Вивчення розробки чорнил на водній основі та вивчення екологічно чистих поліуретанових чорнил на водній основі

Забруднення повітря вже давно викликає серйозне занепокоєння, оскільки викиди токсичних газів, таких як ЛОС, є суттєвим фактором поряд із такими природними явищами, як пилові бурі. У міру того, як зростає обізнаність про захист навколишнього середовища та впроваджуються різні національні політики, поліграфічна промисловість, головний викид ЛОС, зіткнулася з неминучою реформою. Отже, екологічно чисті друкарські фарби стали фокусом у світових дослідженнях поліграфічної галузі. Серед доступних екологічно чистих чорнил, включаючи чорнила на водній основі, чорнила, що відновлюються енергією, і чорнила на основі рослинної олії, чорнило на водній основі використовуються найбільш широко. Чорнила на водній основі містять меншу частку органічних розчинників, що зменшує викиди ЛОС і відповідає принципам захисту навколишнього середовища. Однак чорнила на водній основі також мають недоліки, такі як повільне висихання та затвердіння, а також низька стійкість до води та лугів, що обмежує їх застосування у традиційних промислових чорнилах. Таким чином, усунення цих недоліків за допомогою модифікації смоли стало суттєвим фокусом. У цьому документі описано розробку та застосування чорнил на водній основі, вивчення модифікацій смол, прогрес у дослідженнях друкарських фарб із використанням поліуретанів на водній основі та майбутні перспективи в цій галузі.

• Експериментальний

1. Розробка чорнил на водній основі

Чорнила мають довгу історію, з’явившись разом із винаходом друку. Після появи літольного червоного пігменту в 1900 році чорнила набули широкого поширення, що спонукало країни інвестувати в дослідження чорнила. Чорнило на водній основі є похідним результатом вищих вимог до практичності чорнила. Дослідження чорнил на водній основі почалися за кордоном у 1960-х роках, головним чином для прискорення швидкості друку та зменшення залежності від сировини на основі нафти. Ці чорнила використовували такі органічні сполуки, як бензол і шелак або лігносульфонат натрію, як основні матеріали для задоволення потреб друку того часу. У 1970-х роках дослідники розробили полімерну емульсію зі структурою «ядро-оболонка» та мережевою структурою шляхом полімеризації акрилових мономерів зі стиролом, зберігаючи глянець і водостійкість чорнила, дотримуючись екологічних вимог. Однак із зростанням екологічної обізнаності та введенням суворіших екологічних законів частка органічних речовин на основі бензолу в чорнилі зменшилася. До 1980-х років країни Західної Європи представили концепції та технології «друку зеленим чорнилом» і «нового друку чорнилом на водній основі».

Чорнильна промисловість Китаю почалася наприкінці династії Цін з виробництва валюти, значною мірою покладаючись на імпортні чорнила до 1975 року, коли Tianjin Ink Factory і Gangu Ink Factory розробили та виготовили перші вітчизняні чорнила для глибокого друку на водній основі. До 1990-х років Китай імпортував понад 100 виробничих ліній для флексодруку, швидко поширюючи використання чорнил на водній основі. У 2003 році Китайський науково-дослідний інститут промислових технологій успішно розробив супутні продукти, а на початку 2004 року компанія Shanghai Meide випустила термореактивне чорнило повністю на водній основі, що відповідає стандартам Японії та Німеччини. Незважаючи на те, що китайські дослідження чорнил на водній основі швидко розвивалися на початку 21 століття, західні країни вже досягли значного прогресу: близько 95% продуктів для флексографії та 80% продукції для глибокого друку в Сполучених Штатах використовували чорнило на водній основі, тоді як Великобританія а Японія прийняла чорнило на водній основі для харчової та фармацевтичної упаковки. Порівняно розвиток Китаю був повільнішим.

Для подальшого просування на ринок у травні 2007 року Китай запровадив перший стандарт чорнила на водній основі, а в 2011 році виступив за «розвиток зелених інновацій», спрямований на заміну чорнил на основі розчинників чорнилами на водній основі. У «13-му п’ятирічному плані» поліграфічної промисловості на 2016 рік «дослідження екологічних матеріалів на водній основі» та «екологічний друк» були основними акцентами. До 2020 року національне просування зеленого та цифрового друку розширило ринок чорнила на водній основі.

2. Нанесення чорнила на водній основі

На початку 20-го століття Сполучені Штати вперше застосували фарби на водній основі у флексодрукі. До 1970-х років високоякісні фарби для глибокого друку на водній основі широко використовувалися для різноманітного пакувального паперу, товстих книжкових полиць і картону. У 1980-х роках глянцеві та матові фарби для трафаретного друку на водній основі були розроблені за кордоном, розширивши їх застосування до тканин, паперу, ПВХ, полістиролу, алюмінієвої фольги та металів. В даний час завдяки своїм екологічним, нетоксичним і безпечним властивостям фарби на водній основі в основному використовуються для друку упаковки харчових продуктів, наприклад упаковки тютюну та пляшок для напоїв. З удосконаленням законодавства про охорону навколишнього середовища застосування чорнил на водній основі продовжує урізноманітнюватися та інтенсифікуватися. Китай також поступово просуває їх використання в поліграфічній промисловості.

• Результати і обговорення

1. Дослідження модифікацій смоли

На продуктивність чорнил впливають відмінності в смолах. Як правило, чорнильні смоли на водній основі – це зазвичай поліуретан, модифіковані акрилові емульсії або поліакрилові смоли. Поліуретанові (WPU) смоли на водній основі з чудовим блиском широко використовуються для друку упаковки. Таким чином, підвищення продуктивності WPU для покращення екологічності та глянцю чорнил на водній основі стало центром поліграфічної промисловості.

2. Модифікація поліуретанів на водній основі

Поліуретани на водній основі, що складаються з низькомолекулярних поліолів, можна класифікувати на поліефірні, поліефірні та гібридні типи. Виходячи з різних властивостей поліестеру та поліефірних полімерів, їх міцність і стабільність відрізняються. Як правило, поліефірні поліуретани мають нижчу міцність і стабільність, ніж поліефірні поліуретани, але виявляють кращу стійкість до високих температур і менш схильні до гідролізу. Наприклад, підвищення «консистенції» фарби за допомогою монометилового ефіру поліетиленгліколю покращує її характеристики толерантності. Однак це лише орієнтир. Різні дослідницькі інститути застосовують різні методи для покращення конкретних аспектів WPU.

Наприклад, у 2010 році були обрані епоксидні смоли з високою в’язкістю та ударною міцністю, щоб вирішити проблеми з в’язкістю та адгезією чорнила, тим самим підвищуючи міцність чорнила. У 2006 році дослідження, опубліковане Пекінським хімічним університетом, використовувало поліуретан на основі етиленгліколю для формування спеціальної смоли з довгим м’яким сегментом, покращуючи гнучкість чорнила та опосередковано посилюючи чорнило на водній основі. Деякі команди досягають результатів модифікації шляхом додавання хімічних речовин: додавання кремнезему або кремнійорганічного кремнію для покращення WPU, що призводить до підвищення міцності чорнила на розрив. Бутадієн-нітрил-поліуретан із кінцевими карбоксильними групами використовується для покращення продуктивності згинання та в’язкості фарби, адаптації до складніших умов.

Таким чином, дослідники зазвичай вибирають конкретні складні поліефіри на основі властивостей чорнила, використовуючи відповідні полікислоти та поліоли для синтезу термостійких поліефірних поліолів, вводячи полярні групи з сильною адгезією, вибираючи відповідну сировину для покращення кристалічності поліуретану та використовуючи зв’язуючі агенти для покращення адгезиву WPU. вологостійкість і термостійкість.

3. Модифікація водонепроникності

Оскільки чорнило в основному використовується для зовнішньої упаковки та часто контактує з водою, низька водостійкість може призвести до зниження твердості, блиску та навіть до відшарування чи пошкодження чорнила, що значно вплине на продуктивність зберігання. Покращення водонепроникності WPU покращує продуктивність зберігання чорнила завдяки використанню в якості матеріалів поліолів із хорошою водостійкістю. Наприклад, модифікація WPU акриловими мономерами або регулювання вмісту епоксидної смоли може покращити водостійкість чорнила.

Крім використання висоководостійких полімерів для заміни стандартного поліуретану, дослідники часто додають органічні або неорганічні речовини для досягнення бажаного ефекту. Наприклад, додавання нанорозмірного діоксиду кремнію до смоли покращує водостійкість і міцність, що широко використовується у виробництві чорнила. «Метод емульсійної кополімеризації» створює композитний PUA для підвищення водостійкості, тоді як такі методи, як модифікація монометилового ефіру поліетиленгліколю та синтез ацетоном кремнійорганічного модифікованого WPU, підвищують водонепроникність.

4. Модифікація стійкості до високих температур

Як правило, високотемпературна стійкість WPU є відносно слабкою, що обмежує термостійкість чорнила на водній основі. Поліефірні поліуретани зазвичай мають кращу стійкість до високих температур, ніж поліефірні поліуретани завдяки кількості подвійних зв’язків. Додавання довголанцюгових полімерів або естерів/простих ефірів бензольного кільця як полімеризаційних мономерів покращує стійкість полімеру до високих температур і, як наслідок, термостійкість чорнила на водній основі. Крім використання довголанцюгових поліефірних поліуретанів, деякі команди використовують композитні матеріали для підвищення складності та стійкості до високих температур. Наприклад, додавання нанооксиду олова сурми до WPU, синтезованого з DMPA, поліефіру 220 та IPDI, дозволяє шарам чорнила поглинати тепло, покращуючи стійкість до високих температур. Додавання силікагелю до поліуретану також знижує теплопровідність і підвищує термостійкість чорнила.

5. Модифікація стабільності

Стабільність WPU значно впливає на продуктивність зберігання чорнила на водній основі. Окрім водостійкості та стійкості до високих температур, вирішальними є молекулярна маса та структура структури. Поліефірні смоли, як правило, більш стабільні, ніж поліефірні смоли, завдяки більшій кількості водневих зв’язків у молекулярній структурі. Додавання складноефірних речовин для формування змішаних поліуретанів підвищує стабільність, наприклад, використання дисперсії ізоціанату та силану для створення двокомпонентного WPU з покращеною стабільністю та стійкістю до стирання. Термічна обробка та охолодження також можуть створити більше водневих зв’язків, ущільнити молекулярне розташування та підвищити стабільність WPU та продуктивність зберігання чорнила на водній основі.

6. Поліпшення адгезії

Незважаючи на те, що оптимізація WPU покращує водостійкість, стійкість до високих температур і стабільність, WPU все ще демонструють погану адгезію до пластикових виробів з поліетилену (PE) через молекулярну масу та полярність. Як правило, полімери або мономери подібної полярності та молекулярної маси додають для покращення WPU та покращення адгезії чорнила на водній основі до неполярних матеріалів. Наприклад, співполімеризація WPU з полівінілхлоридно-гідроксіетилакрилатною смолою покращує водонепроникну адгезію між чорнилом і покриттями. Додавання акрилової поліефірної смоли до WPU створює унікальну структуру молекулярних зв’язків, що значно покращує адгезію WPU. Однак ці методи можуть вплинути на властивості оригінального чорнила, наприклад на глянець. Таким чином, промислові методи обробляють матеріали без зміни властивостей для покращення адгезії чорнила, наприклад, активація поверхонь електродами або короткочасна обробка полум’ям для підвищення адсорбції.

• Висновок

В даний час чорнила на водній основі широко використовуються в упаковці харчових продуктів, фармацевтичної упаковки, майстерень, книг та інших покриттів або друкарських застосувань. Однак властиві їм обмеження продуктивності обмежують широке застосування. У міру зростання обізнаності про навколишнє середовище та безпеки разом із підвищенням рівня життя екологічно чисті чорнила на водній основі, які зменшують викиди ЛОС, все частіше замінюють чорнила на основі розчинників, кидаючи виклик традиційним ринкам чорнил на основі розчинників.

У цьому контексті покращення продуктивності чорнил шляхом модифікації смол на водній основі, особливо поліуретанів на водній основі, за допомогою інноваційних методів, таких як нанотехнології та гібридизація органічних і неорганічних сполук, має вирішальне значення для майбутньої розробки чорнил на водній основі. Тому необхідні подальші всебічні дослідження модифікацій смоли, щоб підвищити продуктивність чорнила на водній основі для більш широкого застосування.