Utforsking av utviklingen av vannbasert blekk og studiet av miljøvennlig vannbasert polyuretanblekk

Luftforurensning har lenge vært en stor bekymring, med utslipp av giftige gasser som VOC er betydelige bidragsytere sammen med naturfenomener som støvstormer. Etter hvert som bevisstheten om miljøvern øker og ulike nasjonale politikker implementeres, har trykkeriindustrien, en stor VOC-utslipper, møtt uunngåelige reformer. Følgelig har miljøvennlig trykkfarge blitt et samlingspunkt i den globale trykkeriindustriens forskning. Blant de tilgjengelige miljøvennlige blekkene, inkludert vannbasert blekk, energiherdbart blekk og vegetabilsk oljebasert blekk, er vannbasert blekk det mest brukte. Vannbasert blekk inneholder en lavere andel organiske løsemidler, noe som reduserer VOC-utslipp og samsvarer med miljøvernprinsipper. Vannbasert blekk har imidlertid også ulemper som langsomme tørke- og herdetider og dårlig vann- og alkaliresistens, noe som begrenser deres bruk i tradisjonelle industrielle blekk. Dermed har forbedring av disse svakhetene gjennom harpiksmodifikasjon blitt et betydelig fokus. Denne artikkelen skisserer utviklingen og anvendelsen av vannbaserte blekk, studiet av harpiksmodifikasjoner, fremskritt i forskning på trykkfarger ved bruk av vannbaserte polyuretaner, og fremtidsutsiktene på dette feltet.

• Eksperimentell

1. Utvikling av vannbasert blekk

Blekk har en lang historie, som dukker opp sammen med oppfinnelsen av trykking. Etter introduksjonen av Lithol Red Pigment i 1900 ble blekk utbredt, noe som fikk land til å investere i blekkforskning. Vannbasert blekk er et derivat som er et resultat av høyere krav til blekk praktisk. Forskning på vannbasert blekk begynte i utlandet på 1960-tallet, først og fremst for å øke hastigheten på utskriftshastigheten og redusere avhengigheten av petroleumsbaserte råvarer. Disse blekkene brukte organiske forbindelser som benzener og skjellakk eller natriumlignosulfonat som hovedmaterialer for å møte utskriftsbehov på den tiden. På 1970-tallet utviklet forskere en polymeremulsjonsharpiks med kjerne-skall og nettverksstruktur ved å polymerisere akrylmonomerer med styren, og opprettholde blekkets glans og vannbestandighet samtidig som miljøkravene oppfylles. Etter hvert som miljøbevisstheten økte og strengere miljølover ble vedtatt, ble imidlertid andelen benzenbaserte organiske stoffer i blekk redusert. På 1980-tallet introduserte vesteuropeiske land konseptene og teknologiene "grønn blekkutskrift" og "ny vannbasert blekkutskrift."

Kinas blekkindustri begynte på slutten av Qing-dynastiet med produksjon av valuta, og var sterkt avhengig av importert blekk frem til 1975, da Tianjin Ink Factory og Gangu Ink Factory utviklet og produserte det første innenlandske vannbaserte dyptrykkblekk. På 1990-tallet hadde Kina importert over 100 produksjonslinjer for flexo-utskrift, og raskt fremme bruken av vannbasert blekk. I 2003 utviklet China Industrial Technology Research Institute med suksess relaterte produkter, og i begynnelsen av 2004 produserte Shanghai Meide Company et fullstendig vannbasert, lavtemperatur termoherdende blekk som oppfyller japanske og tyske standarder. Selv om Kinas forskning på vannbasert blekk så en rask utvikling tidlig på det 21. århundre, hadde vestlige land allerede oppnådd betydelige fremskritt: Omtrent 95 % av flexo-produktene og 80 % av dyptrykksproduktene i USA brukte vannbasert blekk, mens Storbritannia og Japan tok i bruk vannbasert blekk for mat- og farmasøytisk emballasje. Til sammenligning var Kinas utvikling langsommere.

For å fremme markedet ytterligere, introduserte Kina den første vannbaserte blekkstandarden i mai 2007 og tok i 2011 til orde for "grønn innovasjonsutvikling", med sikte på å erstatte løsemiddelbasert blekk med vannbasert blekk. I 2016 «13. Femårsplan» for trykkeribransjen var «forskning på vannbaserte miljømaterialer» og «grønn trykking» sentrale fokus. Innen 2020 utvidet den nasjonale promoteringen av grønn og digital utskrift det vannbaserte blekkmarkedet.

2. Påføring av vannbasert blekk

På begynnelsen av 1900-tallet brukte USA først vannbasert blekk i flexotrykk. På 1970-tallet ble vannbasert dyptrykkblekk av høy kvalitet mye brukt til forskjellige pakkepapirer, tykke bokhyller og papp. På 1980-tallet ble blanke og matte vannbaserte blekk for silketrykk utviklet i utlandet, og utvidet deres anvendelse til stoffer, papir, PVC, polystyren, aluminiumsfolie og metaller. For tiden, på grunn av deres miljøvennlige, giftfrie og trygge egenskaper, brukes vannbasert blekk hovedsakelig i utskrift av matemballasje, for eksempel tobakkemballasje og drikkeflasker. Etter hvert som miljølovgivningen forbedres, fortsetter bruken av vannbasert blekk å diversifisere og intensivere. Kina fremmer også gradvis bruken av dem i trykkeribransjen.

• Resultater og diskusjon

1. Forskning på harpiksmodifikasjoner

Blekkytelsen påvirkes av harpiksforskjeller. Vanligvis er vannbaserte blekkharpikser typisk polyuretan, modifiserte akrylemulsjoner eller polyakrylharpikser. Vannbasert polyuretan (WPU) harpiks, med overlegen glans, er mye brukt i emballasjetrykk. Derfor har det blitt et fokus i trykkeribransjen å forbedre WPU-ytelsen for å forbedre vannbasert blekks miljøvennlighet og glans.

2. Modifisering av vannbasert polyuretan

Vannbaserte polyuretaner, sammensatt av polyoler med lav molekylvekt, kan klassifiseres i polyester-, polyeter- og hybridtyper. Basert på de forskjellige egenskapene til polyester- og polyeterpolymerer, varierer deres styrke og stabilitet. Generelt har polyeterpolyuretaner lavere styrke og stabilitet enn polyesterpolyuretaner, men viser bedre motstand mot høye temperaturer og er mindre utsatt for hydrolyse. For eksempel øker blekkets "konsistens" ved å bruke polyetylenglykolmonometyleter forbedrer dets toleranseegenskaper. Dette er imidlertid bare et referansepunkt. Ulike forskningsinstitutter tar i bruk forskjellige metoder for å forbedre spesifikke aspekter ved WPU.

I 2010 ble for eksempel epoksyharpikser med høy seighet og slagstyrke valgt for å løse problemer med blekkviskositet og vedheft, og dermed forbedre blekkstyrken. I 2006 brukte en studie publisert av Beijing Chemical University etylenglykolbasert polyuretan for å danne en spesiell harpiks med et langt mykt segment, som forbedret blekkfleksibiliteten og indirekte styrket vannbasert blekk. Noen team oppnår modifikasjonsresultater ved å tilsette kjemiske stoffer: inkorporering av silika eller organosilisium for å forbedre WPU, noe som resulterer i forbedret blekkstrekkstyrke. Karboksylterminert butadiennitrilpolyuretan brukes til å forbedre blekkbøyningsytelsen og viskositeten, og tilpasser seg mer komplekse miljøer.

Derfor velger forskere typisk spesifikke polyestere basert på blekkegenskapene, ved å bruke passende polysyrer og polyoler for å syntetisere varmebestandige polyesterpolyoler, introdusere polare grupper med sterk adhesjon, velge egnede råmaterialer for å forbedre polyuretankrystalliniteten og bruke koblingsmidler for å forbedre WPU-limets fukt- og varmebestandighet.

3. Modifikasjon av vannmotstand

Siden blekk hovedsakelig brukes til ytre emballasje og ofte kommer i kontakt med vann, kan dårlig vannmotstand føre til redusert hardhet, glans og til og med blekkavskalling eller skade, noe som kan påvirke lagringsytelsen betydelig. Forbedring av WPU-vannbestandighet forbedrer blekklagringsytelsen ved å bruke polyoler med god vannmotstand som materialer. For eksempel kan modifisering av WPU med akrylmonomerer eller justering av epoksyharpiksinnhold forbedre blekkvannmotstanden.

Bortsett fra å bruke høyvannbestandige polymerer for å erstatte standard polyuretan, tilsetter forskere ofte organiske eller uorganiske stoffer for å oppnå ønsket effekt. For eksempel, inkorporering av silika i nanoskala i harpiks forbedrer vannmotstand og styrke, en mye brukt metode i blekkproduksjon. "Emulsjonskopolymeriseringsmetoden" skaper kompositt-PUA for å forbedre vannmotstanden, mens metoder som polyetylenglykolmonometyletermodifikasjon og acetonsyntese av organosilisiummodifisert WPU forbedrer vannmotstanden.

4. Modifikasjon av høytemperaturmotstand

Generelt er WPUs høytemperaturmotstand relativt svak, noe som begrenser vannbasert blekks varmebestandighet. Polyeterpolyuretaner har vanligvis bedre motstand mot høye temperaturer enn polyesterpolyuretaner på grunn av antall dobbeltbindinger. Tilsetning av langkjedede polymerer eller benzenringestere/-etere som polymerisasjonsmonomerer forbedrer polymerens høytemperaturbestandighet og følgelig vannbasert blekkvarmebestandighet. I tillegg til å bruke langkjedede polyeterpolyuretaner, bruker noen lag komposittmaterialer for å øke kompleksiteten og forbedre motstanden mot høye temperaturer. For eksempel, tilsetning av nanotinnoksidantimon til WPU syntetisert fra DMPA, polyeter 220 og IPDI gjør at blekklagene absorberer varme, og forbedrer motstanden mot høye temperaturer. Tilsetning av silikaaerogel til polyuretan reduserer også termisk ledningsevne og forbedrer blekkvarmemotstanden.

5. Stabilitetsmodifisering

WPU-stabilitet påvirker i betydelig grad vannbasert blekklagringsytelse. Foruten vann- og høytemperaturbestandighet er molekylvekt og strukturarrangement avgjørende. Polyesterharpikser er generelt mer stabile enn polyeterharpikser på grunn av flere hydrogenbindinger i molekylstrukturen. Tilsetning av esterstoffer for å danne blandede polyuretaner øker stabiliteten, for eksempel å bruke isocyanat- og silandispersjon for å lage en tokomponent WPU med forbedret stabilitet og slitestyrke. Varmebehandling og kjøling kan også skape flere hydrogenbindinger, strammere molekylært arrangement og forbedre WPU-stabilitet og vannbasert blekklagringsytelse.

6. Adhesjonsforbedring

Selv om optimalisering av WPU forbedrer vannmotstand, høytemperaturbestandighet og stabilitet, viser WPU-er fortsatt dårlig vedheft til polyetylen (PE) plastprodukter på grunn av molekylvekt og polaritet. Vanligvis tilsettes polymerer eller monomerer med lignende polaritet og molekylvekt for å forbedre WPU og forbedre vannbasert blekkvedheft til ikke-polare materialer. Kopolymerisering av WPU med en polyvinylklorid-hydroksyetylakrylatharpiks forbedrer for eksempel vanntett vedheft mellom blekk og belegg. Tilsetning av akrylpolyesterharpiks til WPU skaper en unik molekylær lenkestruktur, som forbedrer WPU-vedheften betydelig. Imidlertid kan disse metodene påvirke originale blekkegenskaper som glans. Derfor behandler industrielle teknikker materialer uten å endre egenskaper for å forbedre blekkvedheft, for eksempel aktivering av overflater med elektroder eller kortvarig flammebehandling for å øke adsorpsjonen.

• Konklusjon

For tiden er vannbasert blekk mye brukt i matemballasje, farmasøytisk emballasje, verksteder, bøker og andre malings- eller utskriftsapplikasjoner. Imidlertid begrenser deres iboende ytelsesbegrensninger bredere applikasjoner. Ettersom miljø- og sikkerhetsbevisstheten vokser med forbedret levestandard, erstatter vannbasert miljøvennlig blekk som reduserer VOC-utslipp i økende grad løsemiddelbasert blekk, og utfordrer tradisjonelle løsemiddelbaserte blekkmarkeder.

I denne sammenhengen er det avgjørende for fremtidig vannbasert blekkutvikling å forbedre blekkytelsen ved å modifisere vannbaserte harpikser, spesielt vannbaserte polyuretaner, gjennom innovative metoder som nanoteknologi og hybridisering av organiske og uorganiske forbindelser. Derfor er ytterligere omfattende forskning på harpiksmodifikasjoner nødvendig for å forbedre vannbasert blekkytelse for bredere bruksområder.