Notícies
Explorant el desenvolupament de tintes a base d'aigua i l'estudi de tintes de poliuretà a base d'aigua ecològiques
La contaminació de l'aire ha estat durant molt de temps una de les principals preocupacions, i les emissions de gasos tòxics com els COV són contribuents importants juntament amb fenòmens naturals com les tempestes de pols. A mesura que creix la consciència de la protecció del medi ambient i s'apliquen diverses polítiques nacionals, la indústria de la impressió, un important emissor de COV, s'ha enfrontat a una reforma inevitable. En conseqüència, les tintes d'impressió ecològiques s'han convertit en un punt focal en la investigació global de la indústria de la impressió. Entre les tintes ecològiques disponibles, incloses les tintes a base d'aigua, les tintes curables amb energia i les tintes a base d'oli vegetal, les tintes a base d'aigua són les més utilitzades. Les tintes a base d'aigua contenen una menor proporció de dissolvents orgànics, reduint les emissions de COV i s'alineen amb els principis de protecció del medi ambient. No obstant això, les tintes a base d'aigua també presenten inconvenients com ara temps d'assecat i curat lents i poca resistència a l'aigua i als àlcalis, limitant la seva aplicació en tintes industrials tradicionals. Així, la millora d'aquestes debilitats mitjançant la modificació de la resina s'ha convertit en un focus important. En aquest article es descriu el desenvolupament i l'aplicació de tintes a base d'aigua, l'estudi de les modificacions de resines, el progrés de la investigació sobre tintes d'impressió amb poliuretans a base d'aigua i les perspectives de futur en aquest camp.
- Experimental
- Desenvolupament de tintes a base d'aigua
Les tintes tenen una llarga història, sorgint al costat de la invenció de la impressió. Després de la introducció del pigment vermell Lithol l'any 1900, les tintes es van estendre, el que va impulsar els països a invertir en la investigació de la tinta. Les tintes a base d'aigua són un derivat derivat de les demandes més altes de practicitat de la tinta. La investigació sobre tintes a base d'aigua va començar a l'estranger a la dècada de 1960, principalment per accelerar les taxes d'impressió i reduir la dependència de matèries primeres a base de petroli. Aquestes tintes utilitzaven compostos orgànics com benzès i goma laca o lignosulfonat de sodi com a materials principals per satisfer les necessitats d'impressió del moment. A la dècada de 1970, els investigadors van desenvolupar una resina d'emulsió de polímer amb un nucli de closca i una estructura de xarxa polimeritzant monòmers acrílics amb estirè, mantenint la brillantor i la resistència a l'aigua de les tintes i complint els requisits ambientals. Tanmateix, a mesura que va augmentar la consciència ambiental i es van promulgar lleis ambientals més estrictes, la proporció d'orgànics a base de benzè a les tintes va disminuir. A la dècada de 1980, els països d'Europa occidental van introduir els conceptes i tecnologies de "impressió de tinta verda" i "nova impressió de tinta a base d'aigua".
La indústria de la tinta de la Xina va començar a finals de la dinastia Qing amb la producció de moneda, depenent en gran mesura de les tintes importades fins al 1975, quan la fàbrica de tinta de Tianjin i la fàbrica de tinta Gangu van desenvolupar i produir la primera tinta de gravat a base d'aigua domèstica. A la dècada de 1990, la Xina havia importat més de 100 línies de producció d'impressió flexogràfica, avançant ràpidament l'ús de tintes a base d'aigua. L'any 2003, l'Institut d'Investigació Tecnològica Industrial de la Xina va desenvolupar amb èxit productes relacionats i, a principis de 2004, Shanghai Meide Company va produir una tinta termoestables de baixa temperatura totalment a base d'aigua que complia els estàndards japonesos i alemanys. Tot i que la investigació de la Xina sobre tintes a base d'aigua va experimentar un ràpid desenvolupament a principis del segle XXI, els països occidentals ja havien aconseguit un progrés significatiu: al voltant del 95% dels productes flexogràfics i el 80% dels productes de gravat als Estats Units utilitzaven tintes a base d'aigua, mentre que el Regne Unit i el Japó va adoptar tintes a base d'aigua per als envasos d'aliments i productes farmacèutics. En comparació, el desenvolupament de la Xina va ser més lent.
Per promocionar encara més el mercat, la Xina va introduir el primer estàndard de tinta a base d'aigua el maig de 2007 i el 2011 va defensar el "desenvolupament d'innovació verda", amb l'objectiu de substituir les tintes a base de dissolvents per tintes a base d'aigua. Al "13è Pla Quinquennal" de 2016 per a la indústria de la impressió, la "recerca sobre materials ambientals a base d'aigua" i la "impressió verda" van ser els focus clau. El 2020, la promoció nacional de la impressió verda i digital va ampliar el mercat de la tinta a base d'aigua.
- Aplicació de tintes a base d'aigua
A principis del segle XX, els Estats Units van aplicar per primera vegada tintes a base d'aigua en la impressió flexogràfica. A la dècada de 1970, les tintes de gravat a base d'aigua d'alta qualitat s'utilitzaven àmpliament per a diversos papers d'embalatge, prestatgeries gruixudes i cartró. A la dècada de 1980, les tintes a base d'aigua de serigrafia brillant i mat es van desenvolupar a l'estranger, ampliant la seva aplicació a teixits, paper, PVC, poliestirè, paper d'alumini i metalls. Actualment, a causa de les seves característiques ecològiques, no tòxiques i segures, les tintes a base d'aigua s'utilitzen principalment en la impressió d'envasos d'aliments, com ara envasos de tabac i ampolles de begudes. A mesura que milloren les lleis ambientals, l'aplicació de tintes a base d'aigua es continua diversificant i intensificant. La Xina també està promocionant progressivament el seu ús a la indústria de la impressió.
- Resultats i discussió
- Recerca sobre modificacions de resines
El rendiment de la tinta està influenciat per les diferències de resina. En general, les resines de tinta a base d'aigua solen ser de poliuretà, emulsions acríliques modificades o resines poliacríliques. Les resines de poliuretà a base d'aigua (WPU), amb una brillantor superior, s'utilitzen àmpliament en la impressió d'envasos. Així, la millora del rendiment de la WPU per millorar la compatibilitat amb el medi ambient i la brillantor de la tinta a base d'aigua s'ha convertit en un focus en la indústria de la impressió.
- Modificació de poliuretans a base d'aigua
Els poliuretans a base d'aigua, composts per poliols de baix pes molecular, es poden classificar en tipus de polièster, polièter i híbrids. En funció de les diferents propietats dels polímers de polièster i polièter, la seva resistència i estabilitat varien. En general, els poliuretans de polièter tenen una resistència i estabilitat inferiors que els poliuretans de polièster, però presenten una millor resistència a les altes temperatures i són menys propensos a la hidròlisi. Per exemple, augmentar la "consistència" de la tinta utilitzant èter monometil de polietilenglicol millora les seves característiques de tolerància. Tanmateix, això només és un punt de referència. Diversos instituts de recerca adopten diferents mètodes per millorar aspectes específics de WPU.
Per exemple, el 2010, es van seleccionar resines epoxi amb alta tenacitat i resistència a l'impacte per abordar els problemes de viscositat i adhesió de la tinta, millorant així la resistència de la tinta. El 2006, un estudi publicat per la Universitat Química de Beijing va utilitzar poliuretà a base d'etilenglicol per formar una resina especial amb un segment llarg i suau, millorant la flexibilitat de la tinta i reforçant indirectament la tinta a base d'aigua. Alguns equips aconsegueixen resultats de modificació afegint substàncies químiques: incorporant sílice o organosilici per millorar el WPU, el que resulta en una resistència a la tracció de la tinta millorada. El poliuretà de nitril de butadiè terminat en carboxil s'utilitza per millorar el rendiment i la viscositat de la flexió de la tinta, adaptant-se a entorns més complexos.
Així, els investigadors solen seleccionar polièsters específics en funció de les propietats de la tinta, utilitzant poliàcids i poliols adequats per sintetitzar polièsters resistents a la calor, introduint grups polars amb una forta adhesió, seleccionant matèries primeres adequades per millorar la cristal·linitat del poliuretà i utilitzant agents d'acoblament per millorar l'adhesiu WPU. resistència a la humitat i a la calor.
- Modificació de la resistència a l'aigua
Atès que la tinta s'utilitza principalment per a l'embalatge exterior i sovint entra en contacte amb l'aigua, la poca resistència a l'aigua pot provocar una reducció de la duresa, la brillantor i fins i tot la descamació o el dany de la tinta, afectant significativament el rendiment de l'emmagatzematge. La millora de la resistència a l'aigua de WPU millora el rendiment de l'emmagatzematge de tinta mitjançant l'ús de poliols amb bona resistència a l'aigua com a materials. Per exemple, modificar el WPU amb monòmers acrílics o ajustar el contingut de resina epoxi pot millorar la resistència a l'aigua de la tinta.
A part d'utilitzar polímers d'alta resistència a l'aigua per substituir el poliuretà estàndard, els investigadors sovint afegeixen substàncies orgàniques o inorgàniques per aconseguir l'efecte desitjat. Per exemple, la incorporació de sílice a nanoescala a la resina millora la resistència a l'aigua i la força, un mètode molt utilitzat en la producció de tinta. El "mètode de copolimerització d'emulsió" crea PUA compost per millorar la resistència a l'aigua, mentre que mètodes com la modificació de l'èter monometil de polietilenglicol i la síntesi d'acetona de WPU modificat amb organosilici milloren la resistència a l'aigua.
- Modificació de la resistència a alta temperatura
En general, la resistència a alta temperatura de WPU és relativament feble, limitant la resistència a la calor de la tinta a base d'aigua. Els poliuretans de polièter solen tenir una millor resistència a les altes temperatures que els poliuretans de polièster a causa del nombre de dobles enllaços. L'addició de polímers de cadena llarga o èsters/èters d'anell de benzè com a monòmers de polimerització millora la resistència a alta temperatura del polímer i, en conseqüència, la resistència a la calor de la tinta a base d'aigua. A més d'utilitzar poliuretans de polièter de cadena llarga, alguns equips utilitzen materials compostos per augmentar la complexitat i millorar la resistència a les altes temperatures. Per exemple, afegir nanoòxid d'antimoni d'estany a WPU sintetitzat a partir de DMPA, polièter 220 i IPDI permet que les capes de tinta absorbeixin la calor, millorant la resistència a les altes temperatures. L'addició d'aerogel de sílice al poliuretà també redueix la conductivitat tèrmica i millora la resistència a la calor de la tinta.
- Modificació d'estabilitat
L'estabilitat de la WPU afecta significativament el rendiment de l'emmagatzematge de tinta a base d'aigua. A més de la resistència a l'aigua i a les altes temperatures, el pes molecular i la disposició de l'estructura són crucials. Les resines de polièster són generalment més estables que les resines de polièter a causa de més enllaços d'hidrogen a l'estructura molecular. L'addició de substàncies d'èster per formar poliuretans barrejats augmenta l'estabilitat, com l'ús d'isocianat i dispersió de silà per crear un WPU de doble component amb estabilitat i resistència a l'abrasió millorades. El tractament tèrmic i el refredament també poden crear més enllaços d'hidrogen, endurint la disposició molecular i millorant l'estabilitat de la WPU i el rendiment d'emmagatzematge de tinta a base d'aigua.
- Millora de l'adhesió
Tot i que l'optimització de WPU millora la resistència a l'aigua, la resistència a alta temperatura i l'estabilitat, les WPU encara mostren una mala adhesió als productes de plàstic de polietilè (PE) a causa del pes molecular i la polaritat. Normalment, s'afegeixen polímers o monòmers de polaritat i pes molecular similars per millorar el WPU i millorar l'adhesió de la tinta a base d'aigua als materials no polars. Per exemple, la copolimerització de WPU amb una resina de clorur de polivinil i acrilat d'hidroxietil millora l'adhesió impermeable entre tintes i recobriments. L'addició de resina de polièster acrílic a WPU crea una estructura d'enllaç molecular única, millorant significativament l'adhesió de WPU. Tanmateix, aquests mètodes poden afectar les propietats originals de la tinta, com ara la brillantor. Per tant, les tècniques industrials tracten els materials sense alterar les propietats per millorar l'adhesió de la tinta, com l'activació de superfícies amb elèctrodes o el tractament amb flama a curt termini per augmentar l'adsorció.
- Conclusió
Actualment, les tintes a base d'aigua s'utilitzen àmpliament en envasos d'aliments, envasos farmacèutics, tallers, llibres i altres aplicacions de recobriments o impressió. Tanmateix, les seves limitacions de rendiment inherents restringeixen aplicacions més àmplies. A mesura que la consciència ambiental i de seguretat creix amb la millora dels nivells de vida, les tintes ecològiques a base d'aigua que redueixen les emissions de COV estan substituint cada cop més les tintes a base de dissolvents, desafiant els mercats tradicionals de tintes basades en dissolvents.
En aquest context, millorar el rendiment de la tinta mitjançant la modificació de resines a base d'aigua, especialment poliuretans a base d'aigua, mitjançant mètodes innovadors com la nanotecnologia i la hibridació de compostos orgànics i inorgànics és crucial per al futur desenvolupament de la tinta a base d'aigua. Per tant, es necessita una investigació més exhaustiva sobre les modificacions de la resina per millorar el rendiment de la tinta a base d'aigua per a aplicacions més àmplies.