Meneroka Pembangunan Dakwat Berasaskan Air dan Kajian Dakwat Poliuretana Berasaskan Air Mesra Alam

Pencemaran udara telah lama menjadi kebimbangan utama, dengan pelepasan gas toksik seperti VOC menjadi penyumbang penting di samping fenomena semula jadi seperti ribut debu. Apabila kesedaran tentang perlindungan alam sekitar berkembang dan pelbagai dasar negara dilaksanakan, industri percetakan, pemancar VOC utama, telah menghadapi pembaharuan yang tidak dapat dielakkan. Akibatnya, dakwat percetakan mesra alam telah menjadi tumpuan dalam penyelidikan industri percetakan global. Antara dakwat mesra alam yang ada, termasuk dakwat berasaskan air, dakwat boleh sembuh tenaga, dan dakwat berasaskan minyak sayuran, dakwat berasaskan air adalah yang paling banyak digunakan. Dakwat berasaskan air mengandungi bahagian pelarut organik yang lebih rendah, mengurangkan pelepasan VOC dan menyelaraskan dengan prinsip perlindungan alam sekitar. Walau bagaimanapun, dakwat berasaskan air juga mempunyai kelemahan seperti masa pengeringan dan pengawetan yang perlahan serta rintangan air dan alkali yang lemah, mengehadkan penggunaannya dalam dakwat industri tradisional. Oleh itu, memperbaiki kelemahan ini melalui pengubahsuaian resin telah menjadi tumpuan yang ketara. Kertas kerja ini menggariskan pembangunan dan aplikasi dakwat berasaskan air, kajian pengubahsuaian resin, kemajuan dalam penyelidikan mengenai dakwat percetakan menggunakan poliuretana berasaskan air, dan prospek masa depan dalam bidang ini.

• Percubaan

1. Pembangunan Dakwat Berasaskan Air

Dakwat mempunyai sejarah yang panjang, muncul bersama-sama ciptaan percetakan. Selepas pengenalan Pigmen Merah Lithol pada tahun 1900, dakwat menjadi meluas, mendorong negara untuk melabur dalam penyelidikan dakwat. Dakwat berasaskan air adalah terbitan hasil daripada permintaan yang lebih tinggi untuk kepraktisan dakwat. Penyelidikan mengenai dakwat berasaskan air bermula di luar negara pada tahun 1960-an, terutamanya untuk mempercepatkan kadar percetakan dan mengurangkan pergantungan kepada bahan mentah berasaskan petroleum. Dakwat ini menggunakan sebatian organik seperti benzena dan syelek atau natrium lignosulfonat sebagai bahan utama untuk memenuhi keperluan percetakan pada masa itu. Pada tahun 1970-an, penyelidik membangunkan resin emulsi polimer dengan cangkerang teras dan struktur rangkaian dengan mempolimerkan monomer akrilik dengan stirena, mengekalkan kilauan dakwat dan rintangan air sambil memenuhi keperluan persekitaran. Walau bagaimanapun, apabila kesedaran alam sekitar meningkat dan undang-undang alam sekitar yang lebih ketat telah digubal, bahagian organik berasaskan benzena dalam dakwat berkurangan. Menjelang 1980-an, negara-negara Eropah Barat memperkenalkan konsep dan teknologi "pencetakan dakwat hijau" dan "pencetakan dakwat berasaskan air baharu."

Industri dakwat China bermula pada akhir Dinasti Qing dengan pengeluaran mata wang, bergantung kepada dakwat import sehingga tahun 1975, apabila Kilang Tinta Tianjin dan Kilang Dakwat Gangu membangun dan menghasilkan dakwat gravure berasaskan air domestik yang pertama. Menjelang 1990-an, China telah mengimport lebih 100 barisan pengeluaran percetakan flexo, dengan pantas memajukan penggunaan dakwat berasaskan air. Pada tahun 2003, Institut Penyelidikan Teknologi Perindustrian China berjaya membangunkan produk berkaitan, dan pada awal tahun 2004, Syarikat Shanghai Meide menghasilkan dakwat termoset suhu rendah berasaskan air sepenuhnya yang memenuhi piawaian Jepun dan Jerman. Walaupun penyelidikan China mengenai dakwat berasaskan air menyaksikan perkembangan pesat pada awal abad ke-21, negara-negara Barat telah mencapai kemajuan yang ketara: kira-kira 95% produk flexo dan 80% produk gravure di Amerika Syarikat menggunakan dakwat berasaskan air, manakala UK dan Jepun menggunakan dakwat berasaskan air untuk pembungkusan makanan dan farmaseutikal. Secara perbandingan, pembangunan China adalah lebih perlahan.

Untuk terus mempromosikan pasaran, China memperkenalkan piawaian dakwat berasaskan air pertama pada Mei 2007 dan pada tahun 2011 menyokong "pembangunan inovasi hijau," yang bertujuan untuk menggantikan dakwat berasaskan pelarut dengan dakwat berasaskan air. Dalam "Rancangan Lima Tahun ke-13" 2016 untuk industri percetakan, "penyelidikan mengenai bahan alam sekitar berasaskan air" dan "cetakan hijau" adalah fokus utama. Menjelang 2020, promosi nasional percetakan hijau dan digital memperluaskan pasaran dakwat berasaskan air.

2. Penggunaan Dakwat Berasaskan Air

Pada awal abad ke-20, Amerika Syarikat pertama kali menggunakan dakwat berasaskan air dalam percetakan flexo. Menjelang 1970-an, dakwat gravure berasaskan air berkualiti tinggi digunakan secara meluas untuk pelbagai kertas pembungkusan, rak buku tebal dan kadbod. Pada tahun 1980-an, dakwat berasaskan air percetakan skrin berkilat dan matte telah dibangunkan di luar negara, mengembangkan aplikasinya kepada fabrik, kertas, PVC, polistirena, kerajang aluminium dan logam. Pada masa ini, disebabkan ciri mesra alam, tidak toksik dan selamat, dakwat berasaskan air digunakan terutamanya dalam percetakan pembungkusan makanan, seperti pembungkusan tembakau dan botol minuman. Apabila undang-undang alam sekitar bertambah baik, penggunaan dakwat berasaskan air terus dipelbagaikan dan dipergiatkan. China juga secara progresif mempromosikan penggunaannya dalam industri percetakan.

• Keputusan dan perbincangan

1. Penyelidikan tentang Pengubahsuaian Resin

Prestasi dakwat dipengaruhi oleh perbezaan resin. Secara amnya, resin dakwat berasaskan air biasanya poliuretana, emulsi akrilik diubah suai, atau resin poliakrilik. Resin poliuretana (WPU) berasaskan air, dengan gloss unggul, digunakan secara meluas dalam percetakan pembungkusan. Oleh itu, meningkatkan prestasi WPU untuk meningkatkan keramahan alam sekitar dakwat berasaskan air dan gloss telah menjadi tumpuan dalam industri percetakan.

2. Mengubahsuai Poliuretana Berasaskan Air

Poliuretana berasaskan air, yang terdiri daripada poliol berat molekul rendah, boleh dikelaskan kepada jenis poliester, polieter dan hibrid. Berdasarkan sifat berbeza poliester dan polimer polieter, kekuatan dan kestabilan mereka berbeza-beza. Secara amnya, poliuretana polieter mempunyai kekuatan dan kestabilan yang lebih rendah daripada poliuretana poliester tetapi mempamerkan rintangan suhu tinggi yang lebih baik dan kurang terdedah kepada hidrolisis. Contohnya, meningkatkan "ketekalan" dakwat dengan menggunakan polietilena glikol monometil eter meningkatkan ciri toleransinya. Walau bagaimanapun, ini hanyalah titik rujukan. Pelbagai institut penyelidikan menggunakan kaedah berbeza untuk meningkatkan aspek khusus WPU.

Sebagai contoh, pada tahun 2010, resin epoksi dengan keliatan tinggi dan kekuatan hentaman telah dipilih untuk menangani masalah kelikatan dan lekatan dakwat, dengan itu meningkatkan kekuatan dakwat. Pada tahun 2006, kajian yang diterbitkan oleh Universiti Kimia Beijing menggunakan poliuretana berasaskan etilena glikol untuk membentuk resin khas dengan segmen lembut yang panjang, meningkatkan kelenturan dakwat dan secara tidak langsung mengukuhkan dakwat berasaskan air. Sesetengah pasukan mencapai hasil pengubahsuaian dengan menambahkan bahan kimia: menggabungkan silika atau organosilikon untuk menambah baik WPU, menghasilkan kekuatan tegangan dakwat yang dipertingkatkan. Poliuretana butadiena nitril ditamatkan karboksil digunakan untuk meningkatkan prestasi lenturan dakwat dan kelikatan, menyesuaikan diri dengan persekitaran yang lebih kompleks.

Oleh itu, penyelidik biasanya memilih poliester tertentu berdasarkan sifat dakwat, menggunakan poliasid dan poliol yang sesuai untuk mensintesis poliol poliester tahan haba, memperkenalkan kumpulan kutub dengan lekatan yang kuat, memilih bahan mentah yang sesuai untuk meningkatkan kehabluran poliuretana, dan menggunakan agen gandingan untuk meningkatkan pelekat WPU. kelembapan dan rintangan haba.

3. Pengubahsuaian Rintangan Air

Memandangkan dakwat digunakan terutamanya untuk pembungkusan luar dan kerap menyentuh air, rintangan air yang lemah boleh mengakibatkan kekerasan, kilauan, dan juga pengelupasan atau kerosakan dakwat yang berkurangan, yang menjejaskan prestasi penyimpanan dengan ketara. Meningkatkan rintangan air WPU meningkatkan prestasi penyimpanan dakwat dengan menggunakan poliol dengan rintangan air yang baik sebagai bahan. Sebagai contoh, mengubah suai WPU dengan monomer akrilik atau melaraskan kandungan resin epoksi boleh meningkatkan rintangan air dakwat.

Selain daripada menggunakan polimer kalis air tinggi untuk menggantikan poliuretana standard, penyelidik sering menambah bahan organik atau bukan organik untuk mencapai kesan yang diingini. Sebagai contoh, memasukkan silika skala nano ke dalam resin meningkatkan rintangan air dan kekuatan, kaedah yang digunakan secara meluas dalam pengeluaran dakwat. "Kaedah kopolimerisasi emulsi" mencipta PUA komposit untuk meningkatkan rintangan air, manakala kaedah seperti pengubahsuaian polietilena glikol monometil eter dan sintesis aseton WPU diubah suai organosilikon meningkatkan rintangan air.

4. Pengubahsuaian Rintangan Suhu Tinggi

Secara amnya, rintangan suhu tinggi WPU adalah agak lemah, mengehadkan rintangan haba dakwat berasaskan air. Poliuretana polieter biasanya mempunyai rintangan suhu tinggi yang lebih baik daripada poliuretana poliester kerana bilangan ikatan berganda. Menambah polimer rantai panjang atau ester gelang benzena/eter sebagai monomer pempolimeran meningkatkan rintangan suhu tinggi polimer dan, akibatnya, rintangan haba dakwat berasaskan air. Selain menggunakan poliuretana polieter rantai panjang, sesetengah pasukan menggunakan bahan komposit untuk meningkatkan kerumitan dan meningkatkan rintangan suhu tinggi. Contohnya, menambahkan antimoni nano timah oksida pada WPU yang disintesis daripada DMPA, polieter 220, dan IPDI membolehkan lapisan dakwat menyerap haba, meningkatkan rintangan suhu tinggi. Menambah aerogel silika kepada poliuretana juga mengurangkan kekonduksian terma dan meningkatkan rintangan haba dakwat.

5. Pengubahsuaian Kestabilan

Kestabilan WPU mempengaruhi prestasi penyimpanan dakwat berasaskan air dengan ketara. Selain air dan rintangan suhu tinggi, berat molekul dan susunan struktur adalah penting. Resin poliester umumnya lebih stabil daripada resin polieter kerana lebih banyak ikatan hidrogen dalam struktur molekul. Menambah bahan ester untuk membentuk poliuretana campuran meningkatkan kestabilan, seperti menggunakan penyebaran isosianat dan silan untuk mencipta WPU dwi-komponen dengan kestabilan yang lebih baik dan rintangan lelasan. Rawatan haba dan penyejukan juga boleh menghasilkan lebih banyak ikatan hidrogen, mengetatkan susunan molekul dan meningkatkan kestabilan WPU dan prestasi penyimpanan dakwat berasaskan air.

6. Penambahbaikan Lekatan

Walaupun mengoptimumkan WPU meningkatkan rintangan air, rintangan suhu tinggi dan kestabilan, WPU masih menunjukkan lekatan yang lemah pada produk plastik polietilena (PE) disebabkan oleh berat molekul dan kekutuban. Biasanya, polimer atau monomer berat molekul dan kekutuban yang serupa ditambah untuk menambah baik WPU dan meningkatkan lekatan dakwat berasaskan air kepada bahan bukan kutub. Sebagai contoh, pempolimeran bersama WPU dengan resin polivinil klorida-hidroksietil akrilat meningkatkan lekatan kalis air antara dakwat dan salutan. Menambah resin poliester akrilik pada WPU mencipta struktur pautan molekul yang unik, meningkatkan lekatan WPU dengan ketara. Walau bagaimanapun, kaedah ini boleh menjejaskan sifat dakwat asli seperti gloss. Oleh itu, teknik perindustrian merawat bahan tanpa mengubah sifat untuk meningkatkan lekatan dakwat, seperti mengaktifkan permukaan dengan elektrod atau rawatan nyalaan jangka pendek untuk meningkatkan penjerapan.

• Kesimpulan

Pada masa ini, dakwat berasaskan air digunakan secara meluas dalam pembungkusan makanan, pembungkusan farmaseutikal, bengkel, buku, dan salutan atau aplikasi percetakan lain. Walau bagaimanapun, had prestasi sedia ada mereka mengehadkan aplikasi yang lebih luas. Apabila kesedaran alam sekitar dan keselamatan berkembang dengan taraf hidup yang lebih baik, dakwat mesra alam berasaskan air yang mengurangkan pelepasan VOC semakin menggantikan dakwat berasaskan pelarut, mencabar pasaran dakwat berasaskan pelarut tradisional.

Dalam konteks ini, meningkatkan prestasi dakwat dengan mengubah suai resin berasaskan air, terutamanya poliuretana berasaskan air, melalui kaedah inovatif seperti nanoteknologi dan hibridisasi sebatian organik dan bukan organik adalah penting untuk pembangunan dakwat berasaskan air pada masa hadapan. Oleh itu, penyelidikan komprehensif lanjut mengenai pengubahsuaian resin diperlukan untuk meningkatkan prestasi dakwat berasaskan air untuk aplikasi yang lebih luas.