Истраживање развоја мастила на бази воде и проучавање еколошки прихватљивих полиуретанских мастила на бази воде

Загађење ваздуха је дуго представљало велику забринутост, а емисије токсичних гасова, као што су ВОЦ, значајно доприносе уз природне појаве као што су олује прашине. Како расте свест о заштити животне средине и спроводе различите националне политике, штампарска индустрија, велики емитер ВОЦ, суочила се са неизбежном реформом. Сходно томе, еколошке штампарске боје постале су централна тачка у глобалном истраживању штампарске индустрије. Међу доступним еколошки прихватљивим мастилима, укључујући мастила на бази воде, мастила која се очвршћавају енергијом, и мастила на бази биљног уља, мастила на бази воде су најчешће коришћена. Мастила на бази воде садрже мањи удео органских растварача, смањујући емисију ВОЦ и усклађујући се са принципима заштите животне средине. Међутим, мастила на бази воде имају и недостатке као што су споро време сушења и очвршћавања и слаба отпорност на воду и алкалије, што ограничава њихову примену у традиционалним индустријским мастилима. Стога је побољшање ових слабости кроз модификацију смоле постало значајан фокус. Овај рад описује развој и примену мастила на бази воде, проучавање модификација смоле, напредак у истраживању штампарских боја које користе полиуретане на бази воде и будуће перспективе у овој области.

• Експериментално

1. Развој мастила на бази воде

Мастила имају дугу историју, појављују се заједно са проналаском штампе. Након увођења Литхол црвеног пигмента 1900. године, мастила су постала широко распрострањена, што је навело земље да улажу у истраживање мастила. Мастила на бази воде су дериват који је резултат виших захтева за практичношћу мастила. Истраживање мастила на бази воде почело је у иностранству 1960-их, првенствено да би се убрзала брзина штампања и смањило ослањање на сировине на бази нафте. Ова мастила су користила органска једињења као што су бензен и шелак или натријум лигносулфонат као главни материјали за задовољење потреба за штампањем у то време. Током 1970-их, истраживачи су развили полимерну емулзиону смолу са структуром језгра-љуска и мрежастом полимеризацијом акрилних мономера са стиреном, одржавајући сјај и водоотпорност мастила уз испуњавање еколошких захтева. Међутим, како је повећана еколошка свест и донети строжи закони о заштити животне средине, удео органских материја на бази бензена у мастилима се смањио. До 1980-их, западноевропске земље су увеле концепте и технологије „штампања зеленим мастилом“ и „нове штампе мастилом на бази воде“.

Кинеска индустрија мастила почела је у касној династији Ћинг са производњом новца, ослањајући се у великој мери на увезена мастила све до 1975. године, када су Фабрика мастила у Тиањину и Фабрика мастила Гангу развиле и произвеле прво домаће мастило за дубоку масу на бази воде. До 1990-их, Кина је увезла преко 100 производних линија за флексо штампу, убрзано напредујући у употреби мастила на бази воде. Године 2003. Кинески институт за индустријску технологију је успешно развио сродне производе, а почетком 2004. Шангајска компанија Меиде је произвела термореактивно мастило на бази воде на ниским температурама које испуњава јапанске и немачке стандарде. Иако су кинеска истраживања о мастилима на бази воде доживела брз развој почетком 21. века, западне земље су већ постигле значајан напредак: око 95% флексо производа и 80% производа за гравуру у Сједињеним Државама користило је мастила на бази воде, док је Велика Британија а Јапан је усвојио мастила на бази воде за паковање хране и фармацеутских производа. Компаративно, развој Кине је био спорији.

Да би даље промовисала тржиште, Кина је увела први стандард мастила на бази воде у мају 2007. и 2011. се залагала за „развој зелених иновација“, са циљем да замени мастила на бази растварача мастилима на бази воде. У „13. петогодишњем плану“ за штампарску индустрију за 2016. „истраживање еколошких материјала на бази воде“ и „зелена штампа“ били су кључни фокуси. До 2020. године, национална промоција зелене и дигиталне штампе проширила је тржиште мастила на бази воде.

2. Примена мастила на бази воде

Почетком 20. века, Сједињене Државе су прве примениле боје на бази воде у флексо штампи. До 1970-их, висококвалитетна дубока мастила на бази воде су се широко користила за разне папире за паковање, дебеле полице за књиге и картон. Осамдесетих година прошлог века, сјајне и мат боје на бази воде су развијене у иностранству, проширивши њихову примену на тканине, папир, ПВЦ, полистирен, алуминијумску фолију и метале. Тренутно, због својих еколошки прихватљивих, нетоксичних и безбедних карактеристика, мастила на бази воде се углавном користе у штампању амбалаже за храну, као што су паковање дувана и боца за пиће. Како се еколошки закони побољшавају, примена мастила на бази воде наставља да се диверзификује и интензивира. Кина такође прогресивно промовише њихову употребу у штампарској индустрији.

• Резултати и дискусија

1. Истраживање модификација смоле

На перформансе мастила утичу разлике у смоли. Генерално, смоле мастила на бази воде су обично полиуретанске, модификоване акрилне емулзије или полиакрилне смоле. Полиуретанске (ВПУ) смоле на бази воде, са врхунским сјајем, широко се користе у штампи амбалаже. Стога је побољшање перформанси ВПУ-а ради побољшања еколошке прихватљивости и сјаја мастила на бази воде постало фокус у индустрији штампања.

2. Модификовање полиуретана на бази воде

Полиуретани на бази воде, састављени од полиола ниске молекуларне тежине, могу се класификовати у полиестерске, полиетарске и хибридне типове. На основу различитих својстава полиестерских и полиетарских полимера, њихова снага и стабилност варирају. Генерално, полиетар полиуретани имају нижу чврстоћу и стабилност од полиестер полиуретана, али показују бољу отпорност на високе температуре и мање су склони хидролизи. На пример, повећање „конзистенције“ мастила коришћењем полиетилен гликол монометил етра побољшава његове карактеристике толеранције. Међутим, ово је само референтна тачка. Различити истраживачки институти усвајају различите методе за побољшање специфичних аспеката ВПУ.

На пример, 2010. године, епоксидне смоле високе жилавости и ударне чврстоће су изабране за решавање проблема вискозитета мастила и адхезије, чиме се повећава јачина мастила. У 2006. години, студија коју је објавио Пекиншки хемијски универзитет користио је полиуретан на бази етилен гликола за формирање посебне смоле са дугим меким сегментом, побољшавајући флексибилност мастила и индиректно јачајући мастило на бази воде. Неки тимови постижу резултате модификације додавањем хемијских супстанци: уградњом силицијум диоксида или органосилицијума да би се побољшао ВПУ, што резултира повећаном затезном чврстоћом мастила. Бутадиен нитрил полиуретан са карбоксилним крајем користи се за побољшање перформанси савијања мастила и вискозитета, прилагођавајући се сложенијим окружењима.

Стога, истраживачи типично бирају специфичне полиестре на основу својстава мастила, користећи одговарајуће поликиселине и полиоле да синтетишу полиестер полиоле отпорне на топлоту, уводе поларне групе са јаком адхезијом, бирају одговарајуће сировине за побољшање кристалности полиуретана и користе средства за спајање за побољшање ВПУ адхезива. отпорност на влагу и топлоту.

3. Модификација водоотпорности

Пошто се мастило углавном користи за спољно паковање и често долази у контакт са водом, слаба отпорност на воду може довести до смањења тврдоће, сјаја, па чак и љуштења или оштећења мастила, што значајно утиче на перформансе складиштења. Побољшање водоотпорности ВПУ побољшава перформансе складиштења мастила коришћењем полиола са добром водоотпорношћу као материјала. На пример, модификација ВПУ акрилним мономерима или подешавање садржаја епоксидне смоле може побољшати водоотпорност мастила.

Осим што користе полимере високе водоотпорности за замену стандардног полиуретана, истраживачи често додају органске или неорганске супстанце како би постигли жељени ефекат. На пример, уграђивање силицијум диоксида у наноразмери у смолу повећава отпорност на воду и снагу, што је широко коришћена метода у производњи мастила. „Метода кополимеризације емулзије“ ствара композитни ПУА за побољшање водоотпорности, док методе попут модификације полиетилен гликол монометил етра и ацетонске синтезе органосилицијум-модификованог ВПУ повећавају отпорност на воду.

4. Модификација отпорности на високе температуре

Генерално, отпорност ВПУ на високе температуре је релативно слаба, што ограничава отпорност мастила на бази воде на топлоту. Полиетер полиуретани обично имају бољу отпорност на високе температуре од полиестер полиуретана због броја двоструких веза. Додавање дуголанчаних полимера или естара/етара бензенског прстена као полимеризационих мономера побољшава отпорност полимера на високе температуре и, последично, топлотну отпорност мастила на бази воде. Поред употребе полиетар полиуретана дугог ланца, неки тимови користе композитне материјале како би повећали сложеност и побољшали отпорност на високе температуре. На пример, додавање нано калајног оксида антимона у ВПУ синтетизовану од ДМПА, полиетра 220 и ИПДИ омогућава слојевима мастила да апсорбују топлоту, побољшавајући отпорност на високе температуре. Додавање силика аерогела полиуретану такође смањује топлотну проводљивост и повећава отпорност мастила на топлоту.

5. Модификација стабилности

Стабилност ВПУ значајно утиче на перформансе складиштења мастила на бази воде. Поред отпорности на воду и високе температуре, молекуларна тежина и структура структуре су пресудни. Полиестерске смоле су генерално стабилније од полиетарских смола због више водоничних веза у молекуларној структури. Додавање естарских супстанци за формирање мешаних полиуретана повећава стабилност, као што је коришћење дисперзије изоцијаната и силана за стварање двокомпонентног ВПУ са побољшаном стабилношћу и отпорношћу на хабање. Топлотна обрада и хлађење такође могу створити више водоничних веза, затегнути молекуларни распоред и побољшати стабилност ВПУ-а и перформансе складиштења мастила на бази воде.

6. Побољшање адхезије

Док оптимизација ВПУ побољшава водоотпорност, отпорност на високе температуре и стабилност, ВПУ и даље показују лошу адхезију за полиетиленске (ПЕ) пластичне производе због молекуларне тежине и поларитета. Обично се додају полимери или мономери сличног поларитета и молекулске тежине да би се побољшао ВПУ и побољшала адхезија мастила на бази воде на неполарне материјале. На пример, кополимеризација ВПУ са поливинилхлорид-хидроксиетил акрилатном смолом побољшава водоотпорну адхезију између мастила и премаза. Додавање акрилне полиестерске смоле у ​​ВПУ ствара јединствену молекуларну структуру везе, значајно повећавајући адхезију ВПУ. Међутим, ове методе могу утицати на оригинална својства мастила као што је сјај. Због тога, индустријске технике третирају материјале без промене својстава да би се побољшала адхезија мастила, као што је активирање површина електродама или краткотрајни третман пламеном да би се повећала адсорпција.

• Закључак

Тренутно, мастила на бази воде се широко користе у амбалажи за храну, фармацеутској амбалажи, радионицама, књигама и другим премазима или штампарским апликацијама. Међутим, њихова инхерентна ограничења перформанси ограничавају шире апликације. Како свест о заштити животне средине и безбедности расте са побољшаним животним стандардом, еколошка мастила на бази воде која смањују емисију ВОЦ све више замењују мастила на бази растварача, изазивајући традиционална тржишта мастила на бази растварача.

У овом контексту, побољшање перформанси мастила модификовањем смола на бази воде, посебно полиуретана на бази воде, кроз иновативне методе као што су нанотехнологија и хибридизација органских и неорганских једињења је кључно за будући развој мастила на бази воде. Због тога су потребна даља свеобухватна истраживања о модификацијама смоле да би се побољшале перформансе мастила на бази воде за шире примене.