Skúmanie vývoja atramentov na vodnej báze a štúdium ekologických polyuretánových atramentov na vodnej báze

Znečistenie ovzdušia je už dlho hlavným problémom, pričom emisie toxických plynov, ako sú VOC, sú významným prispievateľom popri prírodných javoch, ako sú prachové búrky. Ako rastie povedomie o ochrane životného prostredia a zavádzajú sa rôzne národné politiky, tlačiarenský priemysel, hlavný emitent VOC, čelí nevyhnutnej reforme. V dôsledku toho sa ekologické tlačové farby stali ústredným bodom celosvetového výskumu polygrafického priemyslu. Spomedzi dostupných ekologických atramentov, vrátane atramentov na vodnej báze, atramentov vytvrditeľných energiou a atramentov na báze rastlinného oleja, sú atramenty na vodnej báze najpoužívanejšie. Atramenty na vodnej báze obsahujú nižší podiel organických rozpúšťadiel, čím znižujú emisie VOC a sú v súlade s princípmi ochrany životného prostredia. Atramenty na vodnej báze však majú aj nevýhody, ako je pomalé schnutie a vytvrdzovanie a slabá odolnosť voči vode a zásadám, čo obmedzuje ich použitie v tradičných priemyselných atramentoch. Zlepšenie týchto nedostatkov prostredníctvom modifikácie živice sa teda stalo dôležitým cieľom. Tento článok načrtáva vývoj a aplikáciu atramentov na vodnej báze, štúdium modifikácií živice, pokrok vo výskume tlačiarenských farieb s použitím polyuretánov na vodnej báze a budúce vyhliadky v tejto oblasti.

• Experimentálne

1. Vývoj atramentov na vodnej báze

Atramenty majú dlhú históriu a objavujú sa spolu s vynálezom tlače. Po uvedení Lithol Red Pigment v roku 1900 sa atramenty rozšírili, čo prinútilo krajiny investovať do výskumu atramentov. Atramenty na vodnej báze sú derivátom vyplývajúcim z vyšších nárokov na praktickosť atramentu. Výskum atramentov na vodnej báze sa začal v zahraničí v 60. rokoch minulého storočia, predovšetkým s cieľom urýchliť rýchlosť tlače a znížiť závislosť od surovín na báze ropy. Tieto atramenty používali organické zlúčeniny ako benzény a šelak alebo lignosulfonát sodný ako hlavné materiály na uspokojenie tlačových potrieb v tom čase. V sedemdesiatych rokoch minulého storočia výskumníci vyvinuli polymérnu emulznú živicu s jadrom-obalom a sieťovou štruktúrou polymerizáciou akrylových monomérov so styrénom, čím sa zachoval lesk a odolnosť atramentov voči vode a zároveň spĺňali environmentálne požiadavky. So zvyšujúcim sa povedomím o životnom prostredí a prijatím prísnejších environmentálnych zákonov sa však podiel organických látok na báze benzénu v atramentoch znížil. V 80. rokoch západoeurópske krajiny zaviedli koncepty a technológie „zelenej atramentovej tlače“ a „novej atramentovej tlače na vodnej báze“.

Čínsky atramentový priemysel začal na konci dynastie Čching s výrobou meny, pričom sa vo veľkej miere spoliehal na dovážané atramenty až do roku 1975, kedy Tianjin Ink Factory a Gangu Ink Factory vyvinuli a vyrobili prvý domáci atrament na vodnej báze pre hĺbkotlač. Do 90. rokov 20. storočia Čína doviezla viac ako 100 výrobných liniek na flexotlač, čím sa rýchlo rozšírilo používanie atramentov na vodnej báze. V roku 2003 China Industrial Technology Research Institute úspešne vyvinul súvisiace produkty a začiatkom roku 2004 spoločnosť Shanghai Meide Company vyrobila úplne vodný, nízkoteplotný termosetový atrament, ktorý spĺňa japonské a nemecké normy. Hoci čínsky výskum atramentov na vodnej báze zaznamenal na začiatku 21. storočia rýchly rozvoj, západné krajiny už dosiahli významný pokrok: približne 95 % flexo produktov a 80 % produktov pre hĺbkotlač v Spojených štátoch používalo atramenty na vodnej báze, zatiaľ čo Spojené kráľovstvo a Japonsko prijali atramenty na vodnej báze na balenie potravín a farmaceutických výrobkov. V porovnaní s tým bol rozvoj Číny pomalší.

Na ďalšiu podporu trhu Čína v máji 2007 zaviedla prvý štandard atramentu na vodnej báze av roku 2011 sa zasadzovala za „vývoj zelených inovácií“ s cieľom nahradiť atramenty na báze rozpúšťadiel atramentmi na vodnej báze. V „13. päťročnom pláne“ pre polygrafický priemysel z roku 2016 boli kľúčovými témami „výskum environmentálnych materiálov na báze vody“ a „zelená tlač“. Do roku 2020 národná propagácia zelenej a digitálnej tlače rozšírila trh s atramentmi na vodnej báze.

2. Aplikácia atramentov na vodnej báze

Začiatkom 20. storočia Spojené štáty prvýkrát použili vo flexotlači atramenty na vodnej báze. V sedemdesiatych rokoch sa vysokokvalitné hĺbkotlačové farby na vodnej báze široko používali na rôzne baliace papiere, hrubé police na knihy a kartón. V 80. rokoch minulého storočia boli v zahraničí vyvinuté lesklé a matné sieťotlačové farby na vodnej báze, ktoré rozšírili svoje uplatnenie na látky, papier, PVC, polystyrén, hliníkové fólie a kovy. V súčasnosti sa atramenty na vodnej báze vďaka svojim ekologickým, netoxickým a bezpečným vlastnostiam používajú najmä pri tlači obalov potravín, ako sú obaly na tabak a fľaše na nápoje. So zlepšovaním environmentálnych zákonov sa používanie atramentov na vodnej báze neustále rozširuje a zintenzívňuje. Čína tiež postupne podporuje ich používanie v polygrafickom priemysle.

• Výsledky a diskusia

1. Výskum modifikácií živice

Výkon atramentu je ovplyvnený rozdielmi živice. Vo všeobecnosti sú atramentové živice na vodnej báze typicky polyuretánové, modifikované akrylové emulzie alebo polyakrylové živice. Polyuretánové (WPU) živice na vodnej báze s vynikajúcim leskom sa široko používajú pri tlači obalov. Zlepšenie výkonu WPU s cieľom zlepšiť šetrnosť k životnému prostrediu a lesk atramentu na vodnej báze sa preto stalo stredobodom tlačového priemyslu.

2. Modifikácia polyuretánov na vodnej báze

Polyuretány na vodnej báze, zložené z polyolov s nízkou molekulovou hmotnosťou, možno rozdeliť na polyesterové, polyéterové a hybridné typy. Na základe rôznych vlastností polyesterových a polyéterových polymérov sa mení ich pevnosť a stabilita. Vo všeobecnosti majú polyéterpolyuretány nižšiu pevnosť a stabilitu ako polyesterové polyuretány, ale vykazujú lepšiu odolnosť voči vysokým teplotám a sú menej náchylné na hydrolýzu. Napríklad zvýšenie "konzistencie" atramentu použitím polyetylénglykolmonometyléteru zlepšuje jeho tolerančné charakteristiky. Toto je však len orientačný bod. Rôzne výskumné ústavy prijímajú rôzne metódy na zlepšenie špecifických aspektov WPU.

Napríklad v roku 2010 boli vybrané epoxidové živice s vysokou húževnatosťou a rázovou húževnatosťou na riešenie problémov s viskozitou atramentu a adhéziou, čím sa zvýšila pevnosť atramentu. V roku 2006 štúdia publikovaná Pekinskou chemickou univerzitou použila polyuretán na báze etylénglykolu na vytvorenie špeciálnej živice s dlhým mäkkým segmentom, čím sa zlepšila flexibilita atramentu a nepriamo sa posilnil atrament na vodnej báze. Niektoré tímy dosahujú výsledky modifikácií pridaním chemických látok: začlenením oxidu kremičitého alebo organokremičitého na zlepšenie WPU, čo vedie k zvýšeniu pevnosti atramentu v ťahu. Butadiénnitrilpolyuretán zakončený karboxylom sa používa na zlepšenie ohýbania atramentu a viskozity, čím sa prispôsobuje zložitejším prostrediam.

Výskumníci teda zvyčajne vyberajú špecifické polyestery na základe vlastností atramentu, pričom využívajú vhodné polykyseliny a polyoly na syntézu tepelne odolných polyesterových polyolov, zavádzajú polárne skupiny so silnou adhéziou, vyberajú vhodné suroviny na zlepšenie kryštalinity polyuretánu a používajú spojovacie činidlá na vylepšenie lepidiel WPU. odolnosť proti vlhkosti a teplu.

3. Modifikácia odolnosti voči vode

Keďže atrament sa používa hlavne na vonkajšie obaly a často prichádza do styku s vodou, slabá odolnosť voči vode môže viesť k zníženiu tvrdosti, lesku a dokonca k odlupovaniu alebo poškodeniu atramentu, čo výrazne ovplyvňuje výkon skladovania. Zlepšenie odolnosti voči vode WPU zvyšuje výkon pri skladovaní atramentu použitím polyolov s dobrou odolnosťou voči vode ako materiálov. Napríklad úprava WPU akrylovými monomérmi alebo úprava obsahu epoxidovej živice môže zlepšiť odolnosť atramentu voči vode.

Okrem použitia polymérov s vysokou odolnosťou voči vode na nahradenie štandardného polyuretánu výskumníci často pridávajú organické alebo anorganické látky na dosiahnutie požadovaného účinku. Napríklad začlenenie oxidu kremičitého v nanorozmeroch do živice zvyšuje odolnosť voči vode a pevnosť, čo je široko používaná metóda pri výrobe atramentu. „Metóda emulznej kopolymerizácie“ vytvára kompozitný PUA na zlepšenie odolnosti voči vode, zatiaľ čo metódy ako modifikácia polyetylénglykolmonometyléteru a acetónová syntéza organokremičitým modifikovaného WPU zvyšujú odolnosť voči vode.

4. Modifikácia odolnosti voči vysokej teplote

Vo všeobecnosti je odolnosť WPU voči vysokej teplote relatívne slabá, čo obmedzuje tepelnú odolnosť atramentu na báze vody. Polyéterové polyuretány majú typicky lepšiu odolnosť voči vysokým teplotám ako polyesterové polyuretány vďaka počtu dvojitých väzieb. Pridanie polymérov s dlhým reťazcom alebo esterov/éterov s benzénovým kruhom ako polymerizačných monomérov zlepšuje odolnosť polyméru voči vysokej teplote a následne tepelnú odolnosť atramentu na vodnej báze. Okrem použitia polyéterových polyuretánov s dlhým reťazcom niektoré tímy používajú kompozitné materiály na zvýšenie zložitosti a zvýšenie odolnosti voči vysokým teplotám. Napríklad pridanie nanooxidu cínu a antimónu do WPU syntetizovaného z DMPA, polyéteru 220 a IPDI umožňuje vrstvám atramentu absorbovať teplo, čím sa zlepšuje odolnosť voči vysokým teplotám. Pridanie aerogélu oxidu kremičitého do polyuretánu tiež znižuje tepelnú vodivosť a zvyšuje tepelnú odolnosť atramentu.

5. Modifikácia stability

Stabilita WPU výrazne ovplyvňuje výkon skladovania atramentu na báze vody. Okrem odolnosti voči vode a vysokej teplote je rozhodujúca molekulová hmotnosť a usporiadanie štruktúry. Polyesterové živice sú vo všeobecnosti stabilnejšie ako polyéterové živice vďaka väčšiemu počtu vodíkových väzieb v molekulárnej štruktúre. Pridanie esterových látok na vytvorenie zmiešaných polyuretánov zvyšuje stabilitu, ako napríklad použitie izokyanátovej a silánovej disperzie na vytvorenie dvojzložkového WPU so zlepšenou stabilitou a odolnosťou proti oderu. Tepelné spracovanie a chladenie môžu tiež vytvoriť viac vodíkových väzieb, sprísniť usporiadanie molekúl a zvýšiť stabilitu WPU a výkon skladovania atramentu na báze vody.

6. Zlepšenie adhézie

Zatiaľ čo optimalizácia WPU zlepšuje odolnosť voči vode, odolnosť voči vysokým teplotám a stabilitu, WPU stále vykazujú zlú priľnavosť k polyetylénovým (PE) plastovým produktom v dôsledku molekulovej hmotnosti a polarity. Typicky sa polyméry alebo monoméry s podobnou polaritou a molekulovou hmotnosťou pridávajú na zlepšenie WPU a zvýšenie adhézie atramentu na vodnej báze k nepolárnym materiálom. Napríklad kopolymerizácia WPU s polyvinylchlorid-hydroxyetylakrylátovou živicou zlepšuje vodotesnú priľnavosť medzi atramentmi a nátermi. Pridaním akrylovej polyesterovej živice k WPU sa vytvorí jedinečná molekulárna väzbová štruktúra, ktorá výrazne zvyšuje priľnavosť WPU. Tieto metódy však môžu ovplyvniť vlastnosti pôvodného atramentu, ako je lesk. Preto priemyselné techniky ošetrujú materiály bez zmeny vlastností, aby sa zlepšila adhézia atramentu, ako je aktivácia povrchov elektródami alebo krátkodobé ošetrovanie plameňom na zvýšenie adsorpcie.

• Záver

V súčasnosti sa atramenty na vodnej báze široko používajú v obaloch potravín, farmaceutických obaloch, dielňach, knihách a iných náteroch alebo tlačiarenských aplikáciách. Ich prirodzené obmedzenia výkonu však obmedzujú širšie aplikácie. Keďže povedomie o životnom prostredí a bezpečnosti rastie spolu so zvyšujúcou sa životnou úrovňou, ekologické atramenty na vodnej báze, ktoré znižujú emisie VOC, čoraz viac nahrádzajú atramenty na báze rozpúšťadiel, čo predstavuje výzvu pre trhy s tradičnými atramentmi na báze rozpúšťadla.

V tejto súvislosti je pre budúci vývoj atramentov na vodnej báze kľúčové zvýšenie výkonu atramentu modifikáciou živíc na vodnej báze, najmä polyuretánov na vodnej báze, prostredníctvom inovatívnych metód, ako je nanotechnológia a hybridizácia organických a anorganických zlúčenín. Preto je potrebný ďalší komplexný výskum modifikácií živice na zvýšenie výkonu atramentu na vodnej báze pre širšie aplikácie.