Изучение разработки чернил на водной основе и исследование экологически чистых полиуретановых чернил на водной основе

Загрязнение воздуха уже давно является серьезной проблемой: выбросы токсичных газов, таких как ЛОС, вносят значительный вклад наряду с такими природными явлениями, как пыльные бури. По мере роста осведомленности об охране окружающей среды и реализации различных национальных политик полиграфическая промышленность, являющаяся основным источником выбросов ЛОС, столкнулась с неизбежными реформами. Следовательно, экологически чистые печатные краски стали центром внимания глобальных исследований полиграфической отрасли. Среди доступных экологически чистых чернил, включая чернила на водной основе, энергоотверждаемые чернила и чернила на основе растительного масла, наиболее широко используются чернила на водной основе. Чернила на водной основе содержат меньшую долю органических растворителей, что снижает выбросы летучих органических соединений и соответствует принципам защиты окружающей среды. Однако чернила на водной основе также имеют недостатки, такие как медленное время высыхания и отверждения, а также плохая устойчивость к воде и щелочам, что ограничивает их применение в традиционных промышленных красках. Таким образом, устранение этих недостатков посредством модификации смолы стало важным направлением деятельности. В этой статье описываются разработка и применение чернил на водной основе, исследование модификаций смол, прогресс в исследованиях печатных красок с использованием полиуретанов на водной основе, а также будущие перспективы в этой области.

• Экспериментальный

1. Разработка чернил на водной основе

Чернила имеют долгую историю, появившуюся вместе с изобретением печати. После появления красного пигмента литола в 1900 году чернила получили широкое распространение, что побудило страны инвестировать в исследования чернил. Чернила на водной основе являются производным продуктом, возникшим в результате более высоких требований к практичности чернил. Исследования чернил на водной основе начались за рубежом в 1960-х годах, главным образом с целью повышения скорости печати и снижения зависимости от сырья на основе нефти. В этих чернилах использовались органические соединения, такие как бензолы и шеллак или лигносульфонат натрия, в качестве основных материалов для удовлетворения потребностей печати того времени. В 1970-х годах исследователи разработали полимерную эмульсионную смолу со структурой ядро-оболочка и сетчатой ​​структурой путем полимеризации акриловых мономеров со стиролом, что позволило сохранить блеск и водостойкость чернил, одновременно отвечая экологическим требованиям. Однако по мере роста экологического сознания и принятия более строгих экологических законов доля органических веществ на основе бензола в чернилах снизилась. К 1980-м годам в странах Западной Европы были внедрены концепции и технологии «печати зелеными чернилами» и «новой печати чернилами на водной основе».

Чернильная промышленность Китая зародилась в конце династии Цин с производства денег, в значительной степени опираясь на импортные чернила до 1975 года, когда Тяньцзиньская чернильная фабрика и Гангуская чернильная фабрика разработали и произвели первые отечественные чернила для глубокой печати на водной основе. К 1990-м годам Китай импортировал более 100 производственных линий флексографской печати, быстро продвигая использование красок на водной основе. В 2003 году Китайский научно-исследовательский институт промышленных технологий успешно разработал сопутствующие продукты, а в начале 2004 года компания Shanghai Meide Company выпустила низкотемпературные термореактивные чернила на водной основе, соответствующие японским и немецким стандартам. Хотя исследования красок на водной основе в Китае быстро развивались в начале 21 века, западные страны уже достигли значительного прогресса: около 95% флексографской продукции и 80% продукции глубокой печати в США использовали краски на водной основе, а в Великобритании а Япония приняла чернила на водной основе для упаковки пищевых продуктов и фармацевтических препаратов. Для сравнения, развитие Китая было медленнее.

В целях дальнейшего продвижения рынка Китай в мае 2007 года представил первый стандарт чернил на водной основе, а в 2011 году выступил за «развитие экологически чистых инноваций», стремясь заменить чернила на основе растворителей чернилами на водной основе. В «13-й пятилетке» полиграфической промышленности на 2016 год ключевыми направлениями были «исследования экологических материалов на водной основе» и «зеленая печать». К 2020 году национальное продвижение «зеленой» и цифровой печати расширило рынок чернил на водной основе.

2. Нанесение чернил на водной основе

В начале 20 века в США впервые применили краски на водной основе во флексографской печати. К 1970-м годам высококачественные чернила для глубокой печати на водной основе широко использовались для печати различной упаковочной бумаги, толстых книжных полок и картона. В 1980-е годы за рубежом были разработаны глянцевые и матовые краски для трафаретной печати на водной основе, что расширило их применение на тканях, бумаге, ПВХ, полистироле, алюминиевой фольге и металлах. В настоящее время, благодаря своим экологически чистым, нетоксичным и безопасным характеристикам, чернила на водной основе в основном используются при печати на упаковках пищевых продуктов, таких как упаковка табачных изделий и бутылки для напитков. По мере совершенствования экологического законодательства применение чернил на водной основе продолжает расширяться и расширяться. Китай также постепенно продвигает их использование в полиграфической промышленности.

• Результаты и обсуждение

1. Исследования модификаций смолы

На характеристики чернил влияют различия в смолах. Обычно смолы для чернил на водной основе представляют собой полиуретан, модифицированные акриловые эмульсии или полиакриловые смолы. Полиуретановые смолы на водной основе (WPU) с превосходным глянцем широко используются в печати упаковки. Таким образом, повышение производительности WPU для улучшения экологической чистоты и блеска чернил на водной основе стало приоритетом в полиграфической промышленности.

2. Модификация полиуретанов на водной основе

Полиуретаны на водной основе, состоящие из низкомолекулярных полиолов, можно разделить на полиэфирные, полиэфирные и гибридные. В зависимости от различных свойств полиэфирных и полиэфирных полимеров их прочность и стабильность различаются. Как правило, полиэфирные полиуретаны имеют меньшую прочность и стабильность, чем полиэфирные полиуретаны, но демонстрируют лучшую устойчивость к высоким температурам и менее склонны к гидролизу. Например, увеличение «консистенции» чернил за счет использования монометилового эфира полиэтиленгликоля улучшает их переносимость. Однако это лишь ориентир. Различные исследовательские институты применяют разные методы для улучшения конкретных аспектов WPU.

Например, в 2010 году были выбраны эпоксидные смолы с высокой ударной вязкостью и ударной вязкостью, чтобы решить проблемы вязкости и адгезии чернил, тем самым повысив их прочность. В 2006 году в исследовании, опубликованном Пекинским химическим университетом, полиуретан на основе этиленгликоля использовался для образования специальной смолы с длинным мягким сегментом, улучшающей гибкость чернил и косвенно укрепляющей чернила на водной основе. Некоторые команды достигают результатов модификации путем добавления химических веществ: диоксида кремния или кремнийорганического соединения для улучшения WPU, что приводит к повышению прочности чернил на разрыв. Бутадиеннитриловый полиуретан с концевыми карбоксильными группами используется для улучшения характеристик изгиба и вязкости чернил, адаптируясь к более сложным средам.

Таким образом, исследователи обычно выбирают конкретные полиэфиры на основе свойств чернил, используют соответствующие поликислоты и полиолы для синтеза термостойких полиэфирполиолов, вводят полярные группы с сильной адгезией, выбирают подходящее сырье для улучшения кристалличности полиуретана и используют связующие агенты для улучшения адгезии WPU. влаго- и термостойкость.

3. Модификация водонепроницаемости

Поскольку чернила в основном используются для внешней упаковки и часто контактируют с водой, плохая водостойкость может привести к снижению твердости, блеска и даже отслаиванию или повреждению чернил, что существенно влияет на эффективность хранения. Улучшение водостойкости WPU повышает эффективность хранения чернил за счет использования в качестве материалов полиолов с хорошей водостойкостью. Например, модификация WPU акриловыми мономерами или регулирование содержания эпоксидной смолы может улучшить водостойкость чернил.

Помимо использования полимеров с высокой водостойкостью для замены стандартного полиуретана, исследователи часто добавляют органические или неорганические вещества для достижения желаемого эффекта. Например, включение наноразмерного диоксида кремния в смолу повышает водостойкость и прочность — широко используемый метод при производстве чернил. «Метод эмульсионной сополимеризации» создает композитный ПУА для улучшения водостойкости, в то время как такие методы, как модификация монометиловым эфиром полиэтиленгликоля и синтез ацетоном кремнийорганического модифицированного WPU, повышают водостойкость.

4. Модификация высокотемпературного сопротивления

Как правило, устойчивость WPU к высоким температурам относительно слаба, что ограничивает термостойкость чернил на водной основе. Полиэфирные полиуретаны обычно обладают лучшей устойчивостью к высоким температурам, чем полиэфирные полиуретаны, из-за количества двойных связей. Добавление длинноцепочечных полимеров или эфиров/эфиров с бензольным кольцом в качестве мономеров полимеризации улучшает устойчивость полимера к высоким температурам и, следовательно, термостойкость чернил на водной основе. Помимо использования полиэфирных полиуретанов с длинной цепью, некоторые команды используют композитные материалы для увеличения сложности и повышения устойчивости к высоким температурам. Например, добавление нанооксида олова сурьмы к WPU, синтезированному из DMPA, полиэфира 220 и IPDI, позволяет слоям чернил поглощать тепло, улучшая устойчивость к высоким температурам. Добавление кремнеземного аэрогеля к полиуретану также снижает теплопроводность и повышает термостойкость чернил.

5. Модификация стабильности

Стабильность WPU существенно влияет на эффективность хранения чернил на водной основе. Помимо водостойкости и устойчивости к высоким температурам решающее значение имеют молекулярная масса и расположение структуры. Полиэфирные смолы обычно более стабильны, чем полиэфирные смолы, из-за большего количества водородных связей в молекулярной структуре. Добавление сложноэфирных веществ для образования смешанных полиуретанов повышает стабильность, например, использование дисперсии изоцианата и силана для создания двухкомпонентного WPU с улучшенной стабильностью и стойкостью к истиранию. Термическая обработка и охлаждение также могут создать больше водородных связей, уплотняя молекулярное расположение и повышая стабильность WPU и эффективность хранения чернил на водной основе.

6. Улучшение адгезии

Хотя оптимизация WPU улучшает водостойкость, устойчивость к высоким температурам и стабильность, WPU по-прежнему демонстрируют плохую адгезию к пластиковым изделиям из полиэтилена (PE) из-за молекулярной массы и полярности. Обычно полимеры или мономеры с одинаковой полярностью и молекулярной массой добавляются для улучшения WPU и улучшения адгезии чернил на водной основе к неполярным материалам. Например, сополимеризация WPU с поливинилхлорид-гидроксиэтилакрилатной смолой улучшает водонепроницаемую адгезию между красками и покрытиями. Добавление акриловой полиэфирной смолы к WPU создает уникальную структуру молекулярных связей, значительно улучшающую адгезию WPU. Однако эти методы могут повлиять на исходные свойства чернил, например на блеск. Поэтому промышленные методы обрабатывают материалы без изменения свойств для улучшения адгезии чернил, например, активируют поверхности электродами или кратковременную обработку пламенем для увеличения адсорбции.

• Заключение

В настоящее время чернила на водной основе широко используются в упаковке пищевых продуктов, фармацевтической продукции, мастерских, книгах и других покрытиях или полиграфии. Однако присущие им ограничения производительности ограничивают более широкие приложения. Поскольку осведомленность об окружающей среде и безопасности растет вместе с повышением уровня жизни, экологически чистые чернила на водной основе, которые сокращают выбросы летучих органических соединений, все чаще заменяют чернила на основе растворителей, бросая вызов традиционным рынкам чернил на основе растворителей.

В этом контексте улучшение характеристик чернил путем модификации смол на водной основе, особенно полиуретанов на водной основе, с помощью инновационных методов, таких как нанотехнологии и гибридизация органических и неорганических соединений, имеет решающее значение для будущей разработки чернил на водной основе. Поэтому необходимы дальнейшие комплексные исследования модификаций смол для улучшения характеристик чернил на водной основе для более широкого применения.