Esplorazione dello sviluppo di inchiostri a base acqua e studio di inchiostri poliuretanici ecologici a base acqua

L’inquinamento atmosferico è stato a lungo una delle principali preoccupazioni, con le emissioni di gas tossici come i COV che contribuiscono in modo significativo insieme a fenomeni naturali come le tempeste di polvere. Con la crescente consapevolezza della tutela ambientale e l’implementazione di varie politiche nazionali, l’industria della stampa, uno dei principali emettitori di COV, si è trovata ad affrontare inevitabili riforme. Di conseguenza, gli inchiostri da stampa ecologici sono diventati un punto focale nella ricerca globale sul settore della stampa. Tra gli inchiostri ecologici disponibili, inclusi inchiostri a base d'acqua, inchiostri a polimerizzazione energetica e inchiostri a base di olio vegetale, gli inchiostri a base d'acqua sono i più utilizzati. Gli inchiostri a base acqua contengono una percentuale inferiore di solventi organici, riducendo le emissioni di COV e allineandosi ai principi di protezione ambientale. Tuttavia, gli inchiostri a base acqua presentano anche degli inconvenienti come tempi di asciugatura e polimerizzazione lenti e scarsa resistenza all’acqua e agli alcali, che ne limitano l’applicazione negli inchiostri industriali tradizionali. Pertanto, il miglioramento di questi punti deboli attraverso la modifica della resina è diventato un obiettivo significativo. Questo articolo delinea lo sviluppo e l'applicazione degli inchiostri a base acqua, lo studio delle modifiche della resina, i progressi nella ricerca sugli inchiostri da stampa che utilizzano poliuretani a base acqua e le prospettive future in questo campo.

• Sperimentale

1. Sviluppo di inchiostri a base acqua

Gli inchiostri hanno una lunga storia, emersa insieme all'invenzione della stampa. Dopo l’introduzione del Lithol Red Pigment nel 1900, gli inchiostri si diffusero, spingendo i paesi a investire nella ricerca sugli inchiostri. Gli inchiostri a base acqua sono un derivato derivante da maggiori esigenze di praticità dell'inchiostro. La ricerca sugli inchiostri a base acqua iniziò all’estero negli anni ’60, principalmente per accelerare i ritmi di stampa e ridurre la dipendenza dalle materie prime a base di petrolio. Questi inchiostri utilizzavano composti organici come benzeni e gomma lacca o ligninsolfonato di sodio come materiali principali per soddisfare le esigenze di stampa dell'epoca. Negli anni '70, i ricercatori hanno sviluppato una resina in emulsione polimerica con un nucleo-guscio e una struttura a rete polimerizzando monomeri acrilici con stirene, mantenendo la lucentezza e la resistenza all'acqua degli inchiostri e rispettando i requisiti ambientali. Tuttavia, con l’aumento della consapevolezza ambientale e l’adozione di leggi ambientali più severe, la percentuale di sostanze organiche a base di benzene negli inchiostri è diminuita. Negli anni '80, i paesi dell'Europa occidentale hanno introdotto i concetti e le tecnologie della "stampa con inchiostro verde" e della "nuova stampa con inchiostro a base acqua".

L'industria cinese degli inchiostri iniziò alla fine della dinastia Qing con la produzione di valuta, facendo largo uso di inchiostri importati fino al 1975, quando la Tianjin Ink Factory e la Gangu Ink Factory svilupparono e produssero il primo inchiostro rotocalco a base d'acqua nazionale. Entro gli anni '90, la Cina aveva importato oltre 100 linee di produzione per la stampa flessografica, promuovendo rapidamente l'uso di inchiostri a base d'acqua. Nel 2003, il China Industrial Technology Research Institute sviluppò con successo prodotti correlati e, all'inizio del 2004, la Shanghai Meide Company produsse un inchiostro termoindurente a bassa temperatura, completamente a base d'acqua, conforme agli standard giapponesi e tedeschi. Sebbene la ricerca cinese sugli inchiostri a base d'acqua abbia registrato un rapido sviluppo all'inizio del XXI secolo, i paesi occidentali avevano già compiuto progressi significativi: circa il 95% dei prodotti flessografici e l'80% dei prodotti rotocalco negli Stati Uniti utilizzavano inchiostri a base d'acqua, mentre Regno Unito e Giappone adottarono inchiostri a base d'acqua per il packaging alimentare e farmaceutico. In confronto, lo sviluppo della Cina è stato più lento.

Per promuovere ulteriormente il mercato, la Cina ha introdotto il primo standard per gli inchiostri a base acqua nel maggio 2007 e nel 2011 ha sostenuto lo “sviluppo dell’innovazione verde”, con l’obiettivo di sostituire gli inchiostri a base solvente con inchiostri a base acqua. Nel "13° piano quinquennale" del 2016 per l'industria della stampa, la "ricerca sui materiali ambientali a base d'acqua" e la "stampa verde" erano al centro dell'attenzione. Entro il 2020, la promozione nazionale della stampa ecologica e digitale ha ampliato il mercato degli inchiostri a base acqua.

2. Applicazione di inchiostri a base acqua

All'inizio del XX secolo, gli Stati Uniti applicarono per primi gli inchiostri a base d'acqua alla stampa flessografica. Negli anni '70, inchiostri rotocalco a base d'acqua di alta qualità erano ampiamente utilizzati per vari tipi di carta da imballaggio, scaffali spessi e cartone. Negli anni '80, inchiostri a base d'acqua per la serigrafia lucida e opaca furono sviluppati all'estero, estendendone l'applicazione a tessuti, carta, PVC, polistirolo, fogli di alluminio e metalli. Attualmente, grazie alle loro caratteristiche ecologiche, atossiche e sicure, gli inchiostri a base d'acqua sono utilizzati principalmente nella stampa di imballaggi alimentari, come le confezioni di tabacco e le bottiglie per bevande. Con il miglioramento delle normative ambientali, l'applicazione degli inchiostri a base d'acqua continua a diversificarsi e intensificarsi. Anche la Cina ne sta progressivamente promuovendo l'uso nell'industria della stampa.

• Risultati e discussione

1. Ricerca sulle modifiche della resina

Le prestazioni dell'inchiostro sono influenzate dalle differenze di resina. Generalmente, le resine per inchiostri a base acqua sono tipicamente poliuretaniche, emulsioni acriliche modificate o resine poliacriliche. Le resine poliuretaniche a base acqua (WPU), con brillantezza superiore, sono ampiamente utilizzate nella stampa di imballaggi. Pertanto, il miglioramento delle prestazioni della WPU per migliorare la compatibilità ambientale e la brillantezza degli inchiostri a base acqua è diventato un obiettivo nel settore della stampa.

2. Modifica dei poliuretani a base acqua

I poliuretani a base acqua, composti da polioli a basso peso molecolare, possono essere classificati in tipi poliestere, polietere e ibridi. In base alle diverse proprietà dei polimeri di poliestere e polietere, la loro resistenza e stabilità variano. In generale, i poliuretani polieteri hanno resistenza e stabilità inferiori rispetto ai poliuretani poliestere, ma mostrano una migliore resistenza alle alte temperature e sono meno inclini all'idrolisi. Ad esempio, aumentando la "consistenza" dell'inchiostro utilizzando l'etere monometilico di polietilenglicole si migliorano le sue caratteristiche di tolleranza. Questo però è solo un punto di riferimento. Vari istituti di ricerca adottano metodi diversi per migliorare aspetti specifici del WPU.

Ad esempio, nel 2010, sono state selezionate resine epossidiche con elevata tenacità e resistenza agli urti per risolvere i problemi di viscosità e adesione dell’inchiostro, migliorando così la resistenza dell’inchiostro. Nel 2006, uno studio pubblicato dalla Beijing Chemical University ha utilizzato il poliuretano a base di glicole etilenico per formare una resina speciale con un lungo segmento morbido, migliorando la flessibilità dell'inchiostro e rafforzando indirettamente l'inchiostro a base d'acqua. Alcuni team ottengono risultati di modifica aggiungendo sostanze chimiche: incorporando silice o organosilicio per migliorare il WPU, con conseguente maggiore resistenza alla trazione dell'inchiostro. Il poliuretano nitrile butadiene carbossi-terminato viene utilizzato per migliorare le prestazioni di piegatura e la viscosità dell'inchiostro, adattandosi ad ambienti più complessi.

Pertanto, i ricercatori in genere selezionano poliesteri specifici in base alle proprietà dell'inchiostro, utilizzando poliacidi e polioli appropriati per sintetizzare polioli di poliestere resistenti al calore, introducendo gruppi polari con forte adesione, selezionando materie prime adatte per migliorare la cristallinità del poliuretano e utilizzando agenti di accoppiamento per migliorare l'adesivo WPU. resistenza all'umidità e al calore.

3. Modifica della resistenza all'acqua

Poiché l'inchiostro viene utilizzato principalmente per l'imballaggio esterno e viene spesso a contatto con l'acqua, una scarsa resistenza all'acqua può portare a una riduzione della durezza, della lucentezza e persino al distacco o al danneggiamento dell'inchiostro, influenzando significativamente le prestazioni di conservazione. Il miglioramento della resistenza all'acqua del WPU migliora le prestazioni di conservazione dell'inchiostro utilizzando polioli con buona resistenza all'acqua come materiali. Ad esempio, la modifica del WPU con monomeri acrilici o la regolazione del contenuto di resina epossidica può migliorare la resistenza all'acqua dell'inchiostro.

Oltre a utilizzare polimeri ad alta resistenza all'acqua per sostituire il poliuretano standard, i ricercatori spesso aggiungono sostanze organiche o inorganiche per ottenere l'effetto desiderato. Ad esempio, incorporando la silice su scala nanometrica nella resina si migliora la resistenza all’acqua e la resistenza, un metodo ampiamente utilizzato nella produzione di inchiostri. Il "metodo di copolimerizzazione dell'emulsione" crea PUA compositi per migliorare la resistenza all'acqua, mentre metodi come la modificazione dell'etere monometilico del glicole polietilenico e la sintesi dell'acetone del WPU modificato con organosilicio migliorano la resistenza all'acqua.

4. Modifica della resistenza alle alte temperature

In generale, la resistenza alle alte temperature della WPU è relativamente debole, limitando la resistenza al calore dell'inchiostro a base d'acqua. I poliuretani polietere hanno tipicamente una migliore resistenza alle alte temperature rispetto ai poliuretani poliestere a causa del numero di doppi legami. L'aggiunta di polimeri a catena lunga o esteri/eteri dell'anello benzenico come monomeri di polimerizzazione migliora la resistenza del polimero alle alte temperature e, di conseguenza, la resistenza al calore dell'inchiostro a base acqua. Oltre a utilizzare poliuretani polieteri a catena lunga, alcuni team utilizzano materiali compositi per aumentare la complessità e migliorare la resistenza alle alte temperature. Ad esempio, l’aggiunta di antimonio di ossido di stagno nano alla WPU sintetizzata da DMPA, polietere 220 e IPDI consente agli strati di inchiostro di assorbire il calore, migliorando la resistenza alle alte temperature. L'aggiunta di aerogel di silice al poliuretano riduce anche la conduttività termica e migliora la resistenza al calore dell'inchiostro.

5. Modifica della stabilità

La stabilità della WPU influisce in modo significativo sulle prestazioni di conservazione dell'inchiostro a base acqua. Oltre alla resistenza all'acqua e alle alte temperature, sono cruciali il peso molecolare e la disposizione della struttura. Le resine poliestere sono generalmente più stabili delle resine polietere a causa di più legami idrogeno nella struttura molecolare. L'aggiunta di sostanze esterici per formare poliuretani misti aumenta la stabilità, ad esempio utilizzando la dispersione di isocianato e silano per creare una WPU bicomponente con stabilità e resistenza all'abrasione migliorate. Il trattamento termico e il raffreddamento possono anche creare più legami idrogeno, rafforzando la disposizione molecolare e migliorando la stabilità della WPU e le prestazioni di stoccaggio dell’inchiostro a base d’acqua.

6. Miglioramento dell'adesione

Sebbene l'ottimizzazione delle WPU migliori la resistenza all'acqua, la resistenza alle alte temperature e la stabilità, le WPU mostrano ancora una scarsa adesione ai prodotti plastici in polietilene (PE) a causa del peso molecolare e della polarità. In genere, vengono aggiunti polimeri o monomeri con polarità e peso molecolare simili per migliorare la WPU e potenziare l'adesione dell'inchiostro a base acqua a materiali non polari. Ad esempio, la copolimerizzazione del WPU con una resina di polivinilcloruro-idrossietil acrilato migliora l’adesione impermeabile tra inchiostri e rivestimenti. L'aggiunta di resina poliestere acrilica al WPU crea una struttura di collegamento molecolare unica, migliorando significativamente l'adesione del WPU. Tuttavia, questi metodi possono influenzare le proprietà dell'inchiostro originale come la brillantezza. Pertanto, le tecniche industriali trattano i materiali senza alterarne le proprietà per migliorare l'adesione dell'inchiostro, come l'attivazione delle superfici con elettrodi o il trattamento alla fiamma a breve termine per aumentare l'adsorbimento.

• Conclusione

Attualmente, gli inchiostri a base acqua sono ampiamente utilizzati negli imballaggi alimentari, negli imballaggi farmaceutici, nelle officine, nei libri e in altri rivestimenti o applicazioni di stampa. Tuttavia, i limiti intrinseci delle prestazioni limitano applicazioni più ampie. Poiché la consapevolezza ambientale e della sicurezza cresce con il miglioramento degli standard di vita, gli inchiostri ecologici a base acqua che riducono le emissioni di COV stanno sempre più sostituendo gli inchiostri a base solvente, sfidando i tradizionali mercati degli inchiostri a base solvente.

In questo contesto, il miglioramento delle prestazioni degli inchiostri mediante la modifica delle resine a base d'acqua, in particolare dei poliuretani a base d'acqua, attraverso metodi innovativi come la nanotecnologia e l'ibridazione di composti organici e inorganici, è fondamentale per il futuro sviluppo degli inchiostri a base d'acqua. Pertanto, sono necessarie ulteriori ricerche approfondite sulle modifiche delle resine per migliorare le prestazioni degli inchiostri a base d'acqua per applicazioni più ampie.