مرکب آب پايه

مرکب آب پایه؛ کیفیت چاپ و سلامتی، با فرمولاسیون و ویژگی های مرکب های آب پایه آشنا شویم

هیچ از خودتان پرسیده‌اید که چرا طی چند سال اخیر، همه جا صحبت از مرکب‌های آب پایه است و چرا این محصول پس از سال ها، در حال حاضر مورد توجه خاصی قرار گرفته است.

واقعیت آن است که به تدریج ملاحظات زیست محیطی به عنوان اولویت و سند بالادستی در تولید قرار می‌گیرد، زیرا هیچ چیز نباید بالاتر از سلامتی انسان ها قرار گیرد.
با این رویکرد، مرکب های حلال پایه و حامل مواد خطرناک،‌ جای خود را به مرکب آب پايه می‌دهند. اما سازندگان این نوع مرکب،‌ نسبت به تقاضای بازار برای کیفیت چاپ نیز بی‌اعتنا نیستند. امروزه در نتیجه‌ی کوشش واحدهای تحقیق و توسعه کارخانه های مرکب سازی، مرکب آب پايه با قابلیت چاپ و ویژگی های مطلوب به بازار عرضه و برای روش‌ های گوناگون چاپ، با فرمولاسیون مناسب ساخته می شوند.

این مقاله به معرفی ویژگی های مرکب های ‌آب پایه می پردازد.

مرکب‌های آب پایه

نام مرکب به مایع و یا ماده خمیری برای نقاشی، نوشتن و چاپ متن و یا شکل اطلاق می شود که مورد استفاده قرار می گیرد. روش های متنوعی مانند لترپرس، فلکسوگرافی، لیتوگرافی، گراور و اسکرین و نیز روش های چاپ غیرتماسی (NIP) مانند چاپ جوهرافشان برای چاپ کردن وجود دارد. هریک از این روش‌های چاپ مرکب مخصوص به خود را دارند.
مرکب یک سیستم کلوئیدی است که از رنگ بخش، رزین، حلال و مواد افزودنی‌ تشکیل شده است. به دلیل کاربردهای متنوع و متفاوت مرکب ها، خواص و فرمولاسیون آنها بس متنوع است.

فرمولاسیون مرکب

رنگ بخش در مرکب می‌تواند رنگدانه و یا ماده رنگزا (dyestuff) باشد. پیگمنت ها به انواع معدنی، آلی، فلزی، فلورسنت، صدفی و غیره دسته‌بندی می‌شوند. تمام پیگمنت‌ها در محمل خود غیر قابل حل هستند، در حالی که مواد رنگ بخش (dyestuff) در محمل حل می‌شوند. معرفی یک پیگمنت معمولی،‌ به طور معمول از طریق فرمول شیمیایی و یا شماره کالر ایندکس انجام می‌گیرد. رنگدانه ها در اغلب فرمولاسیون های چاپ استفاده می شوند. در حالی که مواد رنگ بخش بیشتر در جوه های آب پایه مانند جوهر خودکار به کار می روند.

امروزه جوهرهایی ساخته شده است که هم از پیگمنت و هم از ماده رنگ بخش در فرمولاسیون آنها استفاده می شود. برای مواد رنگ بخش می‌توان Eosine را مثال زد که به طور معمول برای جوهر خودکار قرمز از آن استفاده می شود. دو پیگمنت مصرفی اکسید تیتانیوم برای مرکب‌های سفید و کربن بلک برای مرکب های مشکی به کار می روند. پیگمنت های آلی برای مرکب‌های رنگی به کار می روند، به طور مثال پیگمنت های فتالوسیانین که در تولید مرکب‌های سبز و آبی استفاده می شوند و پیگمنت های آزو که در مرکب‌های زرد و قرمز به کار می‌روند.
محمل مرکب که به آن بایندر، یا ورنی‌ نیز گفته می‌شود، به مواد رنگ‌بخش اجازه می‌دهد تا در یک فرم قابل چاپ روی سطح قرار گیرند. بایندرها بخشی از محمل هستند که اغلب شامل رزین‌هایی می‌شوند که پس از چاپ به همراه ماده رنگ‌بخش بر روی سطح باقی می‌مانند. گاهی افزودنی‌ها نیز به عنوان بخشی از بایندر در نظر گرفته می‌شوند. رزین ها، مواد پلیمری هستند. از انواع رزین های سنتزی می‌توان به رزین های اپوکسی، پلی آمید و آکریلیک اشاره کرد.
حلال به منظور حل کردن بایندر در مرکب استفاده می شود، علاوه بر این باعث تغییر ویسکوزیته آن نیز می‌شود. از حلال‌ها می‌توان زایلن، تولوئن، روغن های معدنی، الکل‌ها، استرها، کتون‌ها و آب را نام برد. در بسیاری از فرآیندهای چاپ و بسیاری از فرمولاسیون‌های مرکب‌ها، حلال با خشک شدن مرکب از آن خارج می‌شود. در بعضی از موارد مانند مرکب‌های پخت‌شونده با اشعه UV، حلال داخل فیلم مرکب باقی می‌ماند و بخشی از بایندر می‌شود.
افزودنی‌ها به طور معمول درصدهای بسیار کمی از فرمولاسیون مرکب را تشکیل می‌دهند. آنها به منظور تنظیم خواص مرکب و یا دادن یک ویژگی‌ به منظور افزایش کارآیی، به فرمولاسیون اضافه می‌شوند. مرکب می‌تواند حاوی افزودنی‌هایی مانند واکس، پلاستی‌سایزر، ضدکف، بهبوددهنده خواص تیکسوتروپیک، براق‌کننده، ضد پوسته، بهبوددهنده چسبندگی و خشک‌کن‌ها باشد.

مرکب های آب پایه

مرکب آب پایه ، مرکبی است حاوی رنگدانه و یا ماده رنگ‌بخش در یک سوسپانسیون کلوئیدی به همراه حلال آب است. اگرچه در مرکب‌های پایه آب، حلال اصلی آب است، ولی حلال‌های کمکی نیز ممکن است در سیستم وجود داشته باشند. این حلال‌های کمکی حاوی ترکیبات آلی فرار (VOC’S) هستند.
مرکب‌های آب پایه تقریبا از ۲۵۰۰ سال قبل از میلاد وجود داشته‌اند. اولین مرکب آب پایه، یک سوسپانسیون کربن در آب بود که برای نوشتن به‌کار می‌رفت و پایدار کردن آن با سفیده تخم مرغ و یا نوعی صمغ طبیعی انجام می‌شد. اگرچه مرکب‌های آب پایه به مدت ۴۵۰۰ سال وجود داشتند، ولی تا اواخر دهه ۱۹۶۰ به ندرت مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
مرکب‌های آب پایه دارای مشکلاتی هستند که مانع کاربرد وسیع آنها در مقایسه با مرکب‌های حلال پایه بوده است. در دهه ۱۹۷۰، کمبود منابع نفت خام و همچنین آگاهی‌ از تاثیرات زیان‌بار حلال‌های موجود در مرکب‌ها بر روی انسان و محیط زیست، باعث وضع قوانین جدیدی شد که صنعت چاپ را مجبور می‌کرد تا به فکر جایگزینی مانند مرکب‌های آب پایه باشد. هدف استفاده از مرکب‌های آب پایه نه تنها کاهش ترکیبات آلی فرار، بلکه حذف کامل مواد شیمیایی خطرناک از مرکب بود.

دسته بندی مرکب ها

هنگام دسته‌بندی و یا انتخاب مرکب برای هر روش چاپی معین، بعضی از خواص مرکب در نظر گرفته می‌شود. ویسکوزیته، قدرت چسبندگی به سطح، اندازه ذرات، رنگ و قدرت رنگی، زمان خشک شدن، مقاومت سایشی و براقیت از جمله این خواص هستند. تعیین این که آیا مرکب برای کاربرد معین مناسب است یا خیر، ممکن است به موارد دیگری مانند انتقال بو به سطح چاپ شده، باقی ماندن حلال در فیلم مرکب، خروج ماده رنگ‌بخش از فیلم مرکب، مقاومت در برابر گرما، مقاومت در برابر سرما و یا ویژگی‌های دیگری، بستگی داشته باشد.

خواص مرکب های آب پایه

همانند تمامی مرکب‌ها، مرکب‌های آب پایه نیز به منظور کاربرد خاص با ویژگی مورد نظر، فرموله می‌شوند. این موارد شامل نوع فرایند چاپ، سطحی که قرار است بر روی آن چاپ انجام شود، محیط چاپ، ساختار مرکب و رنگ مرکب است.
اصلی‌ترین ویژگی‌های مرکب‌های آب پایه، شامل ویسکوزیته، کشش سطحی، پایداری دیسپرسیون کلوئیدی، اندازه و شکل ذرات پیگمنت، پایداری در مقابل تنش، پایداری رنگی، کف کردن، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر آب، نقطه جوش، دما و PH آن است.
ویسکوزیته مرکب‌های آب پایه به روش‌های مختلف اندازه‌گیری می‌شود.

رئولوژی یک سیستم به چهار دسته تقسیم می‌شود:

نیوتونی،‌ غیرنیوتنی (شبه پلاستیک)، دیلاتانت و تیکسوتروپیک. در سیالات نیوتونی با اعمال نیروی برشی به سیستم، ویسکوزیته ثابت می‌ماند. در سیالات غیرنیوتنی و یا شبه پلاستیکی با افزایش تنش، ویسکوزیته کاهش می‌یابد. در سیال دیلاتانت با افزایش تنش ویسکوزیته نیز افزایش می‌یابد. جریان تیکسوتروپیک مشابه جریان غیرنیوتنی است، یعنی با افزایش تنش ویسکوزیته کاهش می‌یابد، با این تفاوت که جریان تیکسوتروپیک وابستگی به زمان نیز دارد. بسیاری از مرکب‌های آب پایه در دسته سیالات تیکسوتروپیک دسته‌بندی می‌شوند. شکل ۲ نشان‌دهنده ویسکوزیته مرکب‌های آب پایه است. به منظور تنظیم ویسکوزیته تا مقدار مورد نظر، می‌توان از یک غلظت‌دهنده پلیمری استفاده کرد.

کشش سطحی مرکب خواصی همچون کف کردن مرکب و ترکنندگی آن را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به توانایی مرکب در پوشش سطح، ترکنندگی گفته می‌شود. به طور کلی اگر کشش سطحی سطح چاپ‌شونده بالاتر از مرکب باشد، مرکب روی سطح پخش می‌شود. این موضوع به عنوان یک مشکل در مرکب‌های آب پایه مطرح است، زیرا کشش سطحی آب بسیار بالا و برابر mN/m 72 است. در حالی که اغلب مرکب‌های حلال پایه دارای کشش سطحی بین mN/m 35-20 هستند. به همین دلیل کشش سطحی مرکب‌های آب پایه از بسیاری از سطوح چاپی بالاتر است. به منظور حل این مشکل نوعی ماده فعال‌کننده سطح به مرکب اضافه می‌شود و یا با تمیز کردن سطح و روش‌های دیگر، سطح اصلاح می‌شود.

با افزودن ماده فعال‌کننده سطح به مرکب آب پایه، کشش سطحی کاهش، ولی تولید کف در مرکب افزایش می‌یابد. در این حالت برای جلوگیری از ایجاد کف باید به سیستم ماده ضدکف (مثل جامدات هیدروفوبیک یا اسیدهای چرب) اضافه کرد.
برای داشتن چاپ با کیفیت خوب،‌ مرکب باید پایداری کلوئیدی داشته باشد، به این معنی که مدت زمان انبارداری آن بالا باشد. در غیر این صورت بدون داشتن پایداری کلوئیدی پیگمنت در مدت زمان کوتاهی رسوب می‌کند و مرکب دیگر قابل استفاده نخواهد بود. دو روش برای افزایش پایداری مرکب‌های آب پایه وجود دارد، یکی افزودن ماده فعال‌کننده سطحی و/ یا افزودن نوعی پلیمر به فرمولاسیون مرکب. البته افزودن این مواد به سیستم می‌تواند تاثیرات منفی بر روی کاربرد مرکب و یا قدرت رنگی آن داشته باشد.

اندازه و شکل ذرات پیگمنت در مرکب روی ثبات رنگی، پایداری کلوئیدی، ویسکوزیته و خواص دیگر آن تاثیر مستقیم دارد. هر چه اندازه ذرات پیگمنت کوچک‌تر باشد، پایداری سیستم بیشتر می‌شود و قدرت رنگی و درخشندگی مرکب نیز بیشتر خواهد بود.

دما و PH مرکب‌های آب پایه در طول فرآیند چاپ باید کنترل شود، زیرا هر تغییر کوچکی در آنها باعث ضعیف شدن کیفیت چاپ می‌شود. تغییر در دما یا PH مرکب باعث تغییرات ناخواسته در کشش سطحی، ‌ویسکوزیته و پایداری کلوئیدی می‌شود. نقطه جوش مرکب و یا گرمای تبخیر مرکب عاملی مهم در تعیین میزان دما و زمان مورد نیاز برای خشک شدن مرکب است. یکی از مشکلات مرکب‌های آب پایه، بالا بودن گرمای تبخیر آب است. برای خشک شدن و تشکیل فیلم مرکب، نیاز است که تمام حلال خارج شود. گرمای تبخیر بالای آب نسبت به حلال‌های مشابه که در مرکب‌ها استفاده می‌شوند، باعث افزایش زمان و دمای مورد نیاز برای خشک شدن مرکب می‌شود.

مزایا و معایب مرکب‌های پایه آب

مرکب‌های آب پایه تا دهه ۱۹۸۰ به علت مشکلات زیادی که داشتند، مورد استفاده چندانی قرار نمی‌گرفتند. قبل از آن مرکب‌های آب پایه فقط برای سطوح متخلخل مثل کاغذ و مقوا- که نیاز به کیفیت و دقت بالای چاپ نداشتند- استفاده می‌شد. استفاده از مرکب‌های آب پایه توسط چاپخانه‌ها، آنها را ملزم به خرید دستگاه‌ها و تجهیزات جدید کرد. مرکب‌های آب پایه نیاز به افزایش سرعت خشک شدن داشتند و فقط روی سطوح خاصی قابل استفاده بودند و برای فلزات و سطوح پلاستیکی به کار نمی‌رفتند.

همچنین مرکب‌های آب پایه روی نوردهای دستگاه چاپ خشک می‌شدند که باعث تخریب همراه با کیفیت چاپ پایینی بودند، همچنین مقاومت ضعیف در برابر آب، مقاومت سایشی پایین و معایب دیگری نیز داشتند. با وارد کردن چند افزودنی به فرمولاسیون مرکب (مانند رزین‌های با وزن مولکولی بالا، واکس‌ها، عوامل فعال‌کننده سطح و مواد دیگر)، خواص فیزیکی مرکب‌های آب پایه به طور چشمگیری بهبود یافت. اگر چه در گذشته مرکب‌های آب پایه مشکلات زیادی داشتند، امروزه در مقایسه با مرکب‌های حلال پایه عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. قیمت پایین‌تر و آسیب‌های کمتر برای انسان و محیط زیست نیز از مزایای این مرکب‌ها است.

کاربرد

با توجه به پیشرفت چشمگیر مرکب‌های آب پایه طی چهل سال اخیر، این مرکب‌ها امروزه روی بسیاری از سطوح، حتی پلاستیک‌ها و فویل‌ها با کمک روش‌های آماده‌سازی سطوح مانند کرونا قابل استفاده هستند. مرکب‌های آب پایه برای چاپ روی کاغذ، مقوا و پارچه کاربرد بیشتری نسبت به فویل، پلاستیک و بسته‌بندی‌های غذایی دارند. یکی از بزرگترین کاربردهای مرکب‌های آب پایه که در دهه اخیر گسترش یافته، استفاده در پرینترهای جوهرافشان است. با افزایش تعداد کامپیوترهای خانگی، تقاضا برای پرینتر و همچنین جوهرهای جوهرافشان افزایش یافته است.

مرکب‌های آب پایه‌ای که در پرینترهای جوهرافشان استفاده می‌شدند، همانند مرکب‌های دیگر عمل کرده و روی سطح اعمال می‌شوند. مرکب روی سطح قرار می‌گیرد، پس از پخش بر روی سطح، تبخیر حلال شروع می‌شود. در حین تبخیر حلال، نفوذ نیز رخ می‌دهد تا مرکب به طور کامل خشک شود(شکل ۳). شکل ۴ نشان‌دهنده تصویر SEM از یک قطره مرکب از چاپگر جوهرافشان روی سطح کاغذ است. در حالی که در شکل ۵ قطره مرکب به سطح نفوذ کرده و حلال تبخیر شده است.

تولید مرکب آب پایه

تولید مرکب‌های آب پایه شامل یک اختلاط ساده است. پیگمنت، مواد افزودنی‌ و محمل به صورت جداگانه تولید می‌شوند. هنگام تولید پیگمنت‌ها، اندازه ذرات آنها بسیار بزرگتر از آن است که بتوان در مرکب از آن استفاده کرد. به همین دلیل پیگمنت‌ها آسیاب می‌شوند تا اندازه ذره آنها با توجه به قدرت رنگی، ضخامت پوشش و خواص مورد نیاز از پیگمنت، بین ۱۰ نانومتر تا ۵ میکرومتر شود.

سپس پیگمنت به همراه یک یا چند حلال با سرعت بالا مخلوط می‌شود که در مرکب‌های آب پایه بخش زیادی از حلال یا کل آن آب است. ماده فعال‌کننده سطحی و/ یا یک پلیمر به مخلوط اضافه می‌شود تا پایداری کلوئیدی ایجاد شود. سپس به منظور دستیابی به خواص مطلوب، افزودنی‌ها به مرکب اضافه می‌شود تا تولید مرکب جهت استفاده کامل شود.

فرمولاسیون مرکب‌های آب پایه

مرکب‌ها از ماده رنگ‌بخش، محمل، حلال و افزودنی‌ تشکیل شده‌اند. به نظر می‌رسد که بی‌نهایت فرمولاسیون برای مرکب‌های آب پایه وجود داشته باشد. هزاران نوع پیگمنت، رزین و افزودنی وجود دارد که در ترکیب‌های مختلف با نسبت‌های متفاوت استفاده می‌شوند تا خواص مورد نظر در مرکب ایجاد شود. برای مرکب‌های آب پایه به طور معمول ۶۰٪ آب و یا حلال‌های دیگر، ۲۰٪ رزین، ۱۵٪ ماده رنگ‌بخش و ۵٪ افزودنی به کار می‌رود.

نتیجه‌گیری

طی چهل سال اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در تکنولوژی سیستم‌های آب پایه ایجاد شده است. اگر چه این پیشرفت‌ها برای چند سال به کندی انجام شد، ولی گسترش تکنولوژی‌ مرکب‌های آب پایه همچنان ادامه خواهد داشت. در حال حاضر با توجه به نگرانی‌های زیست‌محیطی، هیچ سیستم جایگزینی برای مرکب‌های آب پایه وجود ندارد. امروزه با توجه به توسعه سیستم‌های الکترونیک و جایگزینی آنها به جای سطوح چاپی، استفاده از مرکب‌ها رو به کاهش است. ولی اگر جایی برای مركب در صنعت چاپ باشد، بیش از همه، مركب‌های پایه آب آن را اشغال می‌كنند.

منبع مطلب:‌ ماهنامه صنعت چاپ شماره ۳۶۵ (خرداد ۱۳۹۱ )

نویسنده: Matt Lichtenberger
ترجمه از: مهندس مجید كرمی
ویرایش فنی: مهندس مینا شفیعی