Explorando el desarrollo de tintas a base de agua y el estudio de tintas de poliuretano a base de agua ecológicas

La contaminación del aire ha sido durante mucho tiempo una gran preocupación, y las emisiones de gases tóxicos, como los COV, contribuyen de manera importante junto con fenómenos naturales como las tormentas de polvo. A medida que crece la conciencia sobre la protección del medio ambiente y se implementan diversas políticas nacionales, la industria gráfica, un importante emisor de COV, se ha enfrentado a una reforma inevitable. En consecuencia, las tintas de impresión ecológicas se han convertido en un punto focal en la investigación de la industria gráfica global. Entre las tintas ecológicas disponibles, incluidas las tintas a base de agua, las tintas curables con energía y las tintas a base de aceite vegetal, las tintas a base de agua son las más utilizadas. Las tintas a base de agua contienen una menor proporción de solventes orgánicos, lo que reduce las emisiones de COV y se alinea con los principios de protección ambiental. Sin embargo, las tintas a base de agua también tienen desventajas como tiempos de secado y curado lentos y poca resistencia al agua y a los álcalis, lo que limita su aplicación en tintas industriales tradicionales. Por lo tanto, mejorar estas debilidades mediante la modificación de la resina se ha convertido en un objetivo importante. Este artículo describe el desarrollo y aplicación de tintas a base de agua, el estudio de las modificaciones de resinas, los avances en la investigación de tintas de impresión que utilizan poliuretanos a base de agua y las perspectivas de futuro en este campo.

• Experimental

1. Desarrollo de tintas a base de agua

Las tintas tienen una larga historia y surgieron junto con la invención de la imprenta. Después de la introducción del pigmento rojo Lithol en 1900, las tintas se generalizaron, lo que llevó a los países a invertir en investigación de tintas. Las tintas a base de agua son un derivado resultante de mayores exigencias de practicidad de la tinta. La investigación sobre tintas a base de agua comenzó en el extranjero en la década de 1960, principalmente para acelerar las velocidades de impresión y reducir la dependencia de materias primas a base de petróleo. Estas tintas utilizaban compuestos orgánicos como bencenos y goma laca o lignosulfonato de sodio como materiales principales para satisfacer las necesidades de impresión de la época. En la década de 1970, los investigadores desarrollaron una resina de emulsión polimérica con una estructura de núcleo-cubierta y de red polimerizando monómeros acrílicos con estireno, manteniendo el brillo de las tintas y la resistencia al agua y al mismo tiempo cumpliendo con los requisitos ambientales. Sin embargo, a medida que aumentó la conciencia ambiental y se promulgaron leyes ambientales más estrictas, la proporción de compuestos orgánicos a base de benceno en las tintas disminuyó. En la década de 1980, los países de Europa occidental introdujeron los conceptos y tecnologías de "impresión con tinta verde" y "nueva impresión con tinta a base de agua".

La industria de la tinta en China comenzó a finales de la dinastía Qing con la producción de moneda, dependiendo en gran medida de tintas importadas hasta 1975, cuando las fábricas de tinta de Tianjin y de Gangu desarrollaron y produjeron la primera tinta de huecograbado nacional a base de agua. Para la década de 1990, China había importado más de 100 líneas de producción de impresión flexográfica, lo que impulsó rápidamente el uso de tintas a base de agua. En 2003, el Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de China desarrolló con éxito productos relacionados y, a principios de 2004, Shanghai Meide Company produjo una tinta termoendurecible de baja temperatura y totalmente a base de agua que cumplía con los estándares japoneses y alemanes. Si bien la investigación en tintas a base de agua en China experimentó un rápido desarrollo a principios del siglo XXI, los países occidentales ya habían logrado un progreso significativo: aproximadamente el 95 % de los productos flexográficos y el 80 % de los productos de huecograbado en Estados Unidos utilizaban tintas a base de agua, mientras que el Reino Unido y Japón adoptaron tintas a base de agua para envases de alimentos y productos farmacéuticos. Comparativamente, el desarrollo de China fue más lento.

Para promover aún más el mercado, China introdujo el primer estándar de tintas a base de agua en mayo de 2007 y en 2011 abogó por el "desarrollo de innovación verde", con el objetivo de reemplazar las tintas a base de solventes por tintas a base de agua. En el "13.º Plan Quinquenal" de 2016 para la industria gráfica, la "investigación sobre materiales medioambientales a base de agua" y la "impresión ecológica" fueron puntos clave. Para 2020, la promoción nacional de la impresión ecológica y digital amplió el mercado de tintas a base de agua.

2. Aplicación de tintas a base de agua

A principios del siglo XX, Estados Unidos aplicó por primera vez tintas a base de agua en la impresión flexográfica. Para la década de 1970, las tintas de huecograbado a base de agua de alta calidad se usaban ampliamente en diversos papeles de embalaje, estanterías gruesas y cartón. En la década de 1980, se desarrollaron en el extranjero tintas a base de agua para serigrafía, tanto brillantes como mate, y su aplicación se extendió a telas, papel, PVC, poliestireno, papel de aluminio y metales. Actualmente, debido a sus características ecológicas, no tóxicas y seguras, las tintas a base de agua se utilizan principalmente en la impresión de envases de alimentos, como los de tabaco y las botellas de bebidas. A medida que mejoran las leyes ambientales, la aplicación de las tintas a base de agua continúa diversificándose e intensificándose. China también está promoviendo progresivamente su uso en la industria de la impresión.

• Resultados y discusión

1. Investigación sobre modificaciones de resinas

El rendimiento de la tinta está influenciado por las diferencias de resina. Generalmente, las resinas de tinta a base de agua suelen ser poliuretano, emulsiones acrílicas modificadas o resinas poliacrílicas. Las resinas de poliuretano a base de agua (WPU), con un brillo superior, se utilizan ampliamente en la impresión de envases. Por lo tanto, mejorar el rendimiento de la WPU para mejorar el brillo y el respeto al medio ambiente de la tinta a base de agua se ha convertido en un objetivo de la industria de la impresión.

2. Modificación de poliuretanos a base de agua

Los poliuretanos a base de agua, compuestos de polioles de bajo peso molecular, se pueden clasificar en poliéster, poliéter e híbridos. Según las diferentes propiedades de los polímeros de poliéster y poliéter, su resistencia y estabilidad varían. Generalmente, los poliuretanos de poliéster tienen menor resistencia y estabilidad que los poliuretanos de poliéster, pero exhiben una mejor resistencia a las altas temperaturas y son menos propensos a la hidrólisis. Por ejemplo, aumentar la "consistencia" de la tinta mediante el uso de éter monometílico de polietilenglicol mejora sus características de tolerancia. Sin embargo, esto es sólo un punto de referencia. Varios institutos de investigación adoptan diferentes métodos para mejorar aspectos específicos de la WPU.

Por ejemplo, en 2010, se seleccionaron resinas epoxi con alta tenacidad y resistencia al impacto para abordar los problemas de viscosidad y adhesión de la tinta, mejorando así la resistencia de la tinta. En 2006, un estudio publicado por la Universidad Química de Beijing utilizó poliuretano a base de etilenglicol para formar una resina especial con un segmento largo y suave, mejorando la flexibilidad de la tinta y fortaleciendo indirectamente la tinta a base de agua. Algunos equipos logran resultados de modificación agregando sustancias químicas: incorporando sílice u organosilicio para mejorar la WPU, lo que da como resultado una mayor resistencia a la tracción de la tinta. El poliuretano de nitrilo butadieno terminado en carboxilo se utiliza para mejorar el rendimiento de flexión y la viscosidad de la tinta, adaptándose a entornos más complejos.

Por lo tanto, los investigadores normalmente seleccionan poliésteres específicos basándose en las propiedades de la tinta, utilizando poliácidos y polioles apropiados para sintetizar polioles de poliéster resistentes al calor, introduciendo grupos polares con fuerte adhesión, seleccionando materias primas adecuadas para mejorar la cristalinidad del poliuretano y usando agentes de acoplamiento para mejorar las propiedades adhesivas de WPU. resistencia a la humedad y al calor.

3. Modificación de la resistencia al agua

Dado que la tinta se utiliza principalmente para el embalaje exterior y con frecuencia entra en contacto con el agua, una mala resistencia al agua puede provocar una reducción de la dureza, el brillo e incluso el desprendimiento o daño de la tinta, lo que afecta significativamente el rendimiento del almacenamiento. La mejora de la resistencia al agua de la WPU mejora el rendimiento del almacenamiento de tinta mediante el uso de polioles con buena resistencia al agua como materiales. Por ejemplo, modificar WPU con monómeros acrílicos o ajustar el contenido de resina epoxi puede mejorar la resistencia al agua de la tinta.

Además de utilizar polímeros de alta resistencia al agua para reemplazar el poliuretano estándar, los investigadores suelen añadir sustancias orgánicas o inorgánicas para lograr el efecto deseado. Por ejemplo, la incorporación de sílice a nanoescala en la resina mejora la resistencia al agua y la solidez, un método ampliamente utilizado en la producción de tinta. El "método de copolimerización en emulsión" crea PUA compuesto para mejorar la resistencia al agua, mientras que métodos como la modificación del polietilenglicol monometil éter y la síntesis de acetona de WPU modificado con organosilicio mejoran la resistencia al agua.

4. Modificación de resistencia a altas temperaturas

Generalmente, la resistencia a altas temperaturas de la WPU es relativamente débil, lo que limita la resistencia al calor de la tinta a base de agua. Los poliuretanos de poliéter suelen tener una mejor resistencia a las altas temperaturas que los poliuretanos de poliéster debido a la cantidad de dobles enlaces. La adición de polímeros de cadena larga o ésteres/éteres de anillos de benceno como monómeros de polimerización mejora la resistencia del polímero a altas temperaturas y, en consecuencia, la resistencia al calor de las tintas a base de agua. Además de utilizar poliuretanos de poliéter de cadena larga, algunos equipos utilizan materiales compuestos para aumentar la complejidad y mejorar la resistencia a las altas temperaturas. Por ejemplo, agregar nanoóxido de estaño y antimonio a WPU sintetizado a partir de DMPA, poliéter 220 e IPDI permite que las capas de tinta absorban el calor, mejorando la resistencia a las altas temperaturas. Agregar aerogel de sílice al poliuretano también reduce la conductividad térmica y mejora la resistencia al calor de la tinta.

5. Modificación de estabilidad

La estabilidad de la WPU afecta significativamente el rendimiento del almacenamiento de tinta a base de agua. Además de la resistencia al agua y a las altas temperaturas, el peso molecular y la disposición de la estructura son cruciales. Las resinas de poliéster son generalmente más estables que las resinas de poliéter debido a que tienen más enlaces de hidrógeno en la estructura molecular. Agregar sustancias éster para formar poliuretanos mixtos aumenta la estabilidad, como el uso de dispersión de isocianato y silano para crear una WPU de dos componentes con estabilidad y resistencia a la abrasión mejoradas. El tratamiento térmico y el enfriamiento también pueden crear más enlaces de hidrógeno, estrechando la disposición molecular y mejorando la estabilidad de la WPU y el rendimiento del almacenamiento de tinta a base de agua.

6. Mejora de la adherencia

Si bien la optimización del WPU mejora la resistencia al agua, la resistencia a altas temperaturas y la estabilidad, los WPU aún muestran una mala adhesión a los productos de plástico de polietileno (PE) debido al peso molecular y la polaridad. Normalmente, se añaden polímeros o monómeros de polaridad y peso molecular similares para mejorar la WPU y mejorar la adhesión de la tinta a base de agua a materiales no polares. Por ejemplo, la copolimerización de WPU con una resina de cloruro de polivinilo y acrilato de hidroxietilo mejora la adhesión impermeable entre tintas y recubrimientos. Agregar resina de poliéster acrílico al WPU crea una estructura de enlace molecular única, lo que mejora significativamente la adhesión del WPU. Sin embargo, estos métodos pueden afectar las propiedades de la tinta original, como el brillo. Por lo tanto, las técnicas industriales tratan los materiales sin alterar las propiedades para mejorar la adhesión de la tinta, como la activación de superficies con electrodos o el tratamiento con llama de corta duración para aumentar la adsorción.

• Conclusión

Actualmente, las tintas a base de agua se utilizan ampliamente en envases de alimentos, envases farmacéuticos, talleres, libros y otros recubrimientos o aplicaciones de impresión. Sin embargo, sus limitaciones de rendimiento inherentes restringen aplicaciones más amplias. A medida que crece la conciencia ambiental y de seguridad con mejores niveles de vida, las tintas ecológicas a base de agua que reducen las emisiones de COV están reemplazando cada vez más a las tintas a base de solventes, desafiando los mercados tradicionales de tintas a base de solventes.

En este contexto, mejorar el rendimiento de las tintas mediante la modificación de resinas a base de agua, especialmente poliuretanos a base de agua, mediante métodos innovadores como la nanotecnología y la hibridación de compuestos orgánicos e inorgánicos, es crucial para el desarrollo futuro de tintas a base de agua. Por lo tanto, se necesita una mayor investigación exhaustiva sobre las modificaciones de resinas para optimizar el rendimiento de las tintas a base de agua para aplicaciones más amplias.