Истражување на развојот на мастила на база на вода и проучување на еколошки полиуретански мастила на база на вода

Загадувањето на воздухот одамна е главна грижа, при што емисиите на токсични гасови, како што се VOCs, се значајни придонесувачи заедно со природните феномени како бури од прашина. Како што расте свеста за заштита на животната средина и се спроведуваат различни национални политики, печатарската индустрија, главен емитер на VOC, се соочи со неизбежни реформи. Следствено, еколошките мастила за печатење станаа фокусна точка во глобалното истражување на печатарската индустрија. Помеѓу достапните еколошки мастила, вклучувајќи мастила на база на вода, мастила што се лекуваат со енергија и мастила на база на растително масло, најшироко се користат мастилата на база на вода. Мастилата на база на вода содржат помал дел од органски растворувачи, со што се намалуваат емисиите на VOC и се усогласуваат со принципите за заштита на животната средина. Меѓутоа, мастилата на база на вода имаат и недостатоци како што се бавното време на сушење и стврднување и слаба отпорност на вода и алкали, што ја ограничува нивната примена во традиционалните индустриски мастила. Така, подобрувањето на овие слабости преку модификација на смола стана значаен фокус. Овој труд го прикажува развојот и примената на мастилата на база на вода, проучувањето на модификациите на смолата, напредокот во истражувањето на мастилата за печатење со употреба на полиуретани на база на вода и идните перспективи на ова поле.

• Експериментални

1. Развој на мастила на база на вода

Мастилата имаат долга историја, кои се појавуваат заедно со пронајдокот на печатењето. По воведувањето на Lithol Red Pigment во 1900 година, мастилата станаа широко распространети, што ги поттикна земјите да инвестираат во истражување на мастило. Мастилата на база на вода се дериват што произлегува од поголемите барања за практичност на мастилото. Истражувањето за мастилата на база на вода започна во странство во 1960-тите, првенствено за да се забрзаат стапките на печатење и да се намали зависноста од суровините базирани на нафта. Овие мастила користеле органски соединенија како бензен и шелак или натриум лигносулфонат како главни материјали за да ги задоволат потребите за печатење во тоа време. Во 1970-тите, истражувачите развија полимерна емулзија смола со структура на јадрото и мрежата со полимеризација на акрилни мономери со стирен, одржувајќи го сјајот на мастилата и отпорноста на вода додека ги исполнуваат барањата за животната средина. Меѓутоа, како што се зголемуваше свеста за животната средина и беа донесени построги закони за животна средина, процентот на органски производи базирани на бензен во мастилата се намали. До 1980-тите, западноевропските земји ги воведоа концептите и технологиите на „печатење со зелено мастило“ и „ново печатење со мастило на база на вода“.

Кинеската индустрија за мастило започна во доцната династија Кинг со производство на валута, потпирајќи се во голема мера на увезени мастила до 1975 година, кога Фабриката за мастило Тијанџин и Фабриката за мастило Ганг го развија и го произведоа првото домашно мастило за гравира базирана на вода. До 1990-тите, Кина увезе над 100 производни линии за флексо печатење, со што брзо ја унапредуваше употребата на мастила на база на вода. Во 2003 година, кинескиот Институт за истражување на индустриска технологија успешно разви сродни производи, а на почетокот на 2004 година, компанијата Шангај Меиде произведе целосно термореактивно мастило на база на вода, со ниска температура што ги исполнува јапонските и германските стандарди. Иако кинеското истражување за мастила на база на вода забележа брз развој на почетокот на 21 век, западните земји веќе постигнаа значителен напредок: околу 95% од флексо производите и 80% од производите од гравира во САД користеа мастила на база на вода, додека ОК и Јапонија усвоија мастила на база на вода за пакување храна и фармацевтски производи. Споредбено, развојот на Кина беше побавен.

За понатамошно промовирање на пазарот, Кина го воведе првиот стандард за мастило на база на вода во мај 2007 година и во 2011 година се залагаше за „развој на зелени иновации“, со цел да ги замени мастилата на база на растворувачи со мастила на база на вода. Во „13-тиот петгодишен план“ за печатарската индустрија од 2016 година, „истражувањето на еколошки материјали базирани на вода“ и „зеленото печатење“ беа клучните фокуси. До 2020 година, националната промоција на зелено и дигитално печатење го прошири пазарот на мастило на база на вода.

2. Примена на мастила на база на вода

Во почетокот на 20 век, Соединетите Американски Држави првпат примениле мастила на база на вода во флексо печатење. До 1970-тите, висококвалитетните гравир мастила на база на вода беа широко користени за разни хартии за пакување, дебели полици за книги и картон. Во 1980-тите, во странство беа развиени сјајни и мат мастила за печатење на вода за печатење, проширувајќи ја нивната примена на ткаенини, хартија, ПВЦ, полистирен, алуминиумска фолија и метали. Во моментов, поради нивните еколошки, нетоксични и безбедни карактеристики, мастилата на база на вода главно се користат во печатењето на пакувања за храна, како што се пакувањата за тутун и шишињата за пијалоци. Како што се подобруваат законите за животна средина, примената на мастила на база на вода продолжува да се диверзифицира и интензивира. Кина, исто така, постепено ја промовира нивната употреба во печатарската индустрија.

• Резултати и дискусија

1. Истражување за модификации на смола

Изведбата на мастилото е под влијание на разликите во смолата. Општо земено, смоли за мастило на база на вода се типично полиуретански, модифицирани акрилни емулзии или полиакрилни смоли. Полиуретанските смоли (WPU) на база на вода, со супериорен сјај, широко се користат во печатењето на пакувања. Така, подобрувањето на перформансите на WPU за подобрување на еколошката пријатност и сјајот на мастилото на база на вода стана фокус во индустријата за печатење.

2. Модифицирање на полиуретани на база на вода

Полиуретаните на база на вода, составени од полиоли со ниска молекуларна тежина, може да се класифицираат на полиестер, полиетер и хибридни типови. Врз основа на различните својства на полиестерските и полиетерските полимери, нивната сила и стабилност се разликуваат. Општо земено, полиетерните полиуретани имаат помала цврстина и стабилност од полиестерските полиуретани, но покажуваат подобра отпорност на високи температури и се помалку склони кон хидролиза. На пример, зголемувањето на „конзистентноста“ на мастилото со користење на полиетилен гликол монометил етер ги подобрува неговите карактеристики на толеранција. Сепак, ова е само референтна точка. Различни истражувачки институти усвојуваат различни методи за подобрување на специфичните аспекти на WPU.

На пример, во 2010 година, беа избрани епоксидни смоли со висока цврстина и јачина на удар за да се решат проблемите со вискозноста и адхезијата на мастилото, а со тоа да се зголеми јачината на мастилото. Во 2006 година, студија објавена од Хемискиот универзитет во Пекинг користеше полиуретан базиран на етилен гликол за да формира специјална смола со долг мек сегмент, подобрувајќи ја флексибилноста на мастилото и индиректно зајакнување на мастилото на база на вода. Некои тимови постигнуваат резултати од модификација со додавање хемиски супстанци: инкорпорирање на силика или органосилициум за подобрување на WPU, што резултира со зголемена цврстина на истегнување на мастилото. Бутадиен нитрил полиуретан со карбоксил завршеток се користи за подобрување на перформансите и вискозноста на свиткување мастило, прилагодувајќи се на посложени средини.

Така, истражувачите обично избираат специфични полиестери врз основа на својствата на мастилото, користејќи соодветни полиациди и полиоли за синтетизирање полиестерски полиоли отпорни на топлина, воведување поларни групи со силна адхезија, избирање соодветни суровини за подобрување на кристалиноста на полиуретанот и користење на средства за спојување за подобрување на WPU лепилото. отпорност на влага и топлина.

3. Модификација на отпорност на вода

Бидејќи мастилото главно се користи за надворешно пакување и често доаѓа во контакт со вода, слабата водоотпорност може да доведе до намалена цврстина, сјај, па дури и лупење или оштетување на мастилото, што значително влијае на перформансите на складирањето. Подобрувањето на водоотпорноста на WPU ги подобрува перформансите за складирање мастило со користење на полиоли со добра водоотпорност како материјали. На пример, менувањето на WPU со акрилни мономери или прилагодувањето на содржината на епоксидна смола може да ја подобри водоотпорноста на мастилото.

Освен користењето полимери со висока отпорност на вода за замена на стандардниот полиуретан, истражувачите често додаваат органски или неоргански супстанции за да го постигнат саканиот ефект. На пример, инкорпорирањето на нано силициум диоксид во смола ја подобрува отпорноста и силата на водата, широко користен метод во производството на мастило. „Методот на кополимеризација на емулзија“ создава композитен PUA за подобрување на водоотпорноста, додека методите како модификација на монометил етер на полиетилен гликол и синтеза на ацетон на органосилициум модифициран WPU ја зголемуваат отпорноста на вода.

4. Модификација на отпорност на висока температура

Општо земено, отпорот на висока температура на WPU е релативно слаб, што ја ограничува отпорноста на топлина на мастилото на база на вода. Полиетерните полиуретани обично имаат подобра отпорност на висока температура од полиестерските полиуретани поради бројот на двојни врски. Додавањето полимери со долг синџир или естри/етери на бензен прстен како полимеризациски мономери ја подобрува отпорноста на полимерот на висока температура и, следствено, отпорноста на топлина на мастилото на база на вода. Покрај употребата на полиетер полиуретани со долг ланец, некои тимови користат композитни материјали за да ја зголемат сложеноста и да ја подобрат отпорноста на високи температури. На пример, додавањето на нано калај оксид антимон во WPU синтетизиран од DMPA, полиетер 220 и IPDI им овозможува на слоевите мастило да апсорбираат топлина, подобрувајќи ја отпорноста на висока температура. Додавањето силика аергел во полиуретан, исто така, ја намалува топлинската спроводливост и ја подобрува отпорноста на мастилото за топлина.

5. Модификација на стабилност

Стабилноста на WPU значително влијае на перформансите за складирање мастило на база на вода. Покрај отпорноста на вода и високи температури, молекуларната тежина и распоредот на структурата се клучни. Полиестерските смоли се генерално постабилни од полиетерските смоли поради повеќе водородни врски во молекуларната структура. Додавањето естерски супстанции за да се формираат мешани полиуретани ја зголемува стабилноста, како што е употребата на изоцијанат и дисперзија на силилан за да се создаде двокомпонентен WPU со подобрена стабилност и отпорност на триење. Термичката обработка и ладењето исто така може да создадат повеќе водородни врски, затегнувајќи го молекуларниот распоред и подобрување на стабилноста на WPU и перформансите за складирање мастило на база на вода.

6. Подобрување на адхезијата

Додека оптимизирањето на WPU ја подобрува водоотпорноста, отпорноста на високи температури и стабилноста, WPU сè уште покажуваат слаба адхезија на полиетиленските (PE) пластични производи поради молекуларната тежина и поларитетот. Вообичаено, полимерите или мономерите со сличен поларитет и молекуларна тежина се додаваат за да се подобри WPU и да се подобри адхезијата на мастилото на база на вода со неполарни материјали. На пример, ко-полимеризирањето на WPU со поливинил хлорид-хидроксиетил акрилат смола ја подобрува водоотпорната адхезија помеѓу мастилата и облогите. Додавањето на акрилна полиестерска смола во WPU создава единствена структура на молекуларна врска, што значително ја подобрува адхезијата на WPU. Сепак, овие методи може да влијаат на својствата на оригиналното мастило, како што е сјајот. Затоа, индустриските техники ги третираат материјалите без промена на својствата за да се подобри адхезијата на мастилото, како што се активирање на површините со електроди или краткотрајна обработка со пламен за да се зголеми адсорпцијата.

• Заклучок

Во моментов, мастилата на база на вода се широко користени во пакување храна, фармацевтско пакување, работилници, книги и други облоги или апликации за печатење. Сепак, нивните инхерентни ограничувања на перформансите ги ограничуваат пошироките апликации. Како што расте свеста за животната средина и безбедноста со подобрените животни стандарди, еколошките мастила на база на вода кои ги намалуваат емисиите на VOC сè повеќе ги заменуваат мастилата базирани на растворувачи, предизвикувајќи ги традиционалните пазари за мастила базирани на растворувачи.

Во овој контекст, подобрувањето на перформансите на мастилото со модифицирање на смоли на база на вода, особено полиуретани на база на вода, преку иновативни методи како нанотехнологија и хибридизација на органски и неоргански соединенија е од клучно значење за идниот развој на мастило на база на вода. Затоа, потребно е дополнително сеопфатно истражување за модификациите на смолата за да се подобрат перформансите на мастилото на база на вода за пошироки апликации.