Onderzoek naar de ontwikkeling van inkten op waterbasis en de studie van milieuvriendelijke polyurethaaninkten op waterbasis

Luchtvervuiling is lange tijd een groot probleem geweest, waarbij de uitstoot van giftige gassen, zoals VOS, een belangrijke bijdrage leverde, naast natuurlijke fenomenen zoals stofstormen. Naarmate het bewustzijn over milieubescherming groeit en verschillende nationale beleidsmaatregelen worden geïmplementeerd, heeft de grafische industrie, een belangrijke uitstoter van de VOC, te maken gekregen met onvermijdelijke hervormingen. Als gevolg hiervan zijn milieuvriendelijke drukinkten een centraal punt geworden in het wereldwijde onderzoek in de grafische industrie. Van de beschikbare milieuvriendelijke inkten, waaronder inkten op waterbasis, door energie uithardende inkten en inkten op plantaardige oliebasis, worden inkten op waterbasis het meest gebruikt. Inkten op waterbasis bevatten een lager aandeel organische oplosmiddelen, waardoor de VOS-uitstoot wordt verminderd en wordt voldaan aan de principes van milieubescherming. Inkten op waterbasis hebben echter ook nadelen, zoals langzame droog- en uithardingstijden en een slechte water- en alkalibestendigheid, waardoor de toepassing ervan in traditionele industriële inkten wordt beperkt. Het verbeteren van deze zwakke punten door middel van harsmodificatie is dus een belangrijk aandachtspunt geworden. Dit artikel schetst de ontwikkeling en toepassing van inkten op waterbasis, de studie van harsmodificaties, de voortgang in het onderzoek naar drukinkten waarbij polyurethaan op waterbasis wordt gebruikt, en de toekomstperspectieven op dit gebied.

• Experimenteel

1. Ontwikkeling van inkten op waterbasis

Inkten hebben een lange geschiedenis en zijn ontstaan ​​naast de uitvinding van de boekdrukkunst. Na de introductie van Lithol Red Pigment in 1900 raakten inkten wijdverspreid, wat landen ertoe aanzette te investeren in inktonderzoek. Inkten op waterbasis zijn een derivaat dat voortkomt uit hogere eisen aan de bruikbaarheid van inkt. Het onderzoek naar inkten op waterbasis begon in de jaren zestig in het buitenland, voornamelijk om de druksnelheid te verhogen en de afhankelijkheid van op aardolie gebaseerde grondstoffen te verminderen. Deze inkten gebruikten organische verbindingen zoals benzenen en schellak of natriumlignosulfonaat als belangrijkste materialen om aan de printbehoeften van die tijd te voldoen. In de jaren zeventig ontwikkelden onderzoekers een polymeeremulsiehars met een kern-omhulsel en netwerkstructuur door acrylmonomeren te polymeriseren met styreen, waarbij de glans en waterbestendigheid van de inkt behouden bleven en tegelijkertijd aan de milieueisen werd voldaan. Naarmate het milieubewustzijn echter toenam en er strengere milieuwetten werden ingevoerd, nam het aandeel organische stoffen op benzeenbasis in inkten af. In de jaren tachtig introduceerden West-Europese landen de concepten en technologieën van "printen met groene inkt" en "nieuwe printen met watergebaseerde inkt".

De Chinese inktindustrie begon aan het einde van de Qing-dynastie met de productie van geld en was sterk afhankelijk van geïmporteerde inkten tot 1975, toen de Tianjin Ink Factory en de Gangu Ink Factory de eerste binnenlandse diepdrukinkt op waterbasis ontwikkelden en produceerden. In de jaren negentig had China meer dan 100 flexodrukproductielijnen geïmporteerd, waardoor het gebruik van watergedragen inkten snel toenam. In 2003 ontwikkelde het China Industrial Technology Research Institute met succes gerelateerde producten en begin 2004 produceerde Shanghai Meide Company een volledig watergedragen, thermohardende inkt op lage temperatuur die voldeed aan de Japanse en Duitse normen. Hoewel China's onderzoek naar watergedragen inkten zich begin 21e eeuw snel ontwikkelde, hadden westerse landen al aanzienlijke vooruitgang geboekt: ongeveer 95% van de flexoproducten en 80% van de diepdrukproducten in de Verenigde Staten gebruikte inkten op waterbasis, terwijl het Verenigd Koninkrijk en Japan inkten op waterbasis gingen gebruiken voor voedsel- en farmaceutische verpakkingen. Ter vergelijking: China's ontwikkeling verliep trager.

Om de markt verder te promoten introduceerde China in mei 2007 de eerste standaard voor inkt op waterbasis en pleitte het in 2011 voor "groene innovatie-ontwikkeling", met als doel inkt op oplosmiddelbasis te vervangen door inkt op waterbasis. In het "13e Vijfjarenplan" voor de grafische industrie van 2016 waren "onderzoek naar milieumaterialen op waterbasis" en "groen printen" belangrijke aandachtspunten. Tegen 2020 breidde de nationale promotie van groen en digitaal printen de markt voor inkt op waterbasis uit.

2. Toepassing van inkten op waterbasis

Begin 20e eeuw werden in de Verenigde Staten voor het eerst inkten op waterbasis gebruikt voor flexodruk. In de jaren 70 werden hoogwaardige diepdrukinkten op waterbasis op grote schaal gebruikt voor diverse soorten verpakkingspapier, dikke boekenplanken en karton. In de jaren 80 werden in het buitenland glanzende en matte zeefdrukinkten op waterbasis ontwikkeld, waardoor hun toepassing werd uitgebreid naar stoffen, papier, pvc, polystyreen, aluminiumfolie en metalen. Vanwege hun milieuvriendelijke, niet-giftige en veilige eigenschappen worden inkten op waterbasis momenteel voornamelijk gebruikt voor het bedrukken van voedselverpakkingen, zoals tabaksverpakkingen en drankflessen. Naarmate de milieuwetgeving verbetert, blijft de toepassing van inkten op waterbasis diversifiëren en intensiveren. China bevordert ook het gebruik ervan in de drukindustrie steeds meer.

• Resultaten en discussie

1. Onderzoek naar harsmodificaties

De inktprestaties worden beïnvloed door harsverschillen. Over het algemeen zijn inktharsen op waterbasis doorgaans polyurethaan, gemodificeerde acrylemulsies of polyacrylharsen. Polyurethaanharsen op waterbasis (WPU), met superieure glans, worden veel gebruikt bij het bedrukken van verpakkingen. Het verbeteren van de WPU-prestaties om de milieuvriendelijkheid en glans van inkt op waterbasis te verbeteren is dus een focus geworden in de grafische industrie.

2. Modificatie van polyurethanen op waterbasis

Polyurethaan op waterbasis, samengesteld uit polyolen met een laag molecuulgewicht, kunnen worden ingedeeld in polyester-, polyether- en hybride typen. Gebaseerd op de verschillende eigenschappen van polyester- en polyetherpolymeren, variëren hun sterkte en stabiliteit. In het algemeen hebben polyether-polyurethanen een lagere sterkte en stabiliteit dan polyester-polyurethaan, maar vertonen een betere weerstand tegen hoge temperaturen en zijn minder gevoelig voor hydrolyse. Het verhogen van de "consistentie" van de inkt door het gebruik van polyethyleenglycolmonomethylether verbetert bijvoorbeeld de tolerantie-eigenschappen ervan. Dit is echter slechts een referentiepunt. Verschillende onderzoeksinstituten hanteren verschillende methoden om specifieke aspecten van WPU te verbeteren.

In 2010 werden bijvoorbeeld epoxyharsen met een hoge taaiheid en slagsterkte geselecteerd om problemen met de inktviscositeit en -adhesie aan te pakken, waardoor de inktsterkte werd verbeterd. In 2006 werd in een door de Beijing Chemical University gepubliceerde studie polyurethaan op ethyleenglycolbasis gebruikt om een ​​speciale hars te vormen met een lang zacht segment, waardoor de inktflexibiliteit werd verbeterd en indirect de inkt op waterbasis werd versterkt. Sommige teams bereiken modificatieresultaten door chemische stoffen toe te voegen: het opnemen van silica of organosilicium om de WPU te verbeteren, wat resulteert in een verbeterde treksterkte van de inkt. Butadieennitril-polyurethaan met carboxyterminatie wordt gebruikt om de inktbuigprestaties en viscositeit te verbeteren en zich aan te passen aan complexere omgevingen.

Onderzoekers selecteren dus doorgaans specifieke polyesters op basis van de inkteigenschappen, waarbij ze geschikte polyzuren en polyolen gebruiken om hittebestendige polyesterpolyolen te synthetiseren, polaire groepen met sterke hechting introduceren, geschikte grondstoffen selecteren om de kristalliniteit van polyurethaan te verbeteren en koppelingsmiddelen gebruiken om de eigenschappen van WPU-lijm te verbeteren. vocht- en hittebestendigheid.

3. Wijziging van de waterbestendigheid

Omdat inkt voornamelijk wordt gebruikt voor buitenverpakkingen en vaak in contact komt met water, kan een slechte waterbestendigheid leiden tot verminderde hardheid, glans en zelfs het loslaten of beschadigen van de inkt, waardoor de opslagprestaties aanzienlijk worden beïnvloed. Het verbeteren van de WPU-waterbestendigheid verbetert de inktopslagprestaties door polyolen met goede waterbestendigheid als materialen te gebruiken. Het modificeren van WPU met acrylmonomeren of het aanpassen van het epoxyharsgehalte kan bijvoorbeeld de waterbestendigheid van de inkt verbeteren.

Naast het gebruik van polymeren met hoge waterbestendigheid ter vervanging van standaard polyurethaan, voegen onderzoekers vaak organische of anorganische stoffen toe om het gewenste effect te bereiken. Het opnemen van silica op nanoschaal in hars verbetert bijvoorbeeld de waterbestendigheid en sterkte, een veelgebruikte methode bij de inktproductie. De "emulsiecopolymerisatiemethode" creëert samengesteld PUA om de waterbestendigheid te verbeteren, terwijl methoden zoals polyethyleenglycolmonomethylethermodificatie en acetonsynthese van organosilicium-gemodificeerd WPU de waterbestendigheid verbeteren.

4. Modificatie van de weerstand tegen hoge temperaturen

Over het algemeen is de hoge temperatuurbestendigheid van WPU relatief zwak, waardoor de hittebestendigheid van inkt op waterbasis wordt beperkt. Polyether-polyurethaan heeft doorgaans een betere weerstand tegen hoge temperaturen dan polyester-polyurethaan vanwege het aantal dubbele bindingen. Het toevoegen van polymeren met lange keten of benzeenringesters/ethers als polymerisatiemonomeren verbetert de weerstand tegen hoge temperaturen van het polymeer en dientengevolge de hittebestendigheid van inkt op waterbasis. Naast het gebruik van polyetherpolyurethaan met lange keten, gebruiken sommige teams composietmaterialen om de complexiteit te vergroten en de weerstand tegen hoge temperaturen te verbeteren. Door bijvoorbeeld nano-tinoxide-antimoon toe te voegen aan WPU, gesynthetiseerd uit DMPA, polyether 220 en IPDI, kunnen inktlagen bijvoorbeeld warmte absorberen, waardoor de weerstand tegen hoge temperaturen wordt verbeterd. Het toevoegen van silica-aerogel aan polyurethaan vermindert ook de thermische geleidbaarheid en verbetert de hittebestendigheid van de inkt.

5. Stabiliteitsmodificatie

WPU-stabiliteit heeft een aanzienlijke invloed op de opslagprestaties van inkt op waterbasis. Naast water- en hogetemperatuurbestendigheid zijn het molecuulgewicht en de structuurindeling van cruciaal belang. Polyesterharsen zijn over het algemeen stabieler dan polyetherharsen vanwege meer waterstofbruggen in de moleculaire structuur. Het toevoegen van esterstoffen om gemengde polyurethaan te vormen verhoogt de stabiliteit, zoals het gebruik van isocyanaat- en silaandispersie om een ​​tweecomponenten WPU te creëren met verbeterde stabiliteit en slijtvastheid. Warmtebehandeling en koeling kunnen ook meer waterstofbruggen creëren, waardoor de moleculaire rangschikking wordt versterkt en de WPU-stabiliteit en de opslagprestaties van inkt op waterbasis worden verbeterd.

6. Verbetering van de hechting

Hoewel het optimaliseren van WPU de waterbestendigheid, weerstand tegen hoge temperaturen en stabiliteit verbetert, vertonen WPU's nog steeds een slechte hechting aan polyethyleen (PE) kunststofproducten vanwege het molecuulgewicht en de polariteit. Meestal worden polymeren of monomeren met vergelijkbare polariteit en molecuulgewicht toegevoegd om de WPU te verbeteren en de hechting van inkt op waterbasis aan niet-polaire materialen te verbeteren. Het copolymeriseren van WPU met een polyvinylchloride-hydroxyethylacrylaathars verbetert bijvoorbeeld de waterdichte hechting tussen inkten en coatings. Door acrylpolyesterhars aan WPU toe te voegen, ontstaat een unieke moleculaire verbindingsstructuur, waardoor de hechting van WPU aanzienlijk wordt verbeterd. Deze methoden kunnen echter de oorspronkelijke inkteigenschappen, zoals glans, beïnvloeden. Daarom behandelen industriële technieken materialen zonder de eigenschappen te veranderen om de inkthechting te verbeteren, zoals het activeren van oppervlakken met elektroden of kortdurende vlambehandeling om de adsorptie te vergroten.

• Conclusie

Momenteel worden inkten op waterbasis veel gebruikt in voedselverpakkingen, farmaceutische verpakkingen, werkplaatsen, boeken en andere coatings of druktoepassingen. Hun inherente prestatiebeperkingen beperken echter bredere toepassingen. Naarmate het milieu- en veiligheidsbewustzijn groeit naarmate de levensstandaard verbetert, vervangen milieuvriendelijke inkten op waterbasis die de VOC-uitstoot verminderen steeds vaker inkten op basis van oplosmiddelen, waardoor de traditionele markt voor inkten op oplosmiddelbasis wordt uitgedaagd.

In deze context is het verbeteren van de inktprestaties door modificatie van harsen op waterbasis, met name polyurethanen op waterbasis, door middel van innovatieve methoden zoals nanotechnologie en hybridisatie van organische en anorganische verbindingen cruciaal voor de toekomstige ontwikkeling van inkt op waterbasis. Daarom is verder uitgebreid onderzoek naar harsmodificaties nodig om de prestaties van inkt op waterbasis voor bredere toepassingen te verbeteren.