Explorando o desenvolvemento de tintas a base de auga e o estudo de tintas de poliuretano ecolóxicas a base de auga

A contaminación atmosférica foi durante moito tempo unha gran preocupación, e as emisións de gases tóxicos como os COV son contribuíntes importantes xunto con fenómenos naturais como as tormentas de po. A medida que crece a conciencia sobre a protección ambiental e se implementan diversas políticas nacionais, a industria gráfica, un importante emisor de COV, enfrontouse a unha reforma inevitable. En consecuencia, as tintas de impresión ecolóxicas convertéronse nun punto focal na investigación global da industria de impresión. Entre as tintas ecolóxicas dispoñibles, incluíndo tintas a base de auga, tintas curables enerxéticas e tintas a base de aceite vexetal, as tintas a base de auga son as máis utilizadas. As tintas a base de auga conteñen unha menor proporción de disolventes orgánicos, reducindo as emisións de COV e aliñando os principios de protección ambiental. Non obstante, as tintas a base de auga tamén presentan inconvenientes como tempos de secado e curado lentos e escasa resistencia á auga e aos álcalis, o que limita a súa aplicación nas tintas industriais tradicionais. Así, mellorar estas debilidades mediante a modificación da resina converteuse nun foco importante. Este traballo expón o desenvolvemento e aplicación de tintas a base de auga, o estudo das modificacións de resinas, os avances na investigación sobre tintas de impresión utilizando poliuretanos a base de auga e as perspectivas de futuro neste campo.

• Experimental

1. Desenvolvemento de tintas a base de auga

As tintas teñen unha longa historia, xurdindo xunto coa invención da impresión. Despois da introdución do pigmento vermello Lithol en 1900, as tintas xeneralizáronse, o que fixo que os países investisen na investigación da tinta. As tintas a base de auga son un derivado resultante das maiores demandas de practicidade da tinta. A investigación sobre tintas a base de auga comezou no estranxeiro na década de 1960, principalmente para acelerar as taxas de impresión e reducir a dependencia das materias primas derivadas do petróleo. Estas tintas usaban compostos orgánicos como bencenos e goma laca ou lignosulfonato de sodio como materiais principais para satisfacer as necesidades de impresión da época. Na década de 1970, os investigadores desenvolveron unha resina de emulsión de polímero cunha estrutura de núcleo e de rede mediante a polimerización de monómeros acrílicos con estireno, mantendo o brillo e a resistencia á auga das tintas ao tempo que cumprían os requisitos ambientais. Non obstante, a medida que aumentou a conciencia ambiental e se promulgaron leis ambientais máis estritas, a proporción de produtos orgánicos a base de benceno nas tintas diminuíu. Na década de 1980, os países de Europa occidental introduciron os conceptos e tecnoloxías de "impresión de tinta verde" e "nova impresión de tinta a base de auga".

A industria da tinta de China comezou a finais da dinastía Qing coa produción de moeda, baseándose en gran medida nas tintas importadas ata 1975, cando Tianjin Ink Factory e Gangu Ink Factory desenvolveron e produciron a primeira tinta doméstica de huecograbado a base de auga. Na década de 1990, China importara máis de 100 liñas de produción de impresión flexográfica, avanzando rapidamente no uso de tintas a base de auga. En 2003, o Instituto de Investigación Tecnolóxica Industrial de China desenvolveu con éxito produtos relacionados e, a principios de 2004, Shanghai Meide Company produciu unha tinta termoestables a baixa temperatura totalmente a base de auga que cumpre os estándares xaponeses e alemáns. Aínda que a investigación de China sobre tintas a base de auga experimentou un rápido desenvolvemento a principios do século XXI, os países occidentais xa lograran un progreso significativo: preto do 95% dos produtos flexográficos e o 80% dos produtos de huecograbado nos Estados Unidos utilizaban tintas a base de auga, mentres que o Reino Unido. e Xapón adoptou tintas a base de auga para envases de alimentos e produtos farmacéuticos. En comparación, o desenvolvemento de China foi máis lento.

Para promover aínda máis o mercado, China presentou o primeiro estándar de tinta a base de auga en maio de 2007 e en 2011 avogou polo "desenvolvemento da innovación ecolóxica", co obxectivo de substituír as tintas a base de disolventes por tintas a base de auga. No "13o Plan Quinquenal" de 2016 para a industria gráfica, a "investigación sobre materiais ambientais a base de auga" e a "impresión verde" foron os focos fundamentais. Para 2020, a promoción nacional da impresión verde e dixital ampliou o mercado da tinta a base de auga.

2. Aplicación de tintas a base de auga

A principios do século XX, os Estados Unidos aplicaron por primeira vez tintas a base de auga na impresión flexográfica. Na década de 1970, as tintas de huecograbado a base de auga de alta calidade usáronse amplamente para varios papeis de embalaxe, estanterías grosas e cartón. Na década de 1980 desenvolvéronse no estranxeiro tintas de serigrafía brillantes e mate a base de auga, ampliando a súa aplicación a tecidos, papel, PVC, poliestireno, folla de aluminio e metais. Actualmente, debido ás súas características ecolóxicas, non tóxicas e seguras, as tintas a base de auga úsanse principalmente na impresión de envases de alimentos, como envases de tabaco e botellas de bebidas. A medida que melloran as leis ambientais, a aplicación de tintas a base de auga segue diversificando e intensificándose. China tamén está a promover progresivamente o seu uso na industria gráfica.

• Resultados e discusión

1. Investigación sobre modificacións de resinas

O rendemento da tinta está influenciado polas diferenzas de resina. Xeralmente, as resinas de tinta a base de auga son normalmente poliuretano, emulsións acrílicas modificadas ou resinas poliacrílicas. As resinas de poliuretano a base de auga (WPU), cun brillo superior, úsanse amplamente na impresión de envases. Así, mellorar o rendemento da WPU para mellorar o respeto ao medio ambiente e o brillo da tinta a base de auga converteuse nun foco na industria da impresión.

2. Modificación de poliuretanos a base de auga

Os poliuretanos a base de auga, compostos por poliois de baixo peso molecular, pódense clasificar en poliéster, poliéter e híbridos. En función das diferentes propiedades dos polímeros de poliéster e poliéter, a súa resistencia e estabilidade varían. Xeralmente, os poliuretanos de poliéter teñen menor resistencia e estabilidade que os poliuretanos de poliéster, pero presentan unha mellor resistencia ás altas temperaturas e son menos propensos á hidrólise. Por exemplo, aumentar a "consistencia" da tinta mediante o uso de polietilenglicol monometil éter mellora as súas características de tolerancia. Non obstante, este é só un punto de referencia. Varios institutos de investigación adoptan diferentes métodos para mellorar aspectos específicos da WPU.

Por exemplo, en 2010, seleccionáronse resinas epoxi con alta tenacidade e resistencia ao impacto para resolver problemas de viscosidade e adhesión da tinta, mellorando así a resistencia da tinta. En 2006, un estudo publicado pola Universidade Química de Pequín utilizou poliuretano a base de etilenglicol para formar unha resina especial cun segmento longo e brando, mellorando a flexibilidade da tinta e reforzando indirectamente a tinta a base de auga. Algúns equipos conseguen resultados de modificación engadindo substancias químicas: incorporando sílice ou organosilicio para mellorar o WPU, o que resulta en unha maior resistencia á tracción da tinta. O poliuretano de nitrilo butadieno terminado en carboxilo úsase para mellorar o rendemento de flexión da tinta e a viscosidade, adaptándose a ambientes máis complexos.

Así, os investigadores adoitan seleccionar poliésteres específicos en función das propiedades da tinta, utilizando poliácidos e poliois axeitados para sintetizar poliois de poliéster resistentes á calor, introducindo grupos polares con forte adhesión, seleccionando materias primas adecuadas para mellorar a cristalinidade do poliuretano e empregando axentes de acoplamento para mellorar o adhesivo WPU. resistencia á humidade e á calor.

3. Modificación da resistencia á auga

Dado que a tinta utilízase principalmente para envases exteriores e a miúdo entra en contacto coa auga, a mala resistencia á auga pode provocar unha diminución da dureza, do brillo e incluso da pel ou danos da tinta, o que afecta significativamente o rendemento do almacenamento. A mellora da resistencia á auga da WPU mellora o rendemento do almacenamento da tinta mediante o uso de poliois cunha boa resistencia á auga como materiais. Por exemplo, modificar o WPU con monómeros acrílicos ou axustar o contido de resina epoxi pode mellorar a resistencia á auga da tinta.

Ademais de utilizar polímeros de alta resistencia á auga para substituír o poliuretano estándar, os investigadores adoitan engadir substancias orgánicas ou inorgánicas para conseguir o efecto desexado. Por exemplo, incorporar sílice a nanoescala á resina mellora a resistencia á auga e a forza, un método moi utilizado na produción de tinta. O "método de copolimerización en emulsión" crea PUA composto para mellorar a resistencia á auga, mentres que métodos como a modificación do polietilenglicol monometil éter e a síntese de acetona de WPU modificado con organosilicio melloran a resistencia á auga.

4. Modificación de resistencia a altas temperaturas

Xeralmente, a resistencia á alta temperatura de WPU é relativamente débil, o que limita a resistencia á calor da tinta a base de auga. Os poliuretanos de poliéter normalmente teñen unha mellor resistencia ás altas temperaturas que os poliuretanos de poliéster debido ao número de dobres enlaces. A adición de polímeros de cadea longa ou ésteres/éteres de benceno como monómeros de polimerización mellora a resistencia do polímero ás altas temperaturas e, en consecuencia, a resistencia á calor da tinta a base de auga. Ademais de usar poliuretanos de poliéter de cadea longa, algúns equipos usan materiais compostos para aumentar a complexidade e mellorar a resistencia ás altas temperaturas. Por exemplo, engadir antimonio de óxido de estaño nano á WPU sintetizada a partir de DMPA, poliéter 220 e IPDI permite que as capas de tinta absorban a calor, mellorando a resistencia ás altas temperaturas. Engadir aeroxel de sílice ao poliuretano tamén reduce a condutividade térmica e mellora a resistencia á calor da tinta.

5. Modificación da estabilidade

A estabilidade da WPU afecta significativamente o rendemento do almacenamento de tinta a base de auga. Ademais da resistencia á auga e ás altas temperaturas, o peso molecular e a disposición da estrutura son cruciais. As resinas de poliéster son xeralmente máis estables que as resinas de poliéter debido a máis enlaces de hidróxeno na estrutura molecular. A adición de substancias de éster para formar poliuretanos mesturados aumenta a estabilidade, como o uso de isocianato e dispersión de silano para crear un WPU de dobre compoñente cunha estabilidade e resistencia á abrasión melloradas. O tratamento térmico e o arrefriamento tamén poden crear máis enlaces de hidróxeno, reforzando a disposición molecular e mellorando a estabilidade da WPU e o rendemento de almacenamento de tinta a base de auga.

6. Mellora da adherencia

Aínda que a optimización de WPU mellora a resistencia á auga, a resistencia ás altas temperaturas e a estabilidade, as WPU seguen mostrando unha escasa adhesión aos produtos plásticos de polietileno (PE) debido ao peso molecular e á polaridade. Normalmente, engádense polímeros ou monómeros de polaridade e peso molecular similares para mellorar a WPU e mellorar a adhesión da tinta a base de auga a materiais non polares. Por exemplo, a copolimerización de WPU cunha resina de cloruro de polivinilo e hidroxietilo acrilato mellora a adhesión impermeable entre as tintas e os revestimentos. Engadir resina de poliéster acrílico ao WPU crea unha estrutura de enlace molecular única, mellorando significativamente a adhesión de WPU. Non obstante, estes métodos poden afectar as propiedades orixinais da tinta como o brillo. Por iso, as técnicas industriais tratan os materiais sen alterar as propiedades para mellorar a adhesión da tinta, como a activación de superficies con electrodos ou o tratamento de chama a curto prazo para aumentar a adsorción.

• Conclusión

Actualmente, as tintas a base de auga úsanse amplamente en envases de alimentos, envases farmacéuticos, talleres, libros e outros revestimentos ou aplicacións de impresión. Non obstante, as súas limitacións de rendemento inherentes restrinxen aplicacións máis amplas. A medida que a conciencia ambiental e de seguridade crece coa mellora dos estándares de vida, as tintas ecolóxicas a base de auga que reducen as emisións de COV están a substituír cada vez máis as tintas a base de disolventes, o que desafía os mercados tradicionais de tinta a base de disolventes.

Neste contexto, mellorar o rendemento da tinta modificando as resinas a base de auga, especialmente os poliuretanos a base de auga, a través de métodos innovadores como a nanotecnoloxía e a hibridación de compostos orgánicos e inorgánicos é fundamental para o futuro desenvolvemento da tinta a base de auga. Polo tanto, é necesaria unha investigación exhaustiva sobre as modificacións de resina para mellorar o rendemento da tinta a base de auga para aplicacións máis amplas.