Explorarea dezvoltării cernelurilor pe bază de apă și studiul cernelurilor din poliuretan pe bază de apă ecologice

Poluarea aerului a fost mult timp o preocupare majoră, emisiile de gaze toxice, cum ar fi COV, contribuind semnificativ, alături de fenomene naturale precum furtunile de praf. Pe măsură ce gradul de conștientizare cu privire la protecția mediului crește și diferite politici naționale sunt implementate, industria tipografică, un important emițător de COV, s-a confruntat cu reforme inevitabile. În consecință, cernelurile de imprimare ecologice au devenit un punct focal în cercetarea industriei de imprimare la nivel mondial. Dintre cernelurile ecologice disponibile, inclusiv cernelurile pe bază de apă, cernelurile curabile cu energie și cernelurile pe bază de ulei vegetal, cernelurile pe bază de apă sunt cele mai utilizate. Cernelurile pe bază de apă conțin o proporție mai mică de solvenți organici, reducând emisiile de COV și aliniindu-se la principiile de protecție a mediului. Cu toate acestea, cernelurile pe bază de apă au și dezavantaje, cum ar fi timpii de uscare și întărire lenți și rezistență slabă la apă și alcali, limitând aplicarea lor în cernelurile industriale tradiționale. Astfel, îmbunătățirea acestor puncte slabe prin modificarea rășinii a devenit un accent semnificativ. Această lucrare prezintă dezvoltarea și aplicarea cernelurilor pe bază de apă, studiul modificărilor rășinilor, progresul cercetării privind cernelurile de imprimare care utilizează poliuretani pe bază de apă și perspectivele de viitor în acest domeniu.

• Experimental

1. Dezvoltarea cernelurilor pe bază de apă

Cernelurile au o istorie lungă, apărând odată cu invenția tiparului. După introducerea Lithol Red Pigment în 1900, cernelurile au devenit larg răspândite, determinând țările să investească în cercetarea cernelii. Cernelurile pe bază de apă sunt un derivat rezultat din cerințele mai mari pentru caracterul practic al cernelii. Cercetările privind cernelurile pe bază de apă au început în străinătate în anii 1960, în primul rând pentru a accelera ratele de imprimare și pentru a reduce dependența de materiile prime pe bază de petrol. Aceste cerneluri foloseau compuși organici precum benzenul și șelacul sau lignosulfonatul de sodiu ca materiale principale pentru a satisface nevoile de imprimare din acel moment. În anii 1970, cercetătorii au dezvoltat o rășină de emulsie polimerică cu o structură de miez și înveliș de rețea prin polimerizarea monomerilor acrilici cu stiren, menținând luciul și rezistența la apă a cernelurilor, respectând în același timp cerințele de mediu. Cu toate acestea, pe măsură ce conștientizarea mediului a crescut și au fost adoptate legi de mediu mai stricte, proporția de substanțe organice pe bază de benzen din cerneluri a scăzut. Până în anii 1980, țările vest-europene au introdus conceptele și tehnologiile de „imprimare cu cerneală verde” și „imprimare cu cerneală pe bază de apă”.

Industria cernelurilor din China a început la sfârșitul dinastiei Qing cu producția de monedă, bazându-se în mare măsură pe cerneluri importate până în 1975, când Fabrica de cerneală Tianjin și Fabrica de cerneală Gangu au dezvoltat și produs prima cerneală autohtonă pe bază de apă. Până în anii 1990, China importase peste 100 de linii de producție de imprimare flexo, promovând rapid utilizarea cernelurilor pe bază de apă. În 2003, Institutul de Cercetare pentru Tehnologia Industrială din China a dezvoltat cu succes produse similare, iar la începutul anului 2004, Shanghai Meide Company a produs o cerneală termorezistentă la temperatură joasă, complet pe bază de apă, care respectă standardele japoneze și germane. Deși cercetările Chinei privind cernelurile pe bază de apă au cunoscut o dezvoltare rapidă la începutul secolului XXI, țările occidentale au realizat deja progrese semnificative: aproximativ 95% dintre produsele flexo și 80% dintre produsele de gravură din Statele Unite au folosit cerneluri pe bază de apă, în timp ce Marea Britanie iar Japonia a adoptat cerneluri pe bază de apă pentru ambalajele alimentare și farmaceutice. Comparativ, dezvoltarea Chinei a fost mai lentă.

Pentru a promova și mai mult piața, China a introdus primul standard de cerneală pe bază de apă în mai 2007 și în 2011 a pledat pentru „dezvoltarea inovației ecologice”, având ca scop înlocuirea cernelurilor pe bază de solvenți cu cerneluri pe bază de apă. În „al 13-lea plan cincinal” din 2016 pentru industria tipografică, „cercetarea materialelor ecologice pe bază de apă” și „imprimarea verde” au fost punctele cheie. Până în 2020, promovarea națională a imprimării ecologice și digitale a extins piața de cerneală pe bază de apă.

2. Aplicarea cernelurilor pe bază de apă

La începutul secolului al XX-lea, Statele Unite au aplicat pentru prima dată cerneluri pe bază de apă în imprimarea flexo. Până în anii 1970, cernelurile de înaltă calitate pe bază de apă erau utilizate pe scară largă pentru diferite hârtie de ambalare, rafturi groase și carton. În anii 1980, cernelurile pe bază de apă pentru serigrafie lucioasă și mată au fost dezvoltate în străinătate, extinzându-și aplicarea la țesături, hârtie, PVC, polistiren, folie de aluminiu și metale. În prezent, datorită caracteristicilor lor ecologice, non-toxice și sigure, cernelurile pe bază de apă sunt utilizate în principal în imprimarea ambalajelor alimentare, cum ar fi ambalajele pentru tutun și sticlele pentru băuturi. Pe măsură ce legile de mediu se îmbunătățesc, aplicarea de cerneluri pe bază de apă continuă să se diversifice și să se intensifice. De asemenea, China promovează progresiv utilizarea lor în industria tipografică.

• Rezultate și discuții

1. Cercetări privind modificările rășinilor

Performanța cernelii este influențată de diferențele dintre rășini. În general, rășinile de cerneală pe bază de apă sunt de obicei poliuretan, emulsii acrilice modificate sau rășini poliacrilice. Rășinile poliuretanice pe bază de apă (WPU), cu luciu superior, sunt utilizate pe scară largă în imprimarea ambalajelor. Astfel, îmbunătățirea performanței WPU pentru a îmbunătăți compatibilitatea cu mediul și luciul cernelii pe bază de apă a devenit un accent în industria tipăririi.

2. Modificarea poliuretanilor pe bază de apă

Poliuretanii pe bază de apă, compuși din polioli cu greutate moleculară mică, pot fi clasificați în tipuri de poliester, polieter și hibrid. Pe baza proprietăților diferite ale polimerilor poliester și polieter, rezistența și stabilitatea acestora variază. În general, poliuretanii polieteri au o rezistență și o stabilitate mai scăzute decât poliuretanii poliester, dar prezintă o rezistență mai bună la temperaturi înalte și sunt mai puțin predispuse la hidroliză. De exemplu, creșterea „consistenței” cernelii prin utilizarea eterului monometil de polietilen glicol îmbunătățește caracteristicile de toleranță ale acesteia. Cu toate acestea, acesta este doar un punct de referință. Diverse institute de cercetare adoptă diferite metode pentru a îmbunătăți aspectele specifice ale WPU.

De exemplu, în 2010, rășini epoxidice cu duritate și rezistență la impact ridicate au fost selectate pentru a aborda problemele de vâscozitate și aderență a cernelii, sporind astfel rezistența cernelii. În 2006, un studiu publicat de Beijing Chemical University a folosit poliuretan pe bază de etilenglicol pentru a forma o rășină specială cu un segment moale lung, îmbunătățind flexibilitatea cernelii și întărind indirect cerneala pe bază de apă. Unele echipe obțin rezultate de modificare prin adăugarea de substanțe chimice: încorporând silice sau organosiliciu pentru a îmbunătăți WPU, rezultând o rezistență îmbunătățită la tracțiune a cernelii. Poliuretanul butadien nitril cu terminație carboxil este utilizat pentru a îmbunătăți performanța de îndoire a cernelii și vâscozitatea, adaptându-se la medii mai complexe.

Astfel, cercetătorii selectează în mod obișnuit poliesteri specifici pe baza proprietăților cernelii, utilizând poliacizi și polioli adecvați pentru a sintetiza poliester polioli rezistenți la căldură, introducând grupuri polare cu aderență puternică, selectând materii prime adecvate pentru a îmbunătăți cristalinitatea poliuretanului și folosind agenți de cuplare pentru a îmbunătăți adezivul WPU. rezistență la umiditate și căldură.

3. Modificarea rezistenței la apă

Deoarece cerneala este utilizată în principal pentru ambalajele exterioare și intră frecvent în contact cu apa, rezistența slabă la apă poate duce la o duritate redusă, luciu și chiar decojirea sau deteriorarea cernelii, afectând semnificativ performanța de depozitare. Îmbunătățirea rezistenței la apă WPU îmbunătățește performanța de stocare a cernelii prin utilizarea ca materiale de polioli cu rezistență bună la apă. De exemplu, modificarea WPU cu monomeri acrilici sau ajustarea conținutului de rășină epoxidică poate îmbunătăți rezistența la apă a cernelii.

În afară de utilizarea polimerilor cu rezistență ridicată la apă pentru a înlocui poliuretanul standard, cercetătorii adaugă adesea substanțe organice sau anorganice pentru a obține efectul dorit. De exemplu, încorporarea silicei la scară nanometrică în rășină sporește rezistența și rezistența la apă, o metodă utilizată pe scară largă în producția de cerneală. „Metoda de copolimerizare în emulsie” creează PUA compozit pentru a îmbunătăți rezistența la apă, în timp ce metode precum modificarea eterului monometil de polietilen glicol și sinteza acetonei din WPU modificat cu organosiliciu sporesc rezistența la apă.

4. Modificarea rezistenței la temperatură înaltă

În general, rezistența la temperatură ridicată a WPU este relativ slabă, limitând rezistența la căldură a cernelii pe bază de apă. Poliuretanii polieterici au, de obicei, o rezistență mai bună la temperaturi înalte decât poliuretanii poliester, datorită numărului de legături duble. Adăugarea de polimeri cu lanț lung sau esteri/eteri benzenici ca monomeri de polimerizare îmbunătățește rezistența polimerului la temperaturi înalte și, în consecință, rezistența la căldură a cernelii pe bază de apă. Pe lângă utilizarea poliuretanilor din polieter cu lanț lung, unele echipe folosesc materiale compozite pentru a crește complexitatea și a spori rezistența la temperaturi înalte. De exemplu, adăugarea de nano oxid de staniu antimoniu la WPU sintetizat din DMPA, polieter 220 și IPDI permite straturilor de cerneală să absoarbă căldura, îmbunătățind rezistența la temperaturi înalte. Adăugarea de aerogel de silice la poliuretan reduce, de asemenea, conductibilitatea termică și îmbunătățește rezistența la căldură a cernelii.

5. Modificarea stabilității

Stabilitatea WPU afectează semnificativ performanța stocării cernelii pe bază de apă. Pe lângă rezistența la apă și la temperaturi înalte, greutatea moleculară și aranjarea structurii sunt cruciale. Rășinile poliesterice sunt, în general, mai stabile decât rășinile polieterică datorită mai multor legături de hidrogen în structura moleculară. Adăugarea de substanțe esterice pentru a forma poliuretani amestecați crește stabilitatea, cum ar fi utilizarea dispersiei de izocianat și silan pentru a crea un WPU cu două componente, cu stabilitate și rezistență la abraziune îmbunătățite. Tratamentul termic și răcirea pot crea, de asemenea, mai multe legături de hidrogen, strângând aranjamentul molecular și îmbunătățind stabilitatea WPU și performanța de stocare a cernelii pe bază de apă.

6. Îmbunătățirea aderenței

În timp ce optimizarea WPU îmbunătățește rezistența la apă, rezistența la temperatură ridicată și stabilitatea, WPU-urile arată încă o aderență slabă la produsele din plastic din polietilenă (PE) datorită greutății moleculare și a polarității. De obicei, se adaugă polimeri sau monomeri cu polaritate și greutate moleculară similară pentru a îmbunătăți WPU și pentru a îmbunătăți aderența cernelii pe bază de apă la materialele nepolare. De exemplu, copolimerizarea WPU cu o rășină de clorură de polivinil-hidroxietil acrilat îmbunătățește aderența impermeabilă între cerneluri și acoperiri. Adăugarea rășinii poliester acrilice la WPU creează o structură moleculară unică, îmbunătățind semnificativ aderența WPU. Cu toate acestea, aceste metode pot afecta proprietățile originale ale cernelii, cum ar fi luciul. Prin urmare, tehnicile industriale tratează materialele fără a modifica proprietățile pentru a îmbunătăți aderența cernelii, cum ar fi activarea suprafețelor cu electrozi sau tratamentul cu flacără pe termen scurt pentru a crește adsorbția.

• Concluzie

În prezent, cernelurile pe bază de apă sunt utilizate pe scară largă în ambalajele alimentare, ambalajele farmaceutice, atelierele, cărțile și alte aplicații de acoperire sau imprimare. Cu toate acestea, limitările lor inerente de performanță restricționează aplicațiile mai largi. Pe măsură ce conștientizarea mediului și a siguranței crește odată cu îmbunătățirea standardelor de viață, cernelurile ecologice pe bază de apă care reduc emisiile de COV înlocuiesc din ce în ce mai mult cernelurile pe bază de solvenți, provocând piețele tradiționale de cerneluri pe bază de solvenți.

În acest context, îmbunătățirea performanței cernelii prin modificarea rășinilor pe bază de apă, în special a poliuretanilor pe bază de apă, prin metode inovatoare precum nanotehnologia și hibridizarea compușilor organici și anorganici este crucială pentru dezvoltarea viitoare a cernelii pe bază de apă. Prin urmare, sunt necesare cercetări suplimentare cuprinzătoare asupra modificărilor rășinii pentru a îmbunătăți performanța cernelii pe bază de apă pentru aplicații mai largi.