Badanie rozwoju atramentów na bazie wody i badania nad ekologicznymi atramentami poliuretanowymi na bazie wody

Zanieczyszczenie powietrza od dawna stanowi poważny problem, a emisje toksycznych gazów, takich jak LZO, wnoszą znaczący udział obok zjawisk naturalnych, takich jak burze piaskowe. Wraz ze wzrostem świadomości w zakresie ochrony środowiska i wdrażaniem różnych polityk krajowych, przemysł poligraficzny, główny emitent LZO, stanął w obliczu nieuniknionych reform. W rezultacie przyjazne dla środowiska farby drukarskie stały się centralnym punktem badań światowej branży poligraficznej. Spośród dostępnych tuszy ekologicznych, w tym tuszy na bazie wody, tuszy utwardzanych energią i tuszów na bazie olejów roślinnych, najczęściej stosowane są tusze na bazie wody. Atramenty na bazie wody zawierają mniejszą ilość rozpuszczalników organicznych, co zmniejsza emisję LZO i jest zgodne z zasadami ochrony środowiska. Jednakże tusze na bazie wody mają również wady, takie jak długi czas schnięcia i utwardzania oraz słaba odporność na wodę i zasady, co ogranicza ich zastosowanie w tradycyjnych farbach przemysłowych. Dlatego też istotnym celem stało się poprawienie tych słabych punktów poprzez modyfikację żywicy. W artykule przedstawiono rozwój i zastosowanie farb wodnych, badania nad modyfikacjami żywic, postęp w badaniach nad farbami drukarskimi wykorzystującymi poliuretany na bazie wody oraz perspektywy na przyszłość w tej dziedzinie.

• Eksperymentalny

1. Rozwój atramentów na bazie wody

Atramenty mają długą historię, która pojawiła się wraz z wynalezieniem druku. Po wprowadzeniu w 1900 roku czerwonego pigmentu Lithol, atramenty stały się powszechne, co skłoniło kraje do inwestowania w badania nad atramentami. Atramenty wodne są pochodną wynikającą z wyższych wymagań w zakresie praktyczności atramentów. Badania nad atramentami wodnymi rozpoczęły się za granicą w latach sześćdziesiątych XX wieku, głównie w celu przyspieszenia tempa druku i zmniejszenia zależności od surowców ropopochodnych. Atramenty te wykorzystywały związki organiczne, takie jak benzeny i szelak lub lignosulfonian sodu jako główne materiały, aby sprostać ówczesnym potrzebom drukarskim. W latach 70. XX wieku badacze opracowali żywicę emulsyjną polimerową o strukturze rdzeń-powłoka i sieci, poprzez polimeryzację monomerów akrylowych ze styrenem, zachowując połysk i wodoodporność atramentów, spełniając jednocześnie wymagania środowiskowe. Jednakże wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej i wprowadzeniem bardziej rygorystycznych przepisów dotyczących ochrony środowiska, udział substancji organicznych na bazie benzenu w atramentach spadł. W latach 80. kraje Europy Zachodniej wprowadziły koncepcje i technologie „druku zielonym tuszem” i „nowego druku tuszem na bazie wody”.

Chiński przemysł atramentowy rozpoczął się pod koniec dynastii Qing od produkcji waluty i opierał się w dużej mierze na importowanych atramentach aż do 1975 r., kiedy to Tianjin Ink Factory i Gangu Ink Factory opracowały i wyprodukowały pierwszy krajowy atrament wklęsły na bazie wody. Do lat 90. Chiny zaimportowały ponad 100 linii produkcyjnych do druku fleksograficznego, szybko zwiększając wykorzystanie atramentów na bazie wody. W 2003 roku Chiński Instytut Badawczy Technologii Przemysłowych z sukcesem opracował powiązane produkty, a na początku 2004 roku firma Shanghai Meide Company wyprodukowała w pełni wodny, termoutwardzalny tusz termoutwardzalny spełniający standardy japońskie i niemieckie. Chociaż badania w Chinach nad atramentami na bazie wody szybko się rozwinęły na początku XXI wieku, kraje zachodnie osiągnęły już znaczny postęp: około 95% produktów fleksograficznych i 80% produktów wklęsłych w Stanach Zjednoczonych wykorzystuje atramenty na bazie wody, podczas gdy w Wielkiej Brytanii a Japonia przyjęła tusze na bazie wody do opakowań żywności i produktów farmaceutycznych. Dla porównania, rozwój Chin był wolniejszy.

Aby jeszcze bardziej promować rynek, Chiny wprowadziły pierwszy standard atramentów wodnych w maju 2007 r., a w 2011 r. opowiadały się za „rozwojem ekologicznych innowacji”, mającym na celu zastąpienie atramentów rozpuszczalnikowych tuszami na bazie wody. W „13. planie pięcioletnim” dla branży poligraficznej na 2016 r. głównymi obszarami zainteresowania były „badania nad materiałami ekologicznymi na bazie wody” i „zielony druk”. Do 2020 roku ogólnokrajowa promocja druku ekologicznego i cyfrowego rozszerzyła rynek atramentów wodnych.

2. Stosowanie farb na bazie wody

Na początku XX wieku Stany Zjednoczone po raz pierwszy zastosowały w druku fleksograficznym farby na bazie wody. W latach 70. wysokiej jakości wodne atramenty wklęsłe były szeroko stosowane w różnych papierach opakowaniowych, grubych półkach na książki i tekturze. W latach 80. za granicą opracowano błyszczące i matowe wodne farby do sitodruku, rozszerzając ich zastosowanie na tkaniny, papier, PCV, polistyren, folię aluminiową i metale. Obecnie, ze względu na swoje ekologiczne, nietoksyczne i bezpieczne właściwości, farby wodne są stosowane głównie w druku opakowań do żywności, takich jak opakowania wyrobów tytoniowych i butelki po napojach. W miarę ulepszania przepisów dotyczących ochrony środowiska, zastosowanie atramentów na bazie wody stale się różnicuje i intensyfikuje. Chiny stopniowo promują także ich zastosowanie w przemyśle poligraficznym.

• Wyniki i dyskusja

1. Badania nad modyfikacjami żywic

Na wydajność atramentu wpływają różnice w żywicy. Ogólnie rzecz biorąc, żywice tuszy na bazie wody to zazwyczaj poliuretany, modyfikowane emulsje akrylowe lub żywice poliakrylowe. Wodne żywice poliuretanowe (WPU) o doskonałym połysku są szeroko stosowane w druku opakowań. Dlatego też zwiększenie wydajności WPU w celu poprawy przyjazności dla środowiska i połysku atramentów wodnych stało się głównym tematem w branży poligraficznej.

2. Modyfikowanie poliuretanów na bazie wody

Poliuretany na bazie wody, składające się z polioli o niskiej masie cząsteczkowej, można podzielić na typy poliestrowe, polieterowe i hybrydowe. W oparciu o różne właściwości polimerów poliestrowych i polieterowych, ich wytrzymałość i stabilność są różne. Ogólnie rzecz biorąc, poliuretany polieterowe mają niższą wytrzymałość i stabilność niż poliuretany poliestrowe, ale wykazują lepszą odporność na wysoką temperaturę i są mniej podatne na hydrolizę. Na przykład zwiększenie „konsystencji” atramentu poprzez zastosowanie eteru monometylowego glikolu polietylenowego poprawia jego charakterystykę tolerancji. Jest to jednak jedynie punkt odniesienia. Różne instytuty badawcze przyjmują różne metody w celu ulepszenia określonych aspektów WPU.

Na przykład w 2010 roku wybrano żywice epoksydowe o wysokiej wytrzymałości i udarności, aby rozwiązać problemy z lepkością i przyczepnością atramentu, zwiększając w ten sposób wytrzymałość atramentu. W 2006 roku badanie opublikowane przez Uniwersytet Chemiczny w Pekinie wykorzystało poliuretan na bazie glikolu etylenowego do utworzenia specjalnej żywicy z długim miękkim segmentem, poprawiającej elastyczność atramentu i pośrednio wzmacniającej atrament na bazie wody. Niektóre zespoły osiągają wyniki modyfikacji poprzez dodanie substancji chemicznych: krzemionki lub krzemoorganicznego w celu poprawy WPU, co skutkuje zwiększoną wytrzymałością atramentu na rozciąganie. Poliuretan butadienowo-nitrylowy zakończony grupą karboksylową służy do poprawy wydajności i lepkości atramentu przy zginaniu, dostosowując się do bardziej złożonych środowisk.

Dlatego badacze zazwyczaj wybierają określone poliestry w oparciu o właściwości atramentu, wykorzystując odpowiednie polikwasy i poliole do syntezy odpornych na ciepło polioli poliestrowych, wprowadzając grupy polarne o silnej przyczepności, wybierając odpowiednie surowce w celu poprawy krystaliczności poliuretanu i stosując środki sprzęgające w celu zwiększenia przyczepności kleju WPU odporność na wilgoć i ciepło.

3. Modyfikacja wodoodporności

Ponieważ atrament jest używany głównie do opakowań zewnętrznych i często ma kontakt z wodą, słaba wodoodporność może prowadzić do zmniejszenia twardości, połysku, a nawet łuszczenia się lub uszkodzenia atramentu, znacząco wpływając na wydajność przechowywania. Poprawa wodoodporności WPU poprawia wydajność przechowywania atramentu dzięki zastosowaniu jako materiałów polioli o dobrej wodoodporności. Na przykład modyfikacja WPU monomerami akrylowymi lub dostosowanie zawartości żywicy epoksydowej może poprawić wodoodporność atramentu.

Oprócz stosowania polimerów o wysokiej wodoodporności w miejsce standardowego poliuretanu, badacze często dodają substancje organiczne lub nieorganiczne, aby uzyskać pożądany efekt. Na przykład dodanie nanokrzemionki do żywicy zwiększa wodoodporność i wytrzymałość, co jest powszechnie stosowaną metodą w produkcji atramentu. „Metoda kopolimeryzacji emulsyjnej” tworzy kompozytowe PUA w celu poprawy wodoodporności, podczas gdy metody takie jak modyfikacja eteru monometylowego glikolu polietylenowego i synteza acetonu WPU modyfikowanego krzemoorganicznym zwiększają wodoodporność.

4. Modyfikacja odporności na wysoką temperaturę

Ogólnie rzecz biorąc, odporność WPU na wysoką temperaturę jest stosunkowo słaba, co ogranicza odporność cieplną atramentu na bazie wody. Poliuretany polieterowe mają zazwyczaj lepszą odporność na wysoką temperaturę niż poliuretany poliestrowe ze względu na liczbę podwójnych wiązań. Dodanie polimerów długołańcuchowych lub estrów/eterów pierścienia benzenowego jako monomerów polimeryzacyjnych poprawia odporność polimeru na wysoką temperaturę, a w konsekwencji odporność na ciepło atramentu wodnego. Oprócz stosowania długołańcuchowych polieteropoliuretanów niektóre zespoły wykorzystują materiały kompozytowe w celu zwiększenia złożoności i zwiększenia odporności na wysoką temperaturę. Na przykład dodanie antymonu nanotlenku cyny do WPU syntetyzowanego z DMPA, polieteru 220 i IPDI umożliwia warstwom atramentu pochłanianie ciepła, poprawiając odporność na wysokie temperatury. Dodanie aerożelu krzemionkowego do poliuretanu zmniejsza również przewodność cieplną i zwiększa odporność atramentu na ciepło.

5. Modyfikacja stabilności

Stabilność WPU znacząco wpływa na wydajność przechowywania atramentu wodnego. Oprócz odporności na wodę i wysoką temperaturę, kluczowa jest masa cząsteczkowa i układ struktury. Żywice poliestrowe są na ogół bardziej stabilne niż żywice polieterowe ze względu na więcej wiązań wodorowych w strukturze molekularnej. Dodawanie substancji estrowych w celu wytworzenia mieszanych poliuretanów zwiększa stabilność, na przykład poprzez zastosowanie dyspersji izocyjanianów i silanów w celu wytworzenia dwuskładnikowego WPU o zwiększonej stabilności i odporności na ścieranie. Obróbka cieplna i chłodzenie mogą również wytworzyć więcej wiązań wodorowych, zacieśnić układ molekularny i zwiększyć stabilność WPU oraz wydajność przechowywania atramentu na bazie wody.

6. Poprawa przyczepności

Chociaż optymalizacja WPU poprawia wodoodporność, odporność na wysoką temperaturę i stabilność, WPU nadal wykazują słabą przyczepność do produktów z tworzyw sztucznych polietylenowych (PE) ze względu na masę cząsteczkową i polarność. Zazwyczaj dodaje się polimery lub monomery o podobnej polarności i masie cząsteczkowej w celu ulepszenia WPU i zwiększenia przyczepności atramentu na bazie wody do materiałów niepolarnych. Na przykład kopolimeryzacja WPU z żywicą polichlorku winylu i akrylanu hydroksyetylu poprawia wodoodporną przyczepność pomiędzy farbami i powłokami. Dodanie żywicy akrylowo-poliestrowej do WPU tworzy unikalną strukturę połączeń molekularnych, znacznie zwiększając przyczepność WPU. Metody te mogą jednak wpływać na właściwości oryginalnego atramentu, takie jak połysk. Dlatego też techniki przemysłowe przetwarzają materiały bez zmiany właściwości w celu poprawy przyczepności atramentu, na przykład aktywując powierzchnie za pomocą elektrod lub krótkotrwałą obróbkę płomieniową w celu zwiększenia adsorpcji.

• Wniosek

Obecnie atramenty na bazie wody są szeroko stosowane w opakowaniach żywności, opakowaniach farmaceutycznych, warsztatach, książkach i innych powłokach lub zastosowaniach drukarskich. Jednak ich nieodłączne ograniczenia wydajności ograniczają szersze zastosowania. W miarę wzrostu świadomości ekologicznej i bezpieczeństwa oraz poprawy standardów życia, ekologiczne atramenty wodne, które redukują emisję LZO, coraz częściej zastępują atramenty rozpuszczalnikowe, rzucając wyzwanie tradycyjnym rynkom atramentów rozpuszczalnikowych.

W tym kontekście poprawa wydajności atramentu poprzez modyfikację żywic na bazie wody, zwłaszcza poliuretanów na bazie wody, za pomocą innowacyjnych metod, takich jak nanotechnologia i hybrydyzacja związków organicznych i nieorganicznych, ma kluczowe znaczenie dla przyszłego rozwoju atramentów na bazie wody. Dlatego potrzebne są dalsze kompleksowe badania nad modyfikacjami żywic, aby zwiększyć wydajność atramentów wodnych w szerszych zastosowaniach.