Utforska utvecklingen av vattenbaserade bläck och studien av miljövänliga vattenbaserade polyuretanbläck

Luftföroreningar har länge varit ett stort problem, med utsläpp av giftiga gaser som VOC är betydande bidragsgivare vid sidan av naturfenomen som dammstormar. I takt med att medvetenheten om miljöskydd växer och olika nationella policyer genomförs, har tryckeriindustrin, en stor utsläppare av flyktiga organiska föreningar, ställts inför oundvikliga reformer. Följaktligen har miljövänliga tryckfärger blivit en samlingspunkt i global forskning inom tryckeribranschen. Bland de tillgängliga miljövänliga bläcken, inklusive vattenbaserade bläck, energihärdbara bläck och vegetabiliska oljebaserade bläck, är vattenbaserade bläck de mest använda. Vattenbaserade bläck innehåller en lägre andel organiska lösningsmedel, vilket minskar VOC-utsläppen och överensstämmer med miljöskyddsprinciperna. Vattenbaserade bläck har dock också nackdelar som långsamma tork- och härdningstider och dålig vatten- och alkalibeständighet, vilket begränsar deras användning i traditionella industriella bläck. Således har förbättring av dessa svagheter genom hartsmodifiering blivit ett betydande fokus. Detta dokument beskriver utvecklingen och tillämpningen av vattenbaserade bläck, studiet av hartsmodifieringar, framstegen inom forskning om tryckfärger som använder vattenbaserade polyuretaner, och framtidsutsikterna inom detta område.

• Experimentell

1. Utveckling av vattenbaserade bläck

Bläck har en lång historia och växer fram tillsammans med uppfinningen av tryckning. Efter introduktionen av Lithol Red Pigment 1900 blev bläck utbredd, vilket fick länder att investera i bläckforskning. Vattenbaserade bläck är ett derivat som är ett resultat av högre krav på bläckfunktionalitet. Forskning om vattenbaserade bläck började utomlands på 1960-talet, främst för att påskynda utskriftshastigheter och minska beroendet av petroleumbaserade råvaror. Dessa bläck använde organiska föreningar som bensener och schellack eller natriumlignosulfonat som huvudmaterial för att möta tryckbehoven vid den tiden. På 1970-talet utvecklade forskare ett polymeremulsionsharts med kärnskal och nätverksstruktur genom att polymerisera akrylmonomerer med styren, bibehålla bläckets glans och vattenbeständighet samtidigt som miljökraven uppfylldes. Men när miljömedvetenheten ökade och strängare miljölagar antogs, minskade andelen bensenbaserade organiska ämnen i bläck. På 1980-talet introducerade västeuropeiska länder begreppen och teknologierna för "grönt bläcktryck" och "nytt vattenbaserat bläcktryck."

Kinas bläckindustri började i slutet av Qingdynastin med produktion av valuta, och förlitade sig starkt på importerat bläck fram till 1975, då Tianjin Ink Factory och Gangu Ink Factory utvecklade och producerade det första inhemska vattenbaserade djuptrycksbläcket. På 1990-talet hade Kina importerat över 100 produktionslinjer för flexotryck, vilket snabbt ökade användningen av vattenbaserade bläck. 2003 utvecklade China Industrial Technology Research Institute framgångsrikt relaterade produkter, och i början av 2004 producerade Shanghai Meide Company ett helt vattenbaserat, lågtemperaturhärdande bläck som uppfyller japanska och tyska standarder. Även om Kinas forskning om vattenbaserade bläck såg en snabb utveckling i början av 2000-talet, hade västländerna redan gjort betydande framsteg: cirka 95 % av flexoprodukterna och 80 % av djuptrycksprodukterna i USA använde vattenbaserat bläck, medan Storbritannien och Japan antog vattenbaserat bläck för livsmedels- och läkemedelsförpackningar. Jämförelsevis var Kinas utveckling långsammare.

För att ytterligare främja marknaden introducerade Kina den första vattenbaserade bläckstandarden i maj 2007 och förespråkade 2011 "grön innovationsutveckling", i syfte att ersätta lösningsmedelsbaserade bläck med vattenbaserade bläck. I 2016 års "13:e femårsplan" för tryckeribranschen var "forskning om vattenbaserade miljömaterial" och "grönt tryck" nyckelfokus. År 2020 utökade den nationella marknadsföringen av grönt och digitalt tryck den vattenbaserade bläckmarknaden.

2. Applicering av vattenbaserade bläck

I början av 1900-talet använde USA först vattenbaserade bläck i flexotryck. På 1970-talet användes högkvalitativa vattenbaserade djuptrycksfärger i stor utsträckning för olika förpackningspapper, tjocka bokhyllor och kartong. På 1980-talet utvecklades blanka och matta vattenbaserade tryckfärger för screentryck utomlands, vilket utökade deras användning till tyger, papper, PVC, polystyren, aluminiumfolie och metaller. För närvarande, på grund av deras miljövänliga, giftfria och säkra egenskaper, används vattenbaserade bläck främst vid tryckning av livsmedelsförpackningar, såsom tobaksförpackningar och dryckesflaskor. När miljölagarna förbättras fortsätter användningen av vattenbaserade bläck att diversifieras och intensifieras. Kina främjar också successivt deras användning i tryckeribranschen.

• Resultat och diskussion

1. Forskning om hartsmodifikationer

Bläckets prestanda påverkas av hartsskillnader. I allmänhet är vattenbaserade bläckhartser typiskt polyuretan, modifierade akrylemulsioner eller polyakrylhartser. Vattenbaserade polyuretan (WPU) hartser, med överlägsen glans, används ofta i förpackningstryck. Därför har förbättring av WPU-prestanda för att förbättra vattenbaserad bläcks miljövänlighet och glans blivit ett fokus i tryckeribranschen.

2. Modifierande vattenbaserade polyuretaner

Vattenbaserade polyuretaner, sammansatta av polyoler med låg molekylvikt, kan klassificeras i polyester-, polyeter- och hybridtyper. Baserat på de olika egenskaperna hos polyester och polyeterpolymerer varierar deras styrka och stabilitet. I allmänhet har polyeterpolyuretaner lägre hållfasthet och stabilitet än polyesterpolyuretaner men uppvisar bättre högtemperaturbeständighet och är mindre benägna att hydrolyseras. Att till exempel öka bläckets "konsistens" genom att använda polyetylenglykolmonometyleter förbättrar dess toleransegenskaper. Detta är dock bara en referenspunkt. Olika forskningsinstitut använder olika metoder för att förbättra specifika aspekter av WPU.

Till exempel, 2010, valdes epoxihartser med hög seghet och slaghållfasthet för att hantera bläckviskositets- och vidhäftningsproblem, och därigenom förbättra bläckstyrkan. År 2006 använde en studie publicerad av Beijing Chemical University etylenglykolbaserad polyuretan för att bilda ett speciellt harts med ett långt mjukt segment, vilket förbättrade bläckflexibiliteten och indirekt stärkte vattenbaserat bläck. Vissa team uppnår modifieringsresultat genom att lägga till kemiska ämnen: inkorporering av kiseldioxid eller kiselorganiskt för att förbättra WPU, vilket resulterar i förbättrad bläckdraghållfasthet. Karboxylterminerad butadiennitrilpolyuretan används för att förbättra bläckböjningsprestanda och viskositet och anpassa sig till mer komplexa miljöer.

Således väljer forskare vanligtvis specifika polyestrar baserat på bläckets egenskaper, använder lämpliga polysyror och polyoler för att syntetisera värmebeständiga polyesterpolyoler, introducerar polära grupper med stark vidhäftning, väljer lämpliga råmaterial för att förbättra polyuretankristalliniteten och använder kopplingsmedel för att förbättra WPU-limets fukt- och värmebeständighet.

3. Modifiering av vattenbeständighet

Eftersom bläck huvudsakligen används för ytterförpackningar och ofta kommer i kontakt med vatten, kan dålig vattenbeständighet leda till minskad hårdhet, glans och till och med bläckflossning eller skada, vilket avsevärt påverkar lagringsprestanda. Förbättring av WPU-vattenbeständighet förbättrar bläcklagringsprestanda genom att använda polyoler med god vattenbeständighet som material. Till exempel kan modifiering av WPU med akrylmonomerer eller justering av epoxihartsinnehållet förbättra bläckets vattenbeständighet.

Förutom att använda högvattenbeständiga polymerer för att ersätta standardpolyuretan, tillsätter forskare ofta organiska eller oorganiska ämnen för att uppnå önskad effekt. Till exempel, inkorporering av kiseldioxid i nanoskala i harts förbättrar vattenbeständighet och styrka, en mycket använd metod i bläckproduktion. "Emulsionssampolymerisationsmetoden" skapar komposit-PUA för att förbättra vattenbeständigheten, medan metoder som polyetylenglykolmonometyletermodifiering och acetonsyntes av organokiselmodifierad WPU förbättrar vattenbeständigheten.

4. Modifiering av högtemperaturmotstånd

I allmänhet är WPU:s högtemperaturbeständighet relativt svag, vilket begränsar vattenbaserat bläcks värmebeständighet. Polyeterpolyuretaner har vanligtvis bättre högtemperaturbeständighet än polyesterpolyuretaner på grund av antalet dubbelbindningar. Tillsats av långkedjiga polymerer eller bensenringestrar/etrar som polymerisationsmonomerer förbättrar polymerens högtemperaturbeständighet och, följaktligen, vattenbaserad bläckvärmebeständighet. Förutom att använda långkedjiga polyeterpolyuretaner, använder vissa team kompositmaterial för att öka komplexiteten och förbättra motståndskraften mot hög temperatur. Till exempel, genom att lägga till nanotennoxidantimon till WPU syntetiserad från DMPA, polyeter 220 och IPDI gör det möjligt för bläckskikten att absorbera värme, vilket förbättrar motståndskraften mot höga temperaturer. Att lägga till kiseldioxidaerogel till polyuretan minskar också värmeledningsförmågan och förbättrar bläckets värmebeständighet.

5. Stabilitetsmodifiering

WPU-stabilitet påverkar avsevärt vattenbaserad bläcklagringsprestanda. Förutom vatten- och högtemperaturbeständighet är molekylvikt och strukturarrangemang avgörande. Polyesterhartser är i allmänhet mer stabila än polyeterhartser på grund av fler vätebindningar i molekylstrukturen. Att lägga till esterämnen för att bilda blandade polyuretaner ökar stabiliteten, som att använda isocyanat- och silandispersion för att skapa en tvåkomponents WPU med förbättrad stabilitet och nötningsbeständighet. Värmebehandling och kylning kan också skapa fler vätebindningar, stramare molekylarrangemang och förbättra WPU-stabilitet och vattenbaserad bläcklagringsprestanda.

6. Förbättring av vidhäftning

Även om optimering av WPU förbättrar vattenbeständighet, hög temperaturbeständighet och stabilitet, visar WPU fortfarande dålig vidhäftning till polyeten (PE) plastprodukter på grund av molekylvikt och polaritet. Typiskt tillsätts polymerer eller monomerer med liknande polaritet och molekylvikt för att förbättra WPU och förbättra vattenbaserad bläckvidhäftning till opolära material. Till exempel förbättrar sampolymerisering av WPU med ett polyvinylklorid-hydroxietylakrylatharts vattentät vidhäftning mellan bläck och beläggningar. Att lägga till akrylpolyesterharts till WPU skapar en unik molekylär länkstruktur, vilket avsevärt förbättrar WPU-vidhäftningen. Dessa metoder kan dock påverka originalbläckets egenskaper som glans. Därför behandlar industriella tekniker material utan att ändra egenskaper för att förbättra bläckvidhäftningen, som att aktivera ytor med elektroder eller kortvarig flambehandling för att öka adsorptionen.

• Slutsats

För närvarande används vattenbaserade bläck i stor utsträckning i livsmedelsförpackningar, läkemedelsförpackningar, verkstäder, böcker och andra beläggningar eller tryckapplikationer. Deras inneboende prestandabegränsningar begränsar dock bredare tillämpningar. I takt med att miljö- och säkerhetsmedvetenheten växer med förbättrad levnadsstandard ersätter vattenbaserade miljövänliga bläck som minskar VOC-utsläppen i allt högre grad lösningsmedelsbaserade bläck, vilket utmanar traditionella lösningsmedelsbaserade bläckmarknader.

I detta sammanhang är det avgörande att förbättra bläckets prestanda genom att modifiera vattenbaserade hartser, särskilt vattenbaserade polyuretaner, genom innovativa metoder som nanoteknik och hybridisering av organiska och oorganiska föreningar för framtida vattenbaserad bläckutveckling. Därför behövs ytterligare omfattande forskning om hartsmodifieringar för att förbättra vattenbaserad bläckprestanda för bredare tillämpningar.