Progresso da pesquisa e análise de ligante de poliuretano à base de água

Atualmente, na indústria de embalagens e impressão, os filmes de poliolefinas ocupam o primeiro lugar nos materiais básicos de filmes de impressão e embalagem, como filme de polipropileno orientado biaxialmente (BOPP), filme de polietileno (PE), etc., seguido pelo tereftalato de polietilenoglicol. Filme de éster (PET), filme de náilon (PA), etc. As cadeias moleculares de poliuretano à base de água contêm mais grupos polares e têm alta tensão superficial. Portanto, as tintas WPU são adequadas para revestimento superficial de substratos altamente polares, como PET e PA. O BOPP, como importante substrato de impressão, possui menor energia superficial, portanto o WPU é difícil de molhar em sua superfície, resultando em baixa qualidade de impressão [2-4].

A fim de melhorar a aplicabilidade da tinta WPU ao substrato do filme BOPP, os principais métodos utilizados atualmente são: Primeiro, o tratamento de superfície, como tratamento corona e tratamento de revestimento, é realizado no filme antes da impressão, e grupos polares, como carboxila e hidroxila grupos são introduzidos na superfície. , para aumentar a tensão superficial do filme BOPP, melhorando assim a molhabilidade e adesão da tinta WPU; segundo, adicionar promotores de adesão à tinta à base de água, como silicone, polipropileno clorado, etc., pode reduzir a adesão da tinta à base de água. Tensão superficial. A terceira é projetar cuidadosamente a estrutura molecular do WPU para reduzir o conteúdo de grupos polares e a tensão superficial em sua cadeia molecular para atingir o objetivo de melhorar sua qualidade de impressão em filmes de BOPP. Este é um dos métodos mais pesquisados ​​atualmente.

O silicone tem as vantagens de baixa energia superficial, boa biocompatibilidade, alta estabilidade térmica e resistência ao oxigênio, e tem sido amplamente utilizado na modificação de materiais de poliuretano [5]. Li et al. [6] estudaram a modificação da mistura e a modificação in-situ da emulsão de WPU com poliorganossiloxano e descobriram que o uso do método de mistura física pode reduzir de forma mais eficaz a energia superficial do WPU. Aproveitando a baixa energia superficial dos compostos contendo flúor, a introdução de grupos contendo flúor em moléculas de poliuretano à base de água pode efetivamente reduzir a energia superficial do poliuretano à base de água e melhorar a hidrofobicidade. Por exemplo, Xu et al. [7] realizaram a modificação da hidroxilação do metacrilato de dodecafluoroheptil (DFHMA) para sintetizar EDFHMA, depois reagiram com lactido alcoolizado para sintetizar glicol contendo flúor (PLPF) e depois reagiram com hexametileno diol. O poliuretano foi preparado por reação de isocianato (HDI). Comparado com o grupo controle, a energia superficial do WPU contendo EDFHMA diminuiu quase 20 mN/m. Além disso, estudos relevantes mostraram que o enxerto de longas cadeias laterais de gordura na cadeia molecular de WPU também pode reduzir a tensão superficial de WPU, e durante o processo de formação de filme de WPU, longas cadeias laterais de gordura se agregarão à superfície do filme, o que é benéfico à interação com materiais de baixa polaridade. Um efeito de compatibilidade semelhante ocorre no filme BOPP, o que melhora a adesão do WPU na superfície do filme BOPP. Com base nisso, Zhang et al. [8] usaram poliéster poliol líquido BY3003 com longas cadeias alifáticas ramificadas para preparar látex WPU adequado para impressão de filme BOPP. BY3003 faz com que a tensão superficial do látex preparado não exceda 43 mN/m, enquanto a tensão superficial do látex WPU tradicional excede 55 mN/m. Portanto, a resistência ao descascamento em T das tintas feitas a partir desses látex é superior a 0,8 N/15 mm.

Além disso, o grau de extensão pós-cadeia, o teor de ácido dimetilol butírico e a razão molar NCO/OH também têm um impacto significativo nas propriedades do látex e do filme do WPU, especialmente na resistência ao descascamento T da tinta correspondente. Ao otimizar esses fatores, foi obtida uma emulsão de poliuretano à base de água com uma tensão superficial tão baixa quanto 39,6 mN/m e uma solidez de adesão a filmes de BOPP superior a 95%, com uma correspondente resistência ao descascamento T da tinta tão alta quanto 2,05 N/ 15 mm [ 8] .

A impressão a jato de tinta tornou-se um método de produção essencial, e a pesquisa sobre dispositivos de saída e tintas de impressão também continua a se aprofundar. A capacidade de impressão de uma tinta está relacionada às propriedades de transferência e umectação, como viscosidade, tamanho de partícula e tensão superficial, e as propriedades de revestimento estão relacionadas às propriedades mecânicas, dureza e resistência ao envelhecimento. Para obter tinta WPU com excelente desempenho, Wang et al. [9] usaram um método de polimerização em emulsão com WPU como semente para sintetizar emulsões de núcleo-invólucro WPUA com diferentes conteúdos de metacrilato de metila (MMA). À medida que o conteúdo de MMA no WPUA aumenta, o tamanho médio das partículas e o ângulo de contato do WPUA aumentam, e a resistência ao calor e a dureza do revestimento WPUA são melhoradas. As tintas para impressão a jato de tinta preparadas com emulsão WPUA como resina base apresentam boa capacidade de impressão. Yin et al. [10] usaram diisocianato de isoforona (IPDI), poliol, ácido dimetilol butírico (DMBA) e 3,5-dimetilpirazol (DMP) como matérias-primas para sintetizar uma série de blocos de poliuretano à base de água (BWPU). O BWPU terminado em DMP possui boa fluência de jato de tinta e solidez de cor e tem grande potencial em aplicações industriais de impressão digital a jato de tinta.

A impressão 3D, também conhecida como tecnologia de fabricação aditiva, é a tecnologia de moldagem mais representativa na produção inteligente atual. Tem as vantagens de forte processabilidade e alta eficiência. Pode ser customizado de acordo com diferentes necessidades e é adequado para processamento de equipamentos com estruturas complexas. Na fabricação, tem amplas perspectivas de aplicação nas áreas aeroespacial, fabricação de equipamentos offshore e biomedicina. Em comparação com os poliuretanos tradicionais, a maioria dos WPUs tem propriedades mecânicas, propriedades reológicas, estabilidade térmica e condutividade elétrica ruins, e tem baixa resistência à hidrólise em ambientes úmidos. Para superar as deficiências acima, cargas inorgânicas como nanotubos de carbono, argila ou grafeno são geralmente introduzidas na matriz WPU para formar híbridos orgânicos-inorgânicos, melhorando assim o seu desempenho [11-13].

Vadillo et al. [14-15] melhoraram o desempenho da nova tinta de poliuretano ureia (WBPUU) à base de água de policaprolactona-polietilenoglicol (PCLPEG) na escrita direta 3D, adicionando nanocristais de celulose (CNC) in situ como um modificador de reologia. Propriedades na tecnologia de impressão que podem melhorar a capacidade de impressão e a fidelidade da forma das estruturas 3D, bem como melhorar a estabilidade mecânica e térmica das peças resultantes.

Chen et al. [16] desenvolveram um método de síntese in-situ para modificar WPU (WPUCNF) usando nanofibrilas de celulose (CNF) para melhorar sua capacidade de impressão. A adição de CNF durante o processo de emulsificação reduz o tamanho das nanopartículas de WPU e aumenta a viscosidade da suspensão. Além disso, CNF adicional foi adicionado para preparar tinta composta WPUCN/CNF, que mostrou excelente capacidade de impressão em vários formatos de estruturas de impressão, como favos de mel, pilhas de madeira ou orelhas humanas.

As deficiências inerentes ao poliuretano, como alto ponto de fusão e baixa taxa de degradação, dificultam sua aplicação na engenharia de tecidos de impressão 3D. Diante disso, Feng et al. [17] desenvolveram um poliuretano à base de água biodegradável modificado com aminoácidos (WBPU) imprimível em 3D usando um processo químico verde à base de água. Ao controlar o conteúdo do extensor de cadeia hidrofílica, o bloco impresso apresenta degradação controlável e não provoca acúmulo de produtos ácidos. Prevê-se que possa ser usado como um material biológico alternativo para engenharia de tecidos.

Atualmente, os métodos de impressão 3D só podem criar objetos estáticos e não envolvem quaisquer alterações funcionais nas propriedades intrínsecas ou extrínsecas, enquanto a impressão 4D é definida como o uso da tecnologia de impressão 3D para criar materiais com estruturas ativas que respondem a forças externas como calor, magnetismo ou luz. Estimulado, o material é capaz de mudar ao longo do tempo para alterar a forma impressa em 3D. Existem dois tipos principais de materiais poliméricos usados ​​para impressão 4D: hidrogéis responsivos e polímeros com memória de forma (SMP). Entre vários SMPs, o poliuretano apresenta uma variedade de propriedades que o tornam um excelente candidato para impressão 4D. Por exemplo, em 2019, Su et al. [18] estudaram a formação de compósitos à base de revestimento de poliuretano à base de água como precursores de impressão 4D, adicionando nanopartículas de carboximetilcelulose (CMC) e óxido de silício (SiO2) ao revestimento.

A modelagem por deposição fundida (FDM) é um método de prototipagem rápida usado em impressoras 3D. A fim de preparar materiais WPU com excelentes propriedades abrangentes e utilizá-los para proteção de superfície de produtos de impressão FDM. A fim de melhorar simultaneamente as propriedades mecânicas e a impermeabilidade da membrana WPU, Zhang Jing et al. [19] usaram polimerização in-situ e fluoração de superfície para preparar uma membrana composta de nanotubo de haloisita/poliuretano à base de água (AHNTs/WPU). O ângulo de contato com a água aumentou. Tão grande quanto 114,5°, apresenta melhor hidrofobicidade. Um filme composto WPU é formado na superfície do FDM. Resultados experimentais mostram que pode melhorar a impermeabilidade e as propriedades mecânicas da amostra e tem um efeito óbvio de proteção de superfície.

Recentemente, Zheng Ling et al. [20] usaram o agente de acoplamento de silano KH550 para realizar a modificação funcional da ligação covalente do negro de fumo (CB), obtiveram CB modificado com KH550 e prepararam materiais compósitos KH550/CB/WPU. A adição do CB melhora significativamente a estabilidade térmica do WPU. O teor de CB modificado foi selecionado em 3% para a preparação de tinta de impressão 3D. Em comparação com outros produtos que não sejam de impressão 3D, suas propriedades condutoras foram melhoradas em 1 a 2 ordens de grandeza.

Além disso, em comparação com as macromoléculas lineares tradicionais, a estrutura esférica tridimensional dos polímeros hiperramificados possui grupos terminais abundantes e menor viscosidade, o que pode fornecer mais locais de modificação [21] e, portanto, é amplamente utilizado em aplicações ópticas. Revestimentos curados, resina fotossensível para impressão 3D e outros campos. Zhang Dongqi et al. [22] prepararam acrilato de poliuretano hiper-ramificado à base de água esterificando poliol poliéster hiper-ramificado contendo 16 grupos hidroxila terminais com anidrido succínico e reagindo com o grupo isocianato de isocianato etil acrilato para introduzir ligações duplas. Em seguida, usando-o como resina de matriz, uma série de resinas fotossensíveis à base de água para impressão 3D foram preparadas, combinando-as com os monômeros diluentes reativos acriloilmorfolina e diacrilato de polietilenoglicol. Os dispositivos de impressão 3D preparados possuem melhores propriedades de impressão. Precisão.