Khám phá sự phát triển của mực gốc nước và nghiên cứu mực polyurethane gốc nước thân thiện với môi trường

Ô nhiễm không khí từ lâu đã là một mối lo ngại lớn, trong đó khí thải độc hại như VOC là những tác nhân góp phần đáng kể cùng với các hiện tượng tự nhiên như bão bụi. Khi nhận thức về bảo vệ môi trường ngày càng tăng và các chính sách quốc gia khác nhau được thực hiện, ngành in, một nguồn phát thải VOC lớn, đã phải đối mặt với những cải cách không thể tránh khỏi. Do đó, mực in thân thiện với môi trường đã trở thành tâm điểm trong nghiên cứu ngành in ấn toàn cầu. Trong số các loại mực thân thiện với môi trường hiện có, bao gồm mực gốc nước, mực có thể chữa được bằng năng lượng và mực gốc dầu thực vật, mực gốc nước được sử dụng rộng rãi nhất. Mực gốc nước chứa tỷ lệ dung môi hữu cơ thấp hơn, giảm lượng khí thải VOC và phù hợp với các nguyên tắc bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, mực gốc nước cũng có những nhược điểm như thời gian khô và đóng rắn chậm, khả năng chống nước và kiềm kém, hạn chế ứng dụng của chúng trong các loại mực công nghiệp truyền thống. Vì vậy, việc cải thiện những điểm yếu này thông qua sửa đổi nhựa đã trở thành một trọng tâm quan trọng. Bài viết này trình bày sự phát triển và ứng dụng của mực gốc nước, nghiên cứu biến tính nhựa, tiến độ nghiên cứu mực in sử dụng polyurethane gốc nước và triển vọng trong tương lai trong lĩnh vực này.

• Thực nghiệm

1. Sự phát triển của mực gốc nước

Mực có lịch sử lâu đời, nổi lên cùng với việc phát minh ra in ấn. Sau khi Lithol Red Pigment được giới thiệu vào năm 1900, mực trở nên phổ biến, thúc đẩy các nước đầu tư vào nghiên cứu mực. Mực gốc nước là một sản phẩm phái sinh do nhu cầu cao hơn về tính thực tế của mực. Nghiên cứu về mực gốc nước bắt đầu ở nước ngoài vào những năm 1960, chủ yếu nhằm tăng tốc độ in ấn và giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu thô từ dầu mỏ. Những loại mực này sử dụng các hợp chất hữu cơ như benzen và shellac hoặc natri lignosulfonate làm nguyên liệu chính để đáp ứng nhu cầu in ấn vào thời điểm đó. Vào những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại nhựa nhũ tương polymer có cấu trúc mạng và vỏ lõi bằng cách trùng hợp các monome acrylic với styrene, duy trì độ bóng và khả năng chống nước của mực trong khi đáp ứng các yêu cầu về môi trường. Tuy nhiên, khi nhận thức về môi trường tăng lên và luật môi trường chặt chẽ hơn được ban hành, tỷ lệ chất hữu cơ gốc benzen trong mực giảm. Đến những năm 1980, các nước Tây Âu đã đưa ra các khái niệm và công nghệ “in mực xanh” và “in mực nước mới”.

Ngành công nghiệp mực in của Trung Quốc bắt đầu vào cuối triều đại nhà Thanh với việc sản xuất tiền tệ, phụ thuộc nhiều vào mực nhập khẩu cho đến năm 1975, khi Nhà máy mực Thiên Tân và Nhà máy mực Gangu phát triển và sản xuất mực in ống đồng nội địa đầu tiên. Đến những năm 1990, Trung Quốc đã nhập khẩu hơn 100 dây chuyền sản xuất in flexo, thúc đẩy nhanh chóng việc sử dụng mực gốc nước. Năm 2003, Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Trung Quốc đã phát triển thành công các sản phẩm liên quan và đầu năm 2004, Công ty Meide Thượng Hải đã sản xuất loại mực in nhiệt nhiệt độ thấp hoàn toàn gốc nước đáp ứng tiêu chuẩn Nhật Bản và Đức. Mặc dù nghiên cứu về mực gốc nước của Trung Quốc đã phát triển nhanh chóng vào đầu thế kỷ 21, nhưng các nước phương Tây đã đạt được tiến bộ đáng kể: khoảng 95% sản phẩm flexo và 80% sản phẩm ống đồng ở Hoa Kỳ sử dụng mực gốc nước, trong khi Vương quốc Anh và Nhật Bản đã áp dụng mực gốc nước cho bao bì thực phẩm và dược phẩm. Ngược lại, sự phát triển của Trung Quốc chậm hơn.

Để thúc đẩy thị trường hơn nữa, Trung Quốc đã đưa ra tiêu chuẩn mực gốc nước đầu tiên vào tháng 5 năm 2007 và vào năm 2011 ủng hộ "phát triển đổi mới xanh", nhằm thay thế mực gốc dung môi bằng mực gốc nước. Trong "Kế hoạch 5 năm lần thứ 13" năm 2016 cho ngành in, "nghiên cứu về vật liệu môi trường gốc nước" và "in xanh" là trọng tâm. Đến năm 2020, chương trình khuyến khích in xanh và in kỹ thuật số trên toàn quốc đã mở rộng thị trường mực gốc nước.

2. Ứng dụng của mực gốc nước

Vào đầu thế kỷ 20, Hoa Kỳ lần đầu tiên áp dụng loại mực gốc nước trong in flexo. Đến những năm 1970, mực in ống đồng gốc nước chất lượng cao đã được sử dụng rộng rãi cho các loại giấy đóng gói, giá sách dày và bìa cứng. Vào những năm 1980, mực in lụa bóng và mờ đã được phát triển ở nước ngoài, mở rộng ứng dụng sang vải, giấy, PVC, polystyrene, lá nhôm và kim loại. Hiện nay, do đặc tính thân thiện với môi trường, không độc hại và an toàn nên mực gốc nước chủ yếu được sử dụng trong in bao bì thực phẩm, chẳng hạn như bao bì thuốc lá và chai nước giải khát. Khi luật môi trường được cải thiện, việc áp dụng mực gốc nước tiếp tục đa dạng và tăng cường. Trung Quốc cũng đang dần dần thúc đẩy việc sử dụng chúng trong ngành in ấn.

• Kết quả và thảo luận

1. Nghiên cứu về sửa đổi nhựa

Hiệu suất mực bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt về nhựa. Nói chung, nhựa mực gốc nước thường là polyurethane, nhũ tương acrylic biến tính hoặc nhựa polyacrylic. Nhựa polyurethane (WPU) gốc nước có độ bóng vượt trội được sử dụng rộng rãi trong in ấn bao bì. Do đó, việc nâng cao hiệu suất của WPU để cải thiện tính thân thiện với môi trường và độ bóng của mực gốc nước đã trở thành trọng tâm trong ngành in.

2. Sửa đổi Polyurethane gốc nước

Polyurethane gốc nước, bao gồm các polyol trọng lượng phân tử thấp, có thể được phân loại thành các loại polyester, polyether và hybrid. Dựa trên các đặc tính khác nhau của polyme polyester và polyether, độ bền và độ ổn định của chúng khác nhau. Nói chung, polyurethan polyether có độ bền và độ ổn định thấp hơn polyurethan polyester nhưng có khả năng chịu nhiệt độ cao tốt hơn và ít bị thủy phân hơn. Ví dụ, tăng "độ nhất quán" của mực bằng cách sử dụng polyethylen glycol monomethyl ether sẽ cải thiện đặc tính dung sai của nó. Tuy nhiên, đây chỉ là một điểm tham khảo. Các viện nghiên cứu khác nhau áp dụng các phương pháp khác nhau để nâng cao các khía cạnh cụ thể của WPU.

Ví dụ, vào năm 2010, nhựa epoxy có độ bền và độ bền va đập cao đã được chọn để giải quyết các vấn đề về độ nhớt và độ bám dính của mực, từ đó tăng cường độ bền của mực. Năm 2006, một nghiên cứu do Đại học Hóa học Bắc Kinh công bố đã sử dụng polyurethane gốc ethylene glycol để tạo thành một loại nhựa đặc biệt có đoạn mềm dài, cải thiện tính linh hoạt của mực và gián tiếp tăng cường độ bền cho mực gốc nước. Một số nhóm đạt được kết quả sửa đổi bằng cách thêm các chất hóa học: kết hợp silica hoặc organosilicon để cải thiện WPU, dẫn đến tăng cường độ bền kéo của mực. Polyurethane nitrile butadiene kết thúc bằng carboxyl được sử dụng để cải thiện hiệu suất uốn và độ nhớt của mực, thích ứng với các môi trường phức tạp hơn.

Do đó, các nhà nghiên cứu thường chọn các loại polyester cụ thể dựa trên đặc tính của mực, sử dụng các polyaxit và polyol thích hợp để tổng hợp các polyol polyester chịu nhiệt, giới thiệu các nhóm cực có độ bám dính mạnh, lựa chọn nguyên liệu thô phù hợp để cải thiện độ kết tinh polyurethane và sử dụng các chất kết nối để tăng cường khả năng kết dính của chất kết dính WPU. khả năng chống ẩm và nhiệt.

3. Sửa đổi khả năng chống nước

Vì mực chủ yếu được sử dụng để làm bao bì bên ngoài và thường xuyên tiếp xúc với nước nên khả năng chống nước kém có thể dẫn đến giảm độ cứng, độ bóng và thậm chí là bong tróc hoặc hư hỏng mực, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất bảo quản. Cải thiện khả năng chống nước của WPU giúp tăng cường hiệu suất lưu trữ mực bằng cách sử dụng polyol có khả năng chống nước tốt làm vật liệu. Ví dụ, sửa đổi WPU bằng monome acrylic hoặc điều chỉnh hàm lượng nhựa epoxy có thể cải thiện khả năng chống nước của mực.

Ngoài việc sử dụng các polyme có khả năng chịu nước cao để thay thế polyurethane tiêu chuẩn, các nhà nghiên cứu thường bổ sung thêm các chất hữu cơ hoặc vô cơ để đạt được hiệu quả mong muốn. Ví dụ, việc kết hợp silica có kích thước nano vào nhựa giúp tăng cường khả năng chống nước và độ bền, một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong sản xuất mực. "Phương pháp đồng trùng hợp nhũ tương" tạo ra PUA tổng hợp để cải thiện khả năng chống nước, trong khi các phương pháp như biến đổi polyethylene glycol monomethyl ether và tổng hợp axeton của WPU biến tính organosilicon tăng cường khả năng chống nước.

4. Sửa đổi khả năng chịu nhiệt độ cao

Nhìn chung, khả năng chịu nhiệt độ cao của WPU tương đối yếu, hạn chế khả năng chịu nhiệt của mực gốc nước. Polyurethane polyether thường có khả năng chịu nhiệt độ cao tốt hơn polyurethan polyester do số lượng liên kết đôi. Việc bổ sung các polyme chuỗi dài hoặc este/ete vòng benzen làm monome trùng hợp giúp cải thiện khả năng chịu nhiệt độ cao của polyme và do đó, khả năng chịu nhiệt của mực in gốc nước. Bên cạnh việc sử dụng polyete polyete chuỗi dài, một số nhóm nghiên cứu còn sử dụng vật liệu composite để tăng độ phức tạp và tăng cường khả năng chịu nhiệt độ cao. Ví dụ, việc thêm antimon oxit thiếc nano vào WPU tổng hợp từ DMPA, polyether 220 và IPDI cho phép các lớp mực hấp thụ nhiệt, cải thiện khả năng chịu nhiệt độ cao. Thêm silica aerogel vào polyurethane cũng làm giảm tính dẫn nhiệt và tăng cường khả năng chịu nhiệt của mực.

5. Sửa đổi độ ổn định

Độ ổn định của WPU ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất lưu trữ mực gốc nước. Bên cạnh khả năng chịu nước và nhiệt độ cao, trọng lượng phân tử và sự sắp xếp cấu trúc là rất quan trọng. Nhựa polyester nhìn chung ổn định hơn nhựa polyether do có nhiều liên kết hydro hơn trong cấu trúc phân tử. Việc thêm các chất este để tạo thành polyuretan hỗn hợp sẽ tăng tính ổn định, chẳng hạn như sử dụng phân tán isocyanate và silane để tạo ra WPU hai thành phần với độ ổn định và khả năng chống mài mòn được cải thiện. Xử lý nhiệt và làm mát cũng có thể tạo ra nhiều liên kết hydro hơn, thắt chặt sự sắp xếp phân tử và tăng cường độ ổn định của WPU cũng như hiệu suất lưu trữ mực gốc nước.

6. Cải thiện độ bám dính

Trong khi việc tối ưu hóa WPU giúp cải thiện khả năng chống nước, chịu nhiệt độ cao và độ ổn định, WPU vẫn cho thấy độ bám dính kém với các sản phẩm nhựa polyetylen (PE) do trọng lượng phân tử và tính phân cực. Thông thường, các polyme hoặc monome có trọng lượng phân tử và phân cực tương tự được thêm vào để cải thiện WPU và tăng cường độ bám dính của mực gốc nước với các vật liệu không phân cực. Ví dụ, WPU đồng trùng hợp với nhựa polyvinyl clorua-hydroxyethyl acrylate giúp cải thiện độ bám dính chống thấm nước giữa mực và lớp phủ. Việc thêm nhựa polyester acrylic vào WPU sẽ tạo ra cấu trúc liên kết phân tử độc đáo, tăng cường đáng kể độ bám dính của WPU. Tuy nhiên, những phương pháp này có thể ảnh hưởng đến các đặc tính của mực gốc như độ bóng. Do đó, các kỹ thuật công nghiệp xử lý vật liệu mà không làm thay đổi đặc tính để cải thiện độ bám dính của mực, chẳng hạn như kích hoạt bề mặt bằng điện cực hoặc xử lý ngọn lửa trong thời gian ngắn để tăng khả năng hấp phụ.

• Phần kết luận

Hiện nay, mực gốc nước được sử dụng rộng rãi trong bao bì thực phẩm, bao bì dược phẩm, nhà xưởng, sách và các ứng dụng sơn hoặc in ấn khác. Tuy nhiên, những hạn chế về hiệu suất vốn có của chúng hạn chế các ứng dụng rộng hơn. Khi nhận thức về môi trường và an toàn ngày càng tăng cùng với mức sống được cải thiện, các loại mực thân thiện với môi trường gốc nước giúp giảm lượng khí thải VOC đang ngày càng thay thế các loại mực gốc dung môi, thách thức các thị trường mực gốc dung môi truyền thống.

Trong bối cảnh này, việc nâng cao hiệu suất của mực bằng cách sửa đổi các loại nhựa gốc nước, đặc biệt là polyurethan gốc nước, thông qua các phương pháp cải tiến như công nghệ nano và lai các hợp chất hữu cơ và vô cơ là rất quan trọng cho sự phát triển mực gốc nước trong tương lai. Do đó, cần nghiên cứu toàn diện hơn nữa về sửa đổi nhựa để nâng cao hiệu suất của mực gốc nước cho các ứng dụng rộng rãi hơn.