Explorando o desenvolvimento de tintas à base de água e o estudo de tintas de poliuretano à base de água ecologicamente corretas

A poluição atmosférica tem sido uma grande preocupação, sendo as emissões de gases tóxicos, como os COV, contribuintes significativos, juntamente com fenómenos naturais como as tempestades de areia. À medida que cresce a sensibilização para a protecção ambiental e que são implementadas diversas políticas nacionais, a indústria gráfica, um importante emissor de COV, tem enfrentado reformas inevitáveis. Consequentemente, as tintas de impressão ecológicas tornaram-se um ponto focal na pesquisa da indústria gráfica global. Entre as tintas ecológicas disponíveis, incluindo tintas à base de água, tintas de cura energética e tintas à base de óleo vegetal, as tintas à base de água são as mais amplamente utilizadas. As tintas à base de água contêm uma proporção menor de solventes orgânicos, reduzindo as emissões de VOC e alinhando-se aos princípios de proteção ambiental. No entanto, as tintas à base de água também apresentam desvantagens, tais como tempos lentos de secagem e cura e baixa resistência à água e aos álcalis, limitando a sua aplicação em tintas industriais tradicionais. Assim, melhorar estes pontos fracos através da modificação da resina tornou-se um foco significativo. Este artigo descreve o desenvolvimento e aplicação de tintas à base de água, o estudo das modificações da resina, o progresso na pesquisa em tintas de impressão utilizando poliuretanos à base de água e as perspectivas futuras neste campo.

• Experimental

1. Desenvolvimento de tintas à base de água

As tintas têm uma longa história, surgindo junto com a invenção da impressão. Após a introdução do pigmento vermelho litol em 1900, as tintas se espalharam, levando os países a investir na pesquisa de tintas. As tintas à base de água são um derivado resultante de maiores demandas por praticidade da tinta. A pesquisa sobre tintas à base de água começou no exterior na década de 1960, principalmente para acelerar as taxas de impressão e reduzir a dependência de matérias-primas à base de petróleo. Essas tintas usavam compostos orgânicos como benzenos e goma-laca ou lignosulfonato de sódio como materiais principais para atender às necessidades de impressão da época. Na década de 1970, os pesquisadores desenvolveram uma resina de emulsão polimérica com núcleo-invólucro e estrutura de rede, polimerizando monômeros acrílicos com estireno, mantendo o brilho das tintas e a resistência à água, ao mesmo tempo que atendem aos requisitos ambientais. No entanto, à medida que a consciência ambiental aumentou e leis ambientais mais rigorosas foram promulgadas, a proporção de produtos orgânicos à base de benzeno nas tintas diminuiu. Na década de 1980, os países da Europa Ocidental introduziram os conceitos e tecnologias de "impressão com tinta verde" e "nova impressão com tinta à base de água".

A indústria de tintas da China começou no final da Dinastia Qing com a produção de moeda, dependendo fortemente de tintas importadas até 1975, quando a Tianjin Ink Factory e a Gangu Ink Factory desenvolveram e produziram a primeira tinta doméstica para gravura à base de água. Na década de 1990, a China importou mais de 100 linhas de produção de impressão flexográfica, avançando rapidamente no uso de tintas à base de água. Em 2003, o Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial da China desenvolveu com sucesso produtos relacionados e, no início de 2004, a Shanghai Meide Company produziu uma tinta termofixa de baixa temperatura totalmente à base de água, atendendo aos padrões japoneses e alemães. Embora a investigação da China sobre tintas à base de água tenha registado um rápido desenvolvimento no início do século XXI, os países ocidentais já tinham alcançado progressos significativos: cerca de 95% dos produtos flexográficos e 80% dos produtos de gravura nos Estados Unidos utilizavam tintas à base de água, enquanto o Reino Unido e o Japão adotou tintas à base de água para embalagens de alimentos e produtos farmacêuticos. Comparativamente, o desenvolvimento da China foi mais lento.

Para promover ainda mais o mercado, a China introduziu o primeiro padrão de tinta à base de água em maio de 2007 e em 2011 defendeu o "desenvolvimento da inovação verde", com o objetivo de substituir tintas à base de solvente por tintas à base de água. No "13º Plano Quinquenal" de 2016 para a indústria gráfica, a "pesquisa sobre materiais ambientais à base de água" e a "impressão verde" foram os principais focos. Até 2020, a promoção nacional da impressão verde e digital expandiu o mercado de tintas à base de água.

2. Aplicação de tintas à base de água

No início do século 20, os Estados Unidos aplicaram pela primeira vez tintas à base de água na impressão flexográfica. Na década de 1970, tintas de gravura à base de água de alta qualidade eram amplamente utilizadas em vários papéis de embalagem, estantes grossas e papelão. Na década de 1980, tintas à base de água para serigrafia brilhante e fosca foram desenvolvidas no exterior, ampliando sua aplicação para tecidos, papel, PVC, poliestireno, folhas de alumínio e metais. Atualmente, devido às suas características ecológicas, não tóxicas e seguras, as tintas à base de água são utilizadas principalmente na impressão de embalagens de alimentos, como embalagens de tabaco e garrafas de bebidas. À medida que as leis ambientais melhoram, a aplicação de tintas à base de água continua a diversificar-se e a intensificar-se. A China também está a promover progressivamente a sua utilização na indústria gráfica.

• Resultados e discussão

1. Pesquisa sobre modificações de resina

O desempenho da tinta é influenciado pelas diferenças de resina. Geralmente, as resinas de tinta à base de água são tipicamente poliuretano, emulsões acrílicas modificadas ou resinas poliacrílicas. As resinas de poliuretano à base de água (WPU), com brilho superior, são amplamente utilizadas na impressão de embalagens. Assim, melhorar o desempenho do WPU para melhorar o brilho e o respeito ao meio ambiente da tinta à base de água tornou-se um foco na indústria de impressão.

2. Modificando Poliuretanos à Base de Água

Os poliuretanos à base de água, compostos de polióis de baixo peso molecular, podem ser classificados em poliéster, poliéter e tipos híbridos. Com base nas diferentes propriedades dos polímeros de poliéster e poliéter, a sua resistência e estabilidade variam. Geralmente, os poliuretanos de poliéter têm menor resistência e estabilidade do que os poliuretanos de poliéster, mas apresentam melhor resistência a altas temperaturas e são menos propensos à hidrólise. Por exemplo, aumentar a "consistência" da tinta usando éter monometílico de polietilenoglicol melhora suas características de tolerância. No entanto, este é apenas um ponto de referência. Vários institutos de pesquisa adotam métodos diferentes para aprimorar aspectos específicos da WPU.

Por exemplo, em 2010, resinas epóxi com alta tenacidade e resistência ao impacto foram selecionadas para resolver problemas de viscosidade e adesão da tinta, aumentando assim a resistência da tinta. Em 2006, um estudo publicado pela Beijing Chemical University utilizou poliuretano à base de etilenoglicol para formar uma resina especial com um segmento longo e macio, melhorando a flexibilidade da tinta e fortalecendo indiretamente a tinta à base de água. Algumas equipes conseguem resultados de modificação adicionando substâncias químicas: incorporando sílica ou organossilício para melhorar o WPU, resultando em maior resistência à tração da tinta. O poliuretano butadieno nitrila terminado em carboxila é usado para melhorar o desempenho de curvatura e a viscosidade da tinta, adaptando-se a ambientes mais complexos.

Assim, os pesquisadores normalmente selecionam poliésteres específicos com base nas propriedades da tinta, utilizando poliácidos e polióis apropriados para sintetizar polióis de poliéster resistentes ao calor, introduzindo grupos polares com forte adesão, selecionando matérias-primas adequadas para melhorar a cristalinidade do poliuretano e usando agentes de acoplamento para melhorar a aderência do adesivo WPU. umidade e resistência ao calor.

3. Modificação da resistência à água

Como a tinta é usada principalmente em embalagens externas e frequentemente entra em contato com a água, a baixa resistência à água pode levar à redução da dureza, do brilho e até mesmo descascamento ou danos à tinta, afetando significativamente o desempenho do armazenamento. Melhorar a resistência à água do WPU melhora o desempenho do armazenamento de tinta usando polióis com boa resistência à água como materiais. Por exemplo, modificar o WPU com monômeros acrílicos ou ajustar o conteúdo de resina epóxi pode melhorar a resistência à água da tinta.

Além de usar polímeros de alta resistência à água para substituir o poliuretano padrão, os pesquisadores frequentemente adicionam substâncias orgânicas ou inorgânicas para alcançar o efeito desejado. Por exemplo, a incorporação de sílica em nanoescala na resina aumenta a resistência e a resistência à água, um método amplamente utilizado na produção de tinta. O "método de copolimerização em emulsão" cria PUA composto para melhorar a resistência à água, enquanto métodos como a modificação do éter monometílico de polietilenoglicol e a síntese de acetona de WPU modificado com organossilício aumentam a resistência à água.

4. Modificação de resistência a altas temperaturas

Geralmente, a resistência a altas temperaturas do WPU é relativamente fraca, limitando a resistência ao calor da tinta à base de água. Os poliuretanos poliéter normalmente têm melhor resistência a altas temperaturas do que os poliuretanos poliéster devido ao número de ligações duplas. A adição de polímeros de cadeia longa ou ésteres/éteres de anel de benzeno como monômeros de polimerização melhora a resistência do polímero a altas temperaturas e, consequentemente, a resistência ao calor da tinta à base de água. Além de usar poliuretanos de poliéter de cadeia longa, algumas equipes usam materiais compósitos para aumentar a complexidade e melhorar a resistência a altas temperaturas. Por exemplo, adicionar antimônio de nanoóxido de estanho ao WPU sintetizado a partir de DMPA, poliéter 220 e IPDI permite que as camadas de tinta absorvam calor, melhorando a resistência a altas temperaturas. A adição de aerogel de sílica ao poliuretano também reduz a condutividade térmica e aumenta a resistência ao calor da tinta.

5. Modificação de estabilidade

A estabilidade da WPU afeta significativamente o desempenho do armazenamento de tinta à base de água. Além da resistência à água e a altas temperaturas, o peso molecular e o arranjo da estrutura são cruciais. As resinas de poliéster são geralmente mais estáveis ​​que as resinas de poliéter devido ao maior número de ligações de hidrogênio na estrutura molecular. A adição de substâncias ésteres para formar poliuretanos mistos aumenta a estabilidade, como o uso de dispersão de isocianato e silano para criar um WPU de componente duplo com estabilidade e resistência à abrasão aprimoradas. O tratamento térmico e o resfriamento também podem criar mais ligações de hidrogênio, estreitando o arranjo molecular e melhorando a estabilidade da WPU e o desempenho do armazenamento de tinta à base de água.

6. Melhoria da adesão

Embora a otimização do WPU melhore a resistência à água, a resistência a altas temperaturas e a estabilidade, os WPUs ainda apresentam baixa adesão a produtos plásticos de polietileno (PE) devido ao peso molecular e à polaridade. Normalmente, polímeros ou monômeros de polaridade e peso molecular semelhantes são adicionados para melhorar o WPU e aumentar a adesão de tinta à base de água a materiais não polares. Por exemplo, a copolimerização de WPU com uma resina de cloreto de polivinila-hidroxietil acrilato melhora a adesão à prova d'água entre tintas e revestimentos. A adição de resina acrílica de poliéster ao WPU cria uma estrutura de ligação molecular única, melhorando significativamente a adesão do WPU. No entanto, esses métodos podem afetar as propriedades originais da tinta, como o brilho. Portanto, as técnicas industriais tratam os materiais sem alterar as propriedades para melhorar a adesão da tinta, como ativar superfícies com eletrodos ou tratamento com chama de curto prazo para aumentar a adsorção.

• Conclusão

Atualmente, as tintas à base de água são amplamente utilizadas em embalagens de alimentos, embalagens farmacêuticas, oficinas, livros e outros revestimentos ou aplicações de impressão. No entanto, as suas limitações de desempenho inerentes restringem aplicações mais amplas. À medida que a consciência ambiental e de segurança cresce com a melhoria dos padrões de vida, as tintas ecológicas à base de água que reduzem as emissões de VOC estão substituindo cada vez mais as tintas à base de solvente, desafiando os mercados tradicionais de tintas à base de solvente.

Neste contexto, melhorar o desempenho da tinta através da modificação de resinas à base de água, especialmente poliuretanos à base de água, através de métodos inovadores como a nanotecnologia e a hibridização de compostos orgânicos e inorgânicos é crucial para o futuro desenvolvimento de tintas à base de água. Portanto, são necessárias mais pesquisas abrangentes sobre modificações de resina para melhorar o desempenho da tinta à base de água para aplicações mais amplas.