Paggalugad sa Pagbuo ng Water-Based Inks at Pag-aaral ng Eco-Friendly Water-Based Polyurethane Inks

Matagal nang naging pangunahing alalahanin ang polusyon sa hangin, na ang mga nakakalason na emisyon ng gas gaya ng mga VOC ay mga makabuluhang kontribyutor kasama ng mga natural na pangyayari tulad ng mga bagyo ng alikabok. Habang lumalaki ang kamalayan sa pangangalaga sa kapaligiran at ipinatupad ang iba't ibang mga pambansang patakaran, ang industriya ng pag-imprenta, isang pangunahing VOC emitter, ay nahaharap sa hindi maiiwasang reporma. Dahil dito, ang eco-friendly na mga printing inks ay naging isang focal point sa pandaigdigang pananaliksik sa industriya ng pag-print. Kabilang sa mga available na eco-friendly na inks, kabilang ang water-based inks, energy-curable inks, at vegetable oil-based na mga ink, ang water-based na mga inks ang pinakamalawak na ginagamit. Ang mga water-based na inks ay naglalaman ng mas mababang proporsyon ng mga organic na solvents, na nagpapababa ng mga VOC emissions at umaayon sa mga prinsipyo ng pangangalaga sa kapaligiran. Gayunpaman, ang mga water-based na inks ay mayroon ding mga disbentaha gaya ng mabagal na pagpapatuyo at mga oras ng paggamot at mahinang tubig at alkali resistance, na nililimitahan ang kanilang paggamit sa mga tradisyonal na pang-industriya na mga tinta. Kaya, ang pagpapabuti ng mga kahinaang ito sa pamamagitan ng pagbabago ng dagta ay naging isang makabuluhang pokus. Binabalangkas ng papel na ito ang pagbuo at aplikasyon ng mga water-based na inks, ang pag-aaral ng mga pagbabago sa resin, ang pag-unlad sa pananaliksik sa mga printing inks gamit ang water-based polyurethanes, at ang mga hinaharap na prospect sa larangang ito.

• Pang-eksperimento

1. Pagbuo ng Water-Based Inks

Ang mga tinta ay may mahabang kasaysayan, na umuusbong kasabay ng pag-imbento ng pag-imprenta. Matapos ang pagpapakilala ng Lithol Red Pigment noong 1900, ang mga tinta ay naging laganap, na nag-udyok sa mga bansa na mamuhunan sa pananaliksik sa tinta. Ang mga water-based na inks ay isang derivative na nagreresulta mula sa mas mataas na pangangailangan para sa pagiging praktikal ng tinta. Ang pananaliksik sa mga water-based na tinta ay nagsimula sa ibang bansa noong 1960s, pangunahin upang mapabilis ang mga rate ng pag-print at mabawasan ang pag-asa sa mga hilaw na materyales na nakabatay sa petrolyo. Gumamit ang mga tinta na ito ng mga organikong compound tulad ng benzene at shellac o sodium lignosulfonate bilang pangunahing materyales upang matugunan ang mga pangangailangan sa pag-print sa panahong iyon. Noong 1970s, nakabuo ang mga mananaliksik ng polymer emulsion resin na may core-shell at network structure sa pamamagitan ng polymerizing acrylic monomers na may styrene, na pinapanatili ang ningning at water resistance ng mga tinta habang nakakatugon sa mga kinakailangan sa kapaligiran. Gayunpaman, nang tumaas ang kamalayan sa kapaligiran at ang mas mahigpit na mga batas sa kapaligiran ay pinagtibay, ang proporsyon ng mga organikong nakabatay sa benzene sa mga tinta ay bumaba. Noong dekada 1980, ipinakilala ng mga bansa sa Kanlurang Europa ang mga konsepto at teknolohiya ng "green ink printing" at "new water-based ink printing."

Nagsimula ang industriya ng tinta ng China noong huling bahagi ng Dinastiyang Qing sa paggawa ng pera, na umaasa nang husto sa mga imported na tinta hanggang 1975, nang ang Tianjin Ink Factory at Gangu Ink Factory ay bumuo at gumawa ng unang domestic water-based gravure ink. Pagsapit ng 1990s, ang China ay nag-import ng mahigit 100 flexo printing production lines, mabilis na isinusulong ang paggamit ng water-based inks. Noong 2003, matagumpay na nakabuo ang China Industrial Technology Research Institute ng mga kaugnay na produkto, at noong unang bahagi ng 2004, ang Shanghai Meide Company ay gumawa ng ganap na water-based, mababang temperatura na thermosetting ink na tumutugon sa mga pamantayan ng Japanese at German. Bagama't ang pananaliksik ng China sa mga water-based na tinta ay nakakita ng mabilis na pag-unlad noong unang bahagi ng ika-21 siglo, ang mga bansa sa Kanluran ay nakamit na ang makabuluhang pag-unlad: humigit-kumulang 95% ng mga produktong flexo at 80% ng mga produktong gravure sa United States ay gumamit ng mga water-based na tinta, habang ang UK at ang Japan ay nagpatibay ng water-based na mga tinta para sa food at pharmaceutical packaging. Kung ikukumpara, mas mabagal ang pag-unlad ng China.

Upang higit pang isulong ang merkado, ipinakilala ng China ang unang water-based na ink standard noong Mayo 2007 at noong 2011 ay nagtaguyod para sa "green innovation development," na naglalayong palitan ang solvent-based na inks ng water-based inks. Sa 2016 na "13th Five-Year Plan" para sa industriya ng pagpi-print, ang "research on water-based environmental materials" at "green printing" ay mga pangunahing pokus. Sa pamamagitan ng 2020, pinalawak ng pambansang promosyon ng berde at digital na pag-print ang water-based na ink market.

2. Paglalapat ng Water-Based Inks

Noong unang bahagi ng ika-20 siglo, unang inilapat ng United States ang mga water-based na tinta sa flexo printing. Noong 1970s, ang mataas na kalidad na water-based gravure inks ay malawakang ginagamit para sa iba't ibang packaging paper, makapal na bookshelf, at karton. Noong 1980s, ang mga glossy at matte na screen printing na water-based na mga inks ay binuo sa ibang bansa, na pinalawak ang kanilang aplikasyon sa mga tela, papel, PVC, polystyrene, aluminum foil, at mga metal. Sa kasalukuyan, dahil sa kanilang eco-friendly, hindi nakakalason, at ligtas na mga katangian, ang mga water-based na tinta ay pangunahing ginagamit sa pag-print ng packaging ng pagkain, tulad ng packaging ng tabako at mga bote ng inumin. Habang bumubuti ang mga batas sa kapaligiran, ang paggamit ng mga water-based na tinta ay patuloy na nag-iiba at tumitindi. Progresibong isinusulong din ng Tsina ang kanilang paggamit sa industriya ng pag-imprenta.

• Resulta at diskusyon

1. Pananaliksik sa Mga Pagbabago sa Resin

Ang pagganap ng tinta ay naiimpluwensyahan ng mga pagkakaiba ng dagta. Sa pangkalahatan, ang water-based na ink resin ay karaniwang polyurethane, binagong acrylic emulsion, o polyacrylic resin. Ang water-based polyurethane (WPU) resins, na may superior gloss, ay malawakang ginagamit sa packaging printing. Kaya, ang pagpapahusay ng pagganap ng WPU upang mapabuti ang pagiging magiliw sa kapaligiran at pagtakpan ng water-based na tinta ay naging isang pokus sa industriya ng pag-print.

2. Binabago ang Water-Based Polyurethanes

Ang water-based polyurethanes, na binubuo ng mga low-molecular-weight polyols, ay maaaring uriin sa polyester, polyether, at hybrid na mga uri. Batay sa iba't ibang mga katangian ng polyester at polyether polymers, ang kanilang lakas at katatagan ay nag-iiba. Sa pangkalahatan, ang polyether polyurethanes ay may mas mababang lakas at katatagan kaysa sa polyester polyurethanes ngunit nagpapakita ng mas mahusay na mataas na temperatura na resistensya at hindi gaanong madaling kapitan ng hydrolysis. Halimbawa, ang pagtaas ng "consistency" ng tinta sa pamamagitan ng paggamit ng polyethylene glycol monomethyl ether ay nagpapabuti sa mga katangian ng tolerance nito. Gayunpaman, ito ay isang reference point lamang. Ang iba't ibang mga instituto ng pananaliksik ay gumagamit ng iba't ibang pamamaraan upang mapahusay ang mga partikular na aspeto ng WPU.

Halimbawa, noong 2010, ang mga epoxy resin na may mataas na tibay at lakas ng epekto ay pinili upang tugunan ang lagkit ng tinta at mga isyu sa pagdirikit, sa gayo'y pinahuhusay ang lakas ng tinta. Noong 2006, ang isang pag-aaral na inilathala ng Beijing Chemical University ay gumamit ng polyurethane na nakabatay sa ethylene glycol upang bumuo ng isang espesyal na resin na may mahabang malambot na segment, pagpapabuti ng flexibility ng tinta at hindi direktang nagpapalakas ng water-based na tinta. Ang ilang mga koponan ay nakakamit ng mga resulta ng pagbabago sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga kemikal na sangkap: pagsasama ng silica o organosilicon upang mapabuti ang WPU, na nagreresulta sa pinahusay na lakas ng tensile ng tinta. Ang carboxyl-terminated butadiene nitrile polyurethane ay ginagamit upang mapabuti ang pagganap at lagkit ng pagbaluktot ng tinta, na umaangkop sa mga mas kumplikadong kapaligiran.

Kaya, ang mga mananaliksik ay karaniwang pumipili ng mga partikular na polyester batay sa mga katangian ng tinta, na gumagamit ng naaangkop na polyacids at polyols upang synthesize ang heat-resistant polyester polyols, nagpapakilala ng mga polar group na may malakas na pagdirikit, pagpili ng angkop na mga hilaw na materyales upang mapabuti ang polyurethane crystallinity, at paggamit ng mga coupling agent upang mapahusay ang WPU adhesive's. moisture at init paglaban.

3. Pagbabago sa Paglaban sa Tubig

Dahil ang tinta ay pangunahing ginagamit para sa panlabas na packaging at madalas na nakikipag-ugnayan sa tubig, ang mahinang resistensya ng tubig ay maaaring humantong sa pagbawas ng katigasan, pagtakpan, at maging ang pagbabalat o pagkasira ng tinta, na makabuluhang nakakaapekto sa pagganap ng imbakan. Ang pagpapabuti ng WPU water resistance ay nagpapabuti sa pagganap ng pag-iimbak ng tinta sa pamamagitan ng paggamit ng mga polyol na may magandang water resistance bilang mga materyales. Halimbawa, ang pagbabago sa WPU gamit ang mga acrylic monomer o pagsasaayos ng nilalaman ng epoxy resin ay maaaring mapabuti ang ink water resistance.

Bukod sa paggamit ng high-water-resistance polymers upang palitan ang karaniwang polyurethane, ang mga mananaliksik ay madalas na nagdaragdag ng mga organic o inorganic na sangkap upang makamit ang ninanais na epekto. Halimbawa, ang pagsasama ng nanoscale silica sa resin ay nagpapataas ng paglaban sa tubig at lakas, isang malawakang ginagamit na paraan sa paggawa ng tinta. Ang "emulsion copolymerization method" ay lumilikha ng composite PUA para pahusayin ang water resistance, habang ang mga pamamaraan tulad ng polyethylene glycol monomethyl ether modification at acetone synthesis ng organosilicon-modified WPU ay nagpapahusay sa water resistance.

4. Pagbabago sa Paglaban sa Mataas na Temperatura

Sa pangkalahatan, ang mataas na temperatura na resistensya ng WPU ay medyo mahina, na nililimitahan ang water-based na ink na paglaban sa init. Ang polyether polyurethanes ay karaniwang may mas mahusay na mataas na temperatura na resistensya kaysa sa polyester polyurethanes dahil sa bilang ng mga double bond. Ang pagdaragdag ng long-chain polymers o benzene ring esters/ethers bilang polymerization monomer ay nagpapabuti sa polymer na mataas ang temperatura na resistensya at, dahil dito, water-based na ink heat resistance. Bukod sa paggamit ng long-chain polyether polyurethanes, ang ilang mga team ay gumagamit ng mga composite na materyales upang palakihin ang pagiging kumplikado at pahusayin ang mataas na temperatura na resistensya. Halimbawa, ang pagdaragdag ng nano tin oxide antimony sa WPU na synthesize mula sa DMPA, polyether 220, at IPDI ay nagbibigay-daan sa mga layer ng tinta na sumipsip ng init, na nagpapahusay sa mataas na temperatura na resistensya. Ang pagdaragdag ng silica airgel sa polyurethane ay binabawasan din ang thermal conductivity at pinahuhusay ang ink heat resistance.

5. Pagbabago ng Katatagan

Ang katatagan ng WPU ay makabuluhang nakakaapekto sa pagganap ng water-based na ink storage. Bukod sa tubig at paglaban sa mataas na temperatura, ang bigat ng molekular at kaayusan ng istraktura ay mahalaga. Ang mga polyester resin sa pangkalahatan ay mas matatag kaysa sa polyether resins dahil sa mas maraming hydrogen bond sa molekular na istraktura. Ang pagdaragdag ng mga ester substance upang bumuo ng pinaghalong polyurethanes ay nagpapataas ng katatagan, tulad ng paggamit ng isocyanate at silane dispersion upang lumikha ng dual-component WPU na may pinahusay na katatagan at abrasion resistance. Ang heat treatment at cooling ay maaari ding lumikha ng mas maraming hydrogen bond, humihigpit sa molecular arrangement at pagpapahusay ng WPU stability at water-based na ink storage performance.

6. Pagpapabuti ng Pagdirikit

Habang pinapabuti ng pag-optimize ng WPU ang water resistance, ang mataas na temperatura na resistensya, at ang katatagan, ang mga WPU ay nagpapakita pa rin ng mahinang pagdirikit sa polyethylene (PE) na mga produktong plastik dahil sa molecular weight at polarity. Kadalasan, idinaragdag ang magkatulad na polarity at molecular weight polymer o monomer upang mapabuti ang WPU at mapahusay ang water-based na ink adhesion sa mga non-polar na materyales. Halimbawa, pinapabuti ng co-polymerizing WPU na may polyvinyl chloride-hydroxyethyl acrylate resin ang waterproof adhesion sa pagitan ng mga inks at coatings. Ang pagdaragdag ng acrylic polyester resin sa WPU ay lumilikha ng kakaibang molecular link structure, na makabuluhang nagpapahusay sa WPU adhesion. Gayunpaman, ang mga pamamaraang ito ay maaaring makaapekto sa orihinal na mga katangian ng tinta tulad ng pagtakpan. Samakatuwid, tinatrato ng mga pang-industriyang diskarte ang mga materyales nang hindi binabago ang mga katangian upang mapabuti ang pagdirikit ng tinta, tulad ng pag-activate ng mga ibabaw na may mga electrodes o panandaliang paggamot sa apoy upang mapataas ang adsorption.

• Konklusyon

Sa kasalukuyan, ang mga water-based na inks ay malawakang ginagamit sa food packaging, pharmaceutical packaging, workshop, libro, at iba pang coatings o application sa pag-print. Gayunpaman, ang kanilang likas na mga limitasyon sa pagganap ay naghihigpit sa mas malawak na mga application. Habang lumalaki ang kamalayan sa kapaligiran at kaligtasan kasama ng pinahusay na mga pamantayan ng pamumuhay, ang mga water-based na eco-friendly na mga ink na nagpapababa sa mga emisyon ng VOC ay lalong pinapalitan ang mga solvent-based na mga ink, na hinahamon ang mga tradisyonal na solvent-based na mga ink market.

Sa kontekstong ito, ang pagpapahusay sa pagganap ng tinta sa pamamagitan ng pagbabago ng mga resin na nakabatay sa tubig, lalo na ang mga polyurethane na nakabatay sa tubig, sa pamamagitan ng mga makabagong pamamaraan tulad ng nanotechnology at hybridization ng mga organic at inorganic na compound ay napakahalaga para sa hinaharap na water-based na ink development. Samakatuwid, ang karagdagang komprehensibong pananaliksik sa mga pagbabago sa resin ay kailangan upang mapahusay ang pagganap ng water-based na tinta para sa mas malawak na aplikasyon.