Su Bazlı Mürekkeplerin Gelişiminin ve Çevre Dostu Su Bazlı Poliüretan Mürekkeplerin Çalışmalarının Araştırılması

Hava kirliliği, toz fırtınaları gibi doğal olayların yanı sıra VOC'ler gibi zehirli gaz emisyonlarının da önemli katkılarda bulunması nedeniyle uzun süredir büyük bir endişe kaynağı olmuştur. Çevre koruma bilinci arttıkça ve çeşitli ulusal politikalar uygulandıkça, önemli bir VOC yayıcı olan basım endüstrisi kaçınılmaz bir reformla karşı karşıya kaldı. Sonuç olarak, çevre dostu baskı mürekkepleri küresel baskı endüstrisi araştırmalarında odak noktası haline geldi. Su bazlı mürekkepler, enerjiyle iyileştirilebilen mürekkepler ve bitkisel yağ bazlı mürekkepler dahil olmak üzere mevcut çevre dostu mürekkepler arasında su bazlı mürekkepler en yaygın kullanılanlardır. Su bazlı mürekkepler daha düşük oranda organik solvent içerir, bu da VOC emisyonlarını azaltır ve çevre koruma ilkelerine uygundur. Bununla birlikte, su bazlı mürekkeplerin aynı zamanda yavaş kuruma ve sertleşme süreleri ve zayıf suya ve alkali direnci gibi dezavantajları da vardır ve bu durum geleneksel endüstriyel mürekkeplerde uygulamalarını sınırlamaktadır. Bu nedenle reçine modifikasyonu yoluyla bu zayıflıkların iyileştirilmesi önemli bir odak noktası haline gelmiştir. Bu makale, su bazlı mürekkeplerin geliştirilmesini ve uygulanmasını, reçine modifikasyonlarının incelenmesini, su bazlı poliüretanların kullanıldığı baskı mürekkepleri araştırmalarındaki ilerlemeyi ve bu alandaki gelecekteki beklentileri özetlemektedir.

• Deneysel

1. Su Bazlı Mürekkeplerin Geliştirilmesi

Mürekkeplerin, matbaanın icadıyla birlikte ortaya çıkan uzun bir geçmişi vardır. 1900 yılında Lithol Kırmızı Pigmentin piyasaya sürülmesinden sonra mürekkeplerin yaygınlaşması, ülkeleri mürekkep araştırmalarına yatırım yapmaya teşvik etti. Su bazlı mürekkepler, mürekkebin pratikliğine yönelik daha yüksek taleplerden kaynaklanan bir türevdir. Su bazlı mürekkeplerle ilgili araştırmalar, öncelikle baskı oranlarını hızlandırmak ve petrol bazlı hammaddelere olan bağımlılığı azaltmak amacıyla 1960'lı yıllarda yurt dışında başladı. Bu mürekkepler, o dönemde baskı ihtiyaçlarını karşılamak için ana malzeme olarak benzen ve şellak gibi organik bileşikler veya sodyum lignosülfonat kullanıyordu. 1970'lerde araştırmacılar, akrilik monomerleri stirenle polimerize ederek, çevresel gereklilikleri karşılarken mürekkeplerin parlaklığını ve suya dayanıklılığını koruyarak çekirdek-kabuk ve ağ yapısına sahip bir polimer emülsiyon reçinesi geliştirdiler. Ancak çevre bilinci arttıkça ve daha katı çevre yasaları yürürlüğe girdikçe mürekkeplerdeki benzen bazlı organiklerin oranı azaldı. 1980'li yıllara gelindiğinde Batı Avrupa ülkeleri "yeşil mürekkepli baskı" ve "yeni su bazlı mürekkepli baskı" kavramlarını ve teknolojilerini tanıttı.

Çin'in mürekkep endüstrisi, Qing Hanedanlığı'nın sonlarında para üretimiyle başladı ve 1975'te Tianjin Mürekkep Fabrikası ve Gangu Mürekkep Fabrikası ilk yerli su bazlı gravür mürekkebini geliştirip üretene kadar büyük ölçüde ithal mürekkeplere bağımlıydı. 1990'lara gelindiğinde Çin, 100'den fazla flekso baskı üretim hattı ithal ederek su bazlı mürekkeplerin kullanımını hızla ilerletti. 2003 yılında Çin Endüstriyel Teknoloji Araştırma Enstitüsü ilgili ürünleri başarıyla geliştirdi ve 2004'ün başlarında Shanghai Meide Şirketi, Japon ve Alman standartlarını karşılayan tamamen su bazlı, düşük sıcaklıkta termoset mürekkep üretti. Çin'in su bazlı mürekkepler üzerine araştırması 21. yüzyılın başlarında hızlı bir gelişme gösterse de, Batılı ülkeler zaten önemli ilerleme kaydetmişti: ABD'deki flekso ürünlerinin yaklaşık %95'i ve gravür ürünlerinin %80'i su bazlı mürekkepler kullanırken, İngiltere ve Japonya gıda ve ilaç ambalajları için su bazlı mürekkepleri benimsedi. Karşılaştırmalı olarak Çin'in kalkınması daha yavaştı.

Piyasayı daha da geliştirmek için Çin, Mayıs 2007'de ilk su bazlı mürekkep standardını tanıttı ve 2011'de solvent bazlı mürekkepleri su bazlı mürekkeplerle değiştirmeyi amaçlayan "yeşil inovasyon gelişimini" savundu. Basım endüstrisine yönelik 2016 "13. Beş Yıllık Plan"da "su bazlı çevre malzemeleri üzerine araştırmalar" ve "yeşil baskı" ana odak noktalarıydı. 2020 yılına gelindiğinde yeşil ve dijital baskının ulusal düzeyde teşvik edilmesi su bazlı mürekkep pazarını genişletti.

2. Su Bazlı Mürekkeplerin Uygulanması

20. yüzyılın başlarında, Amerika Birleşik Devletleri flekso baskıda ilk kez su bazlı mürekkepleri uyguladı. 1970'lere gelindiğinde, yüksek kaliteli su bazlı gravür mürekkepleri çeşitli ambalaj kağıtları, kalın kitap rafları ve kartonlar için yaygın olarak kullanılıyordu. 1980'lerde, parlak ve mat serigrafi su bazlı mürekkepler yurtdışında geliştirilerek uygulamaları kumaşlara, kağıtlara, PVC'ye, polistirene, alüminyum folyoya ve metallere genişletildi. Şu anda, çevre dostu, toksik olmayan ve güvenli özellikleri nedeniyle su bazlı mürekkepler çoğunlukla tütün ambalajları ve içecek şişeleri gibi gıda ambalaj baskılarında kullanılmaktadır. Çevre yasaları iyileştikçe, su bazlı mürekkeplerin uygulaması çeşitlenmeye ve yoğunlaşmaya devam ediyor. Çin de baskı endüstrisinde kullanımını giderek teşvik ediyor.

• Sonuçlar ve tartışma

1. Reçine Modifikasyonları Araştırması

Mürekkep performansı reçine farklılıklarından etkilenir. Genellikle su bazlı mürekkep reçineleri tipik olarak poliüretan, modifiye akrilik emülsiyonlar veya poliakrilik reçinelerdir. Üstün parlaklığa sahip su bazlı poliüretan (WPU) reçineler, ambalaj baskısında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle, su bazlı mürekkebin çevre dostu olmasını ve parlaklığını iyileştirmek için WPU performansının arttırılması, baskı endüstrisinde bir odak noktası haline geldi.

2. Su Bazlı Poliüretanların Değiştirilmesi

Düşük moleküler ağırlıklı poliollerden oluşan su bazlı poliüretanlar polyester, polieter ve hibrit tiplere ayrılabilir. Polyester ve polieter polimerlerin farklı özelliklerine bağlı olarak mukavemetleri ve stabiliteleri farklılık gösterir. Genel olarak polieter poliüretanlar, polyester poliüretanlara göre daha düşük mukavemet ve stabiliteye sahiptir ancak daha iyi yüksek sıcaklık direnci sergiler ve hidrolize daha az eğilimlidir. Örneğin, polietilen glikol monometil eter kullanılarak mürekkebin "kıvamının" arttırılması, tolerans özelliklerini geliştirir. Ancak bu yalnızca bir referans noktasıdır. Çeşitli araştırma enstitüleri WPU'nun belirli yönlerini geliştirmek için farklı yöntemler benimser.

Örneğin 2010 yılında, mürekkebin viskozitesi ve yapışma sorunlarını gidermek ve böylece mürekkebin gücünü artırmak için yüksek tokluğa ve darbe dayanımına sahip epoksi reçineler seçildi. 2006 yılında Pekin Kimya Üniversitesi tarafından yayınlanan bir çalışmada, mürekkebin esnekliğini artıran ve dolaylı olarak su bazlı mürekkebi güçlendiren, uzun yumuşak segmentli özel bir reçine oluşturmak için etilen glikol bazlı poliüretan kullanıldı. Bazı ekipler kimyasal maddeler ekleyerek modifikasyon sonuçlarına ulaşıyor: WPU'yu iyileştirmek için silika veya organosilikon ekleyerek mürekkebin gerilme mukavemetini artırıyor. Karboksil sonlu bütadien nitril poliüretan, daha karmaşık ortamlara uyum sağlayarak mürekkebin bükülme performansını ve viskozitesini iyileştirmek için kullanılır.

Bu nedenle, araştırmacılar tipik olarak mürekkep özelliklerine dayalı olarak belirli polyesterleri seçerler, ısıya dayanıklı polyester poliolleri sentezlemek için uygun poliasitler ve polioller kullanırlar, güçlü yapışma özelliğine sahip polar gruplar eklerler, poliüretanın kristalliğini geliştirmek için uygun hammaddeleri seçerler ve WPU yapıştırıcısının özelliklerini geliştirmek için birleştirme maddeleri kullanırlar. nem ve ısı direnci.

3. Suya Dayanıklılık Modifikasyonu

Mürekkep esas olarak dış ambalaj için kullanıldığından ve sıklıkla suyla temas ettiğinden, suya karşı zayıf dayanıklılık, sertliğin, parlaklığın azalmasına ve hatta mürekkebin soyulması veya hasar görmesine yol açarak depolama performansını önemli ölçüde etkileyebilir. WPU'nun su direncinin iyileştirilmesi, malzeme olarak iyi su direncine sahip polioller kullanılarak mürekkep depolama performansını artırır. Örneğin, WPU'yu akrilik monomerlerle değiştirmek veya epoksi reçine içeriğini ayarlamak mürekkebin suya direncini artırabilir.

Araştırmacılar, standart poliüretan yerine yüksek suya dirençli polimerler kullanmanın yanı sıra, istenen etkiyi elde etmek için sıklıkla organik veya inorganik maddeler de ekliyorlar. Örneğin, nano ölçekli silikanın reçineye dahil edilmesi, mürekkep üretiminde yaygın olarak kullanılan bir yöntem olan suya direnci ve mukavemeti arttırır. "Emülsiyon kopolimerizasyon yöntemi" su direncini artırmak için kompozit PUA oluştururken, polietilen glikol monometil eter modifikasyonu ve organosilikonla modifiye edilmiş WPU'nun aseton sentezi gibi yöntemler su direncini artırır.

4. Yüksek Sıcaklık Direnci Modifikasyonu

Genel olarak WPU'nun yüksek sıcaklık direnci nispeten zayıftır ve su bazlı mürekkebin ısı direncini sınırlar. Polieter poliüretanlar tipik olarak çift bağların sayısı nedeniyle polyester poliüretanlardan daha iyi yüksek sıcaklık direncine sahiptir. Polimerizasyon monomerleri olarak uzun zincirli polimerlerin veya benzen halkası esterlerinin/eterlerinin eklenmesi, polimerin yüksek sıcaklık direncini ve dolayısıyla su bazlı mürekkep ısı direncini artırır. Bazı ekipler, uzun zincirli polieter poliüretanların yanı sıra karmaşıklığı artırmak ve yüksek sıcaklık direncini artırmak için kompozit malzemeler kullanıyor. Örneğin, DMPA, polieter 220 ve IPDI'den sentezlenen WPU'ya nano kalay oksit antimon eklenmesi, mürekkep katmanlarının ısıyı absorbe etmesini sağlayarak yüksek sıcaklık direncini artırır. Poliüretana silika aerojel eklenmesi aynı zamanda termal iletkenliği azaltır ve mürekkebin ısı direncini artırır.

5. Kararlılık Değişikliği

WPU kararlılığı, su bazlı mürekkep depolama performansını önemli ölçüde etkiler. Suya ve yüksek sıcaklığa dayanıklılığın yanı sıra moleküler ağırlık ve yapı düzeni de çok önemlidir. Polyester reçineler, moleküler yapıdaki hidrojen bağlarının daha fazla olması nedeniyle genellikle polieter reçinelerden daha stabildir. Karışık poliüretanlar oluşturmak için ester maddelerinin eklenmesi, örneğin izosiyanat ve silan dispersiyonunun gelişmiş stabilite ve aşınma direncine sahip çift bileşenli bir WPU oluşturmak için kullanılması gibi stabiliteyi artırır. Isıl işlem ve soğutma aynı zamanda daha fazla hidrojen bağı oluşturarak moleküler düzenlemeyi sıkılaştırabilir ve WPU stabilitesini ve su bazlı mürekkep depolama performansını artırabilir.

6. Yapışma İyileştirmesi

WPU'yu optimize etmek su direncini, yüksek sıcaklık direncini ve stabiliteyi artırırken, WPU'lar moleküler ağırlık ve polarite nedeniyle polietilen (PE) plastik ürünlere hala zayıf yapışma göstermektedir. Tipik olarak benzer polarite ve molekül ağırlığına sahip polimerler veya monomerler, WPU'yu geliştirmek ve su bazlı mürekkebin polar olmayan malzemelere yapışmasını arttırmak için eklenir. Örneğin, WPU'nun bir polivinil klorür-hidroksietil akrilat reçinesi ile birlikte polimerleştirilmesi, mürekkepler ve kaplamalar arasındaki su geçirmez yapışmayı iyileştirir. WPU'ya akrilik polyester reçine eklenmesi benzersiz bir moleküler bağlantı yapısı oluşturarak WPU yapışmasını önemli ölçüde artırır. Ancak bu yöntemler parlaklık gibi orijinal mürekkep özelliklerini etkileyebilir. Bu nedenle endüstriyel teknikler, yüzeylerin elektrotlarla etkinleştirilmesi veya adsorpsiyonu artırmak için kısa süreli alev işlemi gibi, mürekkebin yapışmasını iyileştirmek için özellikleri değiştirmeden malzemeleri işler.

• Çözüm

Şu anda su bazlı mürekkepler gıda ambalajlarında, ilaç ambalajlarında, atölyelerde, kitaplarda ve diğer kaplamalarda veya baskı uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bunların doğasında olan performans sınırlamaları daha geniş uygulamaları kısıtlamaktadır. Yaşam standartlarının artmasıyla birlikte çevre ve güvenlik bilinci arttıkça, VOC emisyonlarını azaltan su bazlı çevre dostu mürekkepler giderek solvent bazlı mürekkeplerin yerini alarak geleneksel solvent bazlı mürekkep pazarlarına meydan okuyor.

Bu bağlamda, nanoteknoloji ve organik ve inorganik bileşiklerin hibridizasyonu gibi yenilikçi yöntemlerle su bazlı reçineleri, özellikle su bazlı poliüretanları modifiye ederek mürekkep performansını artırmak, gelecekteki su bazlı mürekkep geliştirme için hayati önem taşımaktadır. Bu nedenle, daha geniş uygulamalar için su bazlı mürekkep performansını artırmak amacıyla reçine modifikasyonları hakkında daha kapsamlı araştırmalara ihtiyaç vardır.