošanā. "Emulsijas kopolimerizācijas metode" rada saliktu PUA, lai uzlabotu ūdensizturību, savukārt tādas metodes kā polietilēnglikola monometilētera modifikācija un silīcija organiskā WPU acetona sintēze uzlabo ūdensizturību.

4. Augstas temperatūras pretestības modifikācija

Parasti WPU izturība pret augstu temperatūru ir salīdzinoši vāja, ierobežojot ūdens bāzes tintes karstumizturību. Poliētera poliuretāniem parasti ir labāka augstas temperatūras izturība nekā poliestera poliuretāniem dubultsaišu skaita dēļ. Garās ķēdes polimēru vai benzola gredzena esteru/ēteru pievienošana kā polimerizācijas monomēri uzlabo polimēru augstas temperatūras izturību un līdz ar to arī ūdens bāzes tintes karstumizturību. Papildus garu ķēžu poliētera poliuretānu izmantošanai dažas komandas izmanto kompozītmateriālus, lai palielinātu sarežģītību un uzlabotu izturību pret augstu temperatūru. Piemēram, nano alvas oksīda antimona pievienošana WPU, kas sintezēts no DMPA, poliētera 220 un IPDI, ļauj tintes slāņiem absorbēt siltumu, uzlabojot izturību pret augstu temperatūru. Silīcija dioksīda aerogela pievienošana poliuretānam arī samazina siltumvadītspēju un uzlabo tintes karstumizturību.

5. Stabilitātes modifikācija

WPU stabilitāte būtiski ietekmē ūdens bāzes tintes uzglabāšanas veiktspēju. Papildus ūdens un augstas temperatūras izturībai, molekulmasai un struktūras izkārtojumam ir izšķiroša nozīme. Poliestera sveķi parasti ir stabilāki nekā poliētera sveķi, jo molekulārajā struktūrā ir vairāk ūdeņraža saišu. Estera vielu pievienošana jauktu poliuretānu veidošanai palielina stabilitāti, piemēram, izmantojot izocianātu un silāna dispersiju, lai izveidotu divkomponentu WPU ar uzlabotu stabilitāti un nodilumizturību. Termiskā apstrāde un dzesēšana var arī radīt vairāk ūdeņraža saišu, nostiprinot molekulāro izkārtojumu un uzlabojot WPU stabilitāti un ūdens bāzes tintes uzglabāšanas veiktspēju.

6. Adhēzijas uzlabošana

Lai gan WPU optimizēšana uzlabo ūdensizturību, izturību pret augstu temperatūru un stabilitāti, WPU joprojām uzrāda sliktu saķeri ar polietilēna (PE) plastmasas izstrādājumiem molekulmasas un polaritātes dēļ. Parasti tiek pievienoti līdzīgas polaritātes un molekulmasas polimēri vai monomēri, lai uzlabotu WPU un uzlabotu ūdens bāzes tintes saķeri ar nepolāriem materiāliem. Piemēram, WPU kopolimerizācija ar polivinilhlorīda-hidroksietilakrilāta sveķiem uzlabo ūdensizturīgu adhēziju starp tintēm un pārklājumiem. Akrila poliestera sveķu pievienošana WPU rada unikālu molekulārās saites struktūru, ievērojami uzlabojot WPU adhēziju. Tomēr šīs metodes var ietekmēt sākotnējās tintes īpašības, piemēram, spīdumu. Tāpēc rūpnieciskās metodes apstrādā materiālus, nemainot īpašības, lai uzlabotu tintes adhēziju, piemēram, aktivizējot virsmas ar elektrodiem vai īslaicīgu apstrādi ar liesmu, lai palielinātu adsorbciju.

• Secinājums

Pašlaik ūdens bāzes tintes tiek plaši izmantotas pārtikas iepakojumā, farmācijas iepakojumā, darbnīcās, grāmatās un citos pārklājumos vai drukāšanā. Tomēr to raksturīgie veiktspējas ierobežojumi ierobežo plašākas lietojumprogrammas. Pieaugot izpratnei par vidi un drošību, uzlabojoties dzīves līmenim, uz ūdens bāzes ražotas, videi draudzīgas tintes, kas samazina GOS emisijas, arvien vairāk aizstāj uz šķīdinātāju bāzes izgatavotas tintes, izaicinot tradicionālos uz šķīdinātāju bāzes veidotus tintes tirgus.

Šajā kontekstā tintes veiktspējas uzlabošana, modificējot uz ūdens bāzes izgatavotus sveķus, jo īpaši uz ūdens bāzes izgatavotus poliuretānus, izmantojot tādas novatoriskas metodes kā nanotehnoloģijas un organisko un neorganisko savienojumu hibridizāciju, ir ļoti svarīga turpmākai ūdens bāzes tintes izstrādei. Tāpēc ir nepieciešami turpmāki visaptveroši pētījumi par sveķu modifikācijām, lai uzlabotu ūdens bāzes tintes veiktspēju plašākiem lietojumiem.