Raziskovanje razvoja črnil na vodni osnovi in ​​študij okolju prijaznih poliuretanskih črnil na vodni osnovi

Onesnaženost zraka je že dolgo velika skrb, saj poleg naravnih pojavov, kot so prašne nevihte, pomembno prispevajo emisije strupenih plinov, kot so HOS. Z naraščanjem ozaveščenosti o varstvu okolja in izvajanjem različnih nacionalnih politik se je tiskarska industrija, ki je glavni povzročitelj HOS, soočila z neizogibno reformo. Posledično so okolju prijazna tiskarska črnila postala osrednja točka v raziskavah svetovne tiskarske industrije. Med razpoložljivimi okolju prijaznimi črnili, vključno s črnili na vodni osnovi, črnili, ki se strjujejo z energijo, in črnili na osnovi rastlinskega olja, so črnila na vodni osnovi najbolj razširjena. Črnila na vodni osnovi vsebujejo manjši delež organskih topil, kar zmanjšuje emisije VOC in je v skladu z načeli varstva okolja. Vendar imajo črnila na vodni osnovi tudi pomanjkljivosti, kot so počasno sušenje in strjevanje ter slaba odpornost na vodo in alkalije, kar omejuje njihovo uporabo v tradicionalnih industrijskih črnilih. Tako je izboljšanje teh slabosti z modifikacijo smole postalo pomemben poudarek. Ta članek opisuje razvoj in uporabo črnil na vodni osnovi, preučevanje modifikacij smol, napredek pri raziskavah tiskarskih barv, ki uporabljajo poliuretane na vodni osnovi, in prihodnje obete na tem področju.

• Eksperimentalno

1. Razvoj črnil na vodni osnovi

Črnila imajo dolgo zgodovino, ki se je pojavila skupaj z izumom tiska. Po uvedbi litol rdečega pigmenta leta 1900 so črnila postala zelo razširjena, kar je države spodbudilo k vlaganju v raziskave črnila. Črnila na vodni osnovi so izpeljanka, ki izhaja iz višjih zahtev po praktičnosti črnila. Raziskave črnil na vodni osnovi so se v tujini začele v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, predvsem za pospešitev hitrosti tiskanja in zmanjšanje odvisnosti od surovin na osnovi nafte. Ta črnila so uporabljala organske spojine, kot so benzeni in šelak ali natrijev lignosulfonat, kot glavne materiale za izpolnjevanje takratnih potreb tiskanja. V sedemdesetih letih 20. stoletja so raziskovalci s polimerizacijo akrilnih monomerov s stirenom razvili polimerno emulzijsko smolo z jedrom in lupino ter mrežno strukturo, pri čemer so ohranili sijaj črnil in vodoodpornost ter hkrati izpolnjevali okoljske zahteve. Ko pa se je okoljska ozaveščenost povečala in so bili sprejeti strožji okoljski zakoni, se je delež organskih snovi na osnovi benzena v črnilih zmanjšal. Do leta 1980 so zahodnoevropske države uvedle koncepte in tehnologije "tiskanja z zelenim črnilom" in "novega tiskanja z vodnimi črnili".

Kitajska industrija črnil se je začela v pozni dinastiji Qing s proizvodnjo valute in se močno zanašala na uvožena črnila do leta 1975, ko sta Tianjin Ink Factory in Gangu Ink Factory razvili in proizvedli prvo domače črnilo za gravuro na vodni osnovi. Do devetdesetih let prejšnjega stoletja je Kitajska uvozila več kot 100 proizvodnih linij za flekso tiskanje, s čimer je hitro napredovala uporaba črnil na vodni osnovi. Leta 2003 je Kitajski raziskovalni inštitut za industrijsko tehnologijo uspešno razvil sorodne izdelke, v začetku leta 2004 pa je družba Shanghai Meide Company proizvedla termoreaktivno črnilo pri nizkih temperaturah, ki je popolnoma na vodni osnovi in ​​ustreza japonskim in nemškim standardom. Čeprav so kitajske raziskave črnil na vodni osnovi v začetku 21. stoletja doživele hiter razvoj, so zahodne države že dosegle pomemben napredek: približno 95 % izdelkov za flekso in 80 % izdelkov za gravuro v Združenih državah je uporabljalo črnila na vodni osnovi, medtem ko je Združeno kraljestvo Japonska pa je sprejela črnila na vodni osnovi za embalažo hrane in farmacevtskih izdelkov. Primerjalno je bil razvoj Kitajske počasnejši.

Za nadaljnjo promocijo trga je Kitajska maja 2007 uvedla prvi standard črnila na vodni osnovi, leta 2011 pa se je zavzela za "razvoj zelenih inovacij", s ciljem nadomestiti črnila na osnovi topil s črnili na vodni osnovi. V "13. petletnem načrtu" za tiskarsko industrijo za leto 2016 sta bila ključna poudarka "raziskave okoljskih materialov na vodni osnovi" in "zeleno tiskanje". Do leta 2020 je nacionalna promocija zelenega in digitalnega tiska razširila trg črnil na vodni osnovi.

2. Uporaba črnil na vodni osnovi

V zgodnjem 20. stoletju so Združene države prve uporabile črnila na vodni osnovi pri flekso tisku. Do sedemdesetih let 20. stoletja so se visokokakovostna črnila za gravuro na vodni osnovi pogosto uporabljala za različne embalažne papirje, debele knjižne police in karton. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so v tujini razvili črnila na vodni osnovi za sito in mat sitotisk, ki so razširila njihovo uporabo na tkanine, papir, PVC, polistiren, aluminijasto folijo in kovine. Trenutno se črnila na vodni osnovi zaradi svojih okolju prijaznih, nestrupenih in varnih lastnosti uporabljajo predvsem pri tiskanju embalaže za živila, kot so embalaža tobaka in steklenice pijač. Ko se okoljska zakonodaja izboljšuje, se uporaba črnil na vodni osnovi še naprej širi in krepi. Kitajska prav tako postopoma spodbuja njihovo uporabo v tiskarski industriji.

• Rezultati in razprava

1. Raziskave o modifikacijah smol

Na učinkovitost črnila vplivajo razlike v smoli. Na splošno so črnilne smole na vodni osnovi običajno poliuretanske, modificirane akrilne emulzije ali poliakrilne smole. Poliuretanske (WPU) smole na vodni osnovi z vrhunskim sijajem se pogosto uporabljajo pri tiskanju embalaže. Tako je izboljšanje zmogljivosti WPU za izboljšanje okoljske prijaznosti in sijaja črnila na vodni osnovi postalo središče tiskarske industrije.

2. Modificiranje poliuretanov na vodni osnovi

Poliuretane na vodni osnovi, sestavljene iz poliolov z nizko molekulsko maso, lahko razvrstimo v poliestrske, polietrske in hibridne vrste. Glede na različne lastnosti poliestra in polieterskih polimerov se njihova trdnost in stabilnost razlikujeta. Na splošno imajo polieter poliuretani nižjo trdnost in stabilnost kot poliestrski poliuretani, vendar imajo boljšo odpornost na visoke temperature in so manj nagnjeni k hidrolizi. Na primer, povečanje "konsistence" črnila z uporabo polietilen glikol monometil etra izboljša njegove lastnosti tolerance. Vendar je to le referenčna točka. Različni raziskovalni inštituti uporabljajo različne metode za izboljšanje določenih vidikov WPU.

Na primer, leta 2010 so bile izbrane epoksidne smole z visoko žilavostjo in udarno trdnostjo, da bi rešili težave z viskoznostjo črnila in oprijemom ter s tem povečali trdnost črnila. Leta 2006 je študija, ki jo je objavila Pekinška kemijska univerza, uporabila poliuretan na osnovi etilen glikola za oblikovanje posebne smole z dolgim ​​mehkim segmentom, kar je izboljšalo prožnost črnila in posredno okrepilo črnilo na vodni osnovi. Nekatere ekipe dosegajo rezultate spreminjanja z dodajanjem kemičnih snovi: vključitvijo silicijevega dioksida ali organosilicija za izboljšanje WPU, kar ima za posledico večjo natezno trdnost črnila. Butadien nitril poliuretan s karboksilnim koncem se uporablja za izboljšanje upogibne zmogljivosti in viskoznosti črnila ter prilagajanje bolj zapletenim okoljem.

Tako raziskovalci običajno izberejo posebne poliestre na podlagi lastnosti črnila, z uporabo ustreznih polikislin in poliolov za sintezo toplotno odpornih poliestrskih poliolov, uvedbo polarnih skupin z močnim oprijemom, izbiro primernih surovin za izboljšanje kristaliničnosti poliuretana in uporabo spojilnih sredstev za izboljšanje WPU lepila. odpornost na vlago in toploto.

3. Modifikacija vodoodpornosti

Ker se črnilo uporablja predvsem za zunanjo embalažo in je pogosto v stiku z vodo, lahko slaba vodoodpornost povzroči zmanjšano trdoto, sijaj in celo luščenje ali poškodbe črnila, kar znatno vpliva na zmogljivost shranjevanja. Izboljšanje vodoodpornosti WPU izboljša zmogljivost shranjevanja črnila z uporabo poliolov z dobro vodoodpornostjo kot materialov. Na primer, spreminjanje WPU z akrilnimi monomeri ali prilagoditev vsebnosti epoksi smole lahko izboljša vodoodpornost črnila.

Razen uporabe polimerov z visoko vodoodpornostjo za zamenjavo standardnega poliuretana raziskovalci pogosto dodajajo organske ali anorganske snovi, da dosežejo želeni učinek. Na primer, vključitev nanometrskega silicijevega dioksida v smolo izboljša vodoodpornost in trdnost, kar je široko uporabljena metoda pri proizvodnji črnila. "Metoda emulzijske kopolimerizacije" ustvari kompozitni PUA za izboljšanje vodoodpornosti, medtem ko metode, kot sta modifikacija polietilen glikol monometil etra in acetonska sinteza z organosilicijem modificiranega WPU, izboljšajo vodoodpornost.

4. Modifikacija odpornosti na visoke temperature

Na splošno je visokotemperaturna odpornost WPU razmeroma šibka, kar omejuje toplotno odpornost črnila na vodni osnovi. Polieter poliuretani imajo običajno boljšo odpornost na visoke temperature kot poliestrski poliuretani zaradi števila dvojnih vezi. Dodajanje dolgoverižnih polimerov ali estrov/etrov benzenskega obroča kot polimerizacijskih monomerov izboljša odpornost polimera na visoke temperature in posledično toplotno odpornost črnila na vodni osnovi. Poleg uporabe dolgoverižnih polieterskih poliuretanov nekatere ekipe uporabljajo kompozitne materiale za povečanje kompleksnosti in izboljšanje odpornosti na visoke temperature. Na primer, dodajanje nano kositrovega oksida antimona v WPU, sintetizirano iz DMPA, polietra 220 in IPDI, omogoča, da plasti črnila absorbirajo toploto, kar izboljša odpornost na visoke temperature. Dodajanje silicijevega aerogela poliuretanu prav tako zmanjša toplotno prevodnost in poveča toplotno odpornost črnila.

5. Modifikacija stabilnosti

Stabilnost WPU bistveno vpliva na zmogljivost shranjevanja črnila na vodni osnovi. Poleg odpornosti na vodo in visoke temperature sta molekulska masa in razporeditev strukture ključni. Poliestrske smole so na splošno stabilnejše od polieterskih smol zaradi več vodikovih vezi v molekularni strukturi. Dodajanje estrskih snovi za tvorbo mešanih poliuretanov poveča stabilnost, kot je uporaba disperzije izocianata in silana za ustvarjanje dvokomponentnega WPU z izboljšano stabilnostjo in odpornostjo proti obrabi. Toplotna obdelava in hlajenje lahko prav tako ustvarita več vodikovih vezi, poostrita razporeditev molekul in izboljšata stabilnost WPU ter zmogljivost shranjevanja črnila na vodni osnovi.

6. Izboljšanje oprijema

Medtem ko optimizacija WPU izboljša vodoodpornost, odpornost na visoke temperature in stabilnost, WPU še vedno kaže slabo oprijemljivost na plastične izdelke iz polietilena (PE) zaradi molekulske mase in polarnosti. Običajno se dodajo polimeri ali monomeri s podobno polarnostjo in molekulsko maso, da se izboljša WPU in izboljša oprijem črnila na vodni osnovi na nepolarne materiale. Na primer, kopolimerizacija WPU s polivinilklorid-hidroksietil akrilatno smolo izboljša vodoodporen oprijem med črnili in premazi. Dodajanje akrilne poliestrske smole v WPU ustvari edinstveno strukturo molekularne povezave, kar bistveno izboljša oprijem WPU. Vendar lahko te metode vplivajo na lastnosti izvirnega črnila, kot je sijaj. Zato industrijske tehnike obdelujejo materiale brez spreminjanja lastnosti za izboljšanje oprijema črnila, kot je aktiviranje površin z elektrodami ali kratkotrajna obdelava s plamenom za povečanje adsorpcije.

• Zaključek

Trenutno se črnila na vodni osnovi pogosto uporabljajo v embalaži za hrano, farmacevtski embalaži, delavnicah, knjigah in drugih premazih ali aplikacijah za tiskanje. Vendar njihove inherentne omejitve zmogljivosti omejujejo širše aplikacije. Ker okoljska in varnostna ozaveščenost raste z izboljšanjem življenjskega standarda, okolju prijazna črnila na vodni osnovi, ki zmanjšujejo emisije VOC, vedno bolj nadomeščajo črnila na osnovi topil, kar predstavlja izziv tradicionalnim trgom črnil na osnovi topil.

V tem kontekstu je izboljšanje učinkovitosti črnila s spreminjanjem smol na vodni osnovi, zlasti poliuretanov na vodni osnovi, z inovativnimi metodami, kot sta nanotehnologija in hibridizacija organskih in anorganskih spojin, ključnega pomena za prihodnji razvoj črnil na vodni osnovi. Zato so potrebne nadaljnje obsežne raziskave modifikacij smol za izboljšanje učinkovitosti črnila na vodni osnovi za širšo uporabo.