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水性インクの開発と環境に優しい水性ポリウレタンインクの研究
大気汚染は長い間大きな懸念事項であり、VOC などの有毒ガスの排出が砂嵐などの自然現象と並んで大きな原因となっています。 環境保護への意識が高まり、さまざまな国の政策が実施される中、主要なVOC排出量である印刷業界は避けられない変革に直面しています。 その結果、環境に優しい印刷インクが世界の印刷産業研究の焦点となっています。 環境に優しいインクとしては、水性インク、エネルギー硬化型インク、植物油系インクなどがありますが、水性インクが最も広く使用されています。 水性インクに含まれる有機溶剤の割合が低いため、VOC の排出が削減され、環境保護原則に適合します。 しかし、水性インクには乾燥や硬化に時間がかかること、耐水性や耐アルカリ性が低いなどの欠点もあり、従来の工業用インクへの用途が制限されています。 したがって、樹脂の改質によってこれらの弱点を改善することが重要な焦点となっています。 本稿では，水性インキの開発と応用，樹脂改質の研究，水性ポリウレタンを用いた印刷インキ研究の進展とこの分野の将来展望について概説した。
- 実験的
- 水性インクの開発
インクの歴史は古く、印刷の発明とともに登場しました。 1900 年にリソールレッド顔料が導入されてからインクは普及し、各国がインクの研究に投資するようになりました。 水性インクは、インクの実用性に対する高い要求から派生したものです。 水性インクの研究は、主に印刷速度の高速化と石油ベースの原材料への依存の軽減を目的として、1960 年代に海外で始まりました。 これらのインクは、当時の印刷ニーズを満たすために、ベンゼンやセラック、リグノスルホン酸ナトリウムなどの有機化合物を主原料として使用していました。 1970年代、研究者らはアクリルモノマーとスチレンを重合させてコアシェル構造とネットワーク構造を持ち、環境要件を満たしながらインクの光沢と耐水性を維持するポリマーエマルション樹脂を開発した。 しかし、環境意識が高まり、より厳格な環境法が制定されるにつれて、インク中のベンゼンベースの有機物の割合は減少しました。 1980年代までに、西ヨーロッパ諸国は「グリーンインク印刷」と「新しい水性インク印刷」の概念と技術を導入しました。
中国のインク産業は清朝末期に貨幣の生産から始まり、1975年に天津インク工場と甘谷インク工場が国産初の水性グラビアインクを開発・生産するまで、輸入インクに大きく依存していました。1990年代までに、中国は100台以上のフレキソ印刷生産ラインを輸入し、水性インクの利用が急速に進みました。2003年には中国工業技術研究院が関連製品の開発に成功し、2004年初頭には上海美徳社が日本とドイツの基準を満たす完全水性の低温熱硬化性インクを生産しました。21世紀初頭には中国の水性インクの研究が急速に進展しましたが、欧米諸国ではすでに大きな進歩を遂げていました。米国ではフレキソ製品の約95%、グラビア製品の80%が水性インクを使用しており、英国と日本は食品や医薬品の包装に水性インクを採用していました。比較すると、中国の発展は遅かったのです。
市場をさらに促進するために、中国は 2007 年 5 月に初の水性インク規格を導入し、2011 年には溶剤系インクを水性インクに置き換えることを目的とした「グリーン イノベーション開発」を提唱しました。 2016年の印刷業界の「第13次5カ年計画」では、「水系環境材料の研究」と「グリーンプリンティング」が重点課題となった。 2020 年までに、グリーン印刷とデジタル印刷の国家的な推進により、水性インク市場が拡大しました。
- 水性インクの応用
20世紀初頭、米国はフレキソ印刷に初めて水性インクを採用しました。1970年代には、高品質の水性グラビアインクが、様々な包装紙、厚手の書棚、段ボールなどに広く使用されるようになりました。1980年代には、海外で光沢およびマットスクリーン印刷用の水性インクが開発され、布地、紙、PVC、ポリスチレン、アルミ箔、金属などへの用途が拡大しました。現在では、環境に優しく、無毒で安全な特性を持つ水性インクは、タバコのパッケージや飲料ボトルなどの食品パッケージ印刷に主に使用されています。環境法の改正に伴い、水性インクの用途は多様化と高度化を続けています。中国でも印刷業界における水性インクの使用が徐々に推進されています。
- 結果と考察
- 樹脂改質に関する研究
インクの性能は樹脂の違いに影響されます。 一般に、水性インク樹脂は、典型的には、ポリウレタン、変性アクリルエマルション、またはポリアクリル樹脂である。 水性ポリウレタン（WPU）樹脂は光沢に優れ、パッケージ印刷に広く使用されています。 したがって、印刷業界では、水性インクの環境への優しさと光沢を向上させるために WPU の性能を強化することが焦点となっています。
- 水系ポリウレタンの改質
低分子量ポリオールから構成される水性ポリウレタンは、ポリエステル、ポリエーテル、ハイブリッドタイプに分類できます。 ポリエステルとポリエーテルポリマーの異なる特性に基づいて、それらの強度と安定性は異なります。 一般に、ポリエーテルポリウレタンはポリエステルポリウレタンよりも強度と安定性が低くなりますが、優れた耐高温性を示し、加水分解しにくいです。 たとえば、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルを使用してインクの「一貫性」を高めると、耐性特性が向上します。 ただし、これはあくまで参考点です。 さまざまな研究機関が、WPU の特定の側面を強化するためにさまざまな方法を採用しています。
たとえば、2010 年には、インクの粘度や接着の問題に対処するために、高い靭性と衝撃強度を備えたエポキシ樹脂が選択され、それによってインクの強度が向上しました。 2006年に北京化成大学が発表した研究では、エチレングリコールベースのポリウレタンを使用して長いソフトセグメントを持つ特殊な樹脂を形成し、インクの柔軟性を向上させ、水性インクを間接的に強化した。 一部のチームは、化学物質を追加することで修正結果を達成しています。つまり、WPU を向上させるためにシリカまたは有機シリコンを組み込むことで、インクの引張強度が向上します。 カルボキシル末端ブタジエンニトリル ポリウレタンは、インクの曲げ性能と粘度を向上させ、より複雑な環境に適応するために使用されます。
したがって、研究者は通常、インク特性に基づいて特定のポリエステルを選択し、適切なポリ酸とポリオールを利用して耐熱性ポリエステルポリオールを合成し、強力な接着力を持つ極性基を導入し、適切な原料を選択してポリウレタンの結晶性を向上させ、カップリング剤を使用して WPU 接着剤の特性を強化します。耐湿性と耐熱性。
- 耐水性の改良
インキは主に外装に使用され水と触れる機会が多いため、耐水性が低いと硬度や光沢が低下し、場合によってはインキ剥がれや傷がつき、保存性に大きく影響します。 WPUの耐水性を向上させるため、素材に耐水性に優れたポリオールを使用することでインク保存性を高めています。 たとえば、アクリルモノマーで WPU を改質したり、エポキシ樹脂の含有量を調整したりすると、インクの耐水性を向上させることができます。
研究者は、標準的なポリウレタンの代わりに高耐水性ポリマーを使用する以外に、望ましい効果を達成するために有機または無機物質を添加することがよくあります。 たとえば、ナノスケールのシリカを樹脂に組み込むと耐水性と強度が向上し、インク製造で広く使用される方法です。 「乳化共重合法」により複合PUAを生成して耐水性を向上させ、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル変性や有機シリコン変性WPUのアセトン合成などにより耐水性を向上させています。
- 高温耐性の改善
一般に、WPU の高温耐性は比較的弱いため、水性インクの耐熱性は制限されます。 ポリエーテルポリウレタンは、二重結合の数により、通常、ポリエステルポリウレタンよりも優れた高温耐性を備えています。 長鎖ポリマーやベンゼン環エステル/エーテルを重合モノマーとして添加すると、ポリマーの高温耐性が向上し、その結果、水性インクの耐熱性が向上します。 長鎖ポリエーテルポリウレタンの使用に加えて、一部のチームは複雑さを増し、高温耐性を高めるために複合材料を使用しています。 たとえば、DMPA、ポリエーテル 220、IPDI から合成された WPU にナノ酸化スズ アンチモンを添加すると、インク層が熱を吸収できるようになり、高温耐性が向上します。 また、ポリウレタンにシリカエアロゲルを添加することで熱伝導率が低下し、インクの耐熱性が向上します。
- 安定性の変更
WPU の安定性は、水性インクの保存パフォーマンスに大きく影響します。 耐水性と高温耐性に加えて、分子量と構造配置も重要です。 ポリエステル樹脂は、分子構造中に水素結合が多いため、一般にポリエーテル樹脂よりも安定しています。 エステル物質を添加して混合ポリウレタンを形成すると、安定性が向上します。たとえば、イソシアネートとシラン分散液を使用して、安定性と耐摩耗性が向上した二成分 WPU を作成します。 熱処理と冷却により、より多くの水素結合が生成され、分子の配置が強化され、WPU の安定性と水性インクの保存性能が向上します。
- 密着性向上
WPU を最適化すると、耐水性、高温耐性、安定性が向上しますが、分子量と極性により、WPU は依然としてポリエチレン (PE) プラスチック製品への接着力が不十分です。 通常、WPU を改善し、非極性材料への水性インクの接着を強化するために、同様の極性および分子量のポリマーまたはモノマーが追加されます。 たとえば、WPU をポリ塩化ビニル-ヒドロキシエチルアクリレート樹脂と共重合させると、インクとコーティング間の防水密着性が向上します。 WPUにアクリルポリエステル樹脂を添加することにより、独自の分子結合構造を形成し、WPUの密着性を大幅に向上させます。 ただし、これらの方法は、光沢などの元のインクの特性に影響を与える可能性があります。 したがって、工業的技術では、特性を変えることなく材料を処理して、電極で表面を活性化したり、吸着を高めるための短期間の火炎処理など、インクの付着性を向上させています。
- 結論
現在、水性インクは、食品包装、医薬品包装、ワークショップ、書籍、その他のコーティングや印刷用途で広く使用されています。 ただし、それらの固有のパフォーマンス制限により、より広範なアプリケーションが制限されます。 生活水準の向上に伴い環境と安全への意識が高まるにつれ、VOC排出量を削減する環境に優しい水性インクが溶剤系インクに取って代わりつつあり、従来の溶剤系インク市場に挑戦しています。
このような背景から、ナノテクノロジーや有機・無機化合物のハイブリッド化といった革新的な手法を用いて水性樹脂、特に水性ポリウレタンを改質し、インクの性能を向上させることは、将来の水性インク開発において極めて重要です。したがって、より幅広い用途において水性インクの性能を向上させるためには、樹脂改質に関する更なる包括的な研究が必要です。