حلال های آلی در صنعت چاپ و بسته بندی

مباني انتخاب حلال در صنعت چاپ و بسته بندي شباهت بسياري به مباني مطرح شده در صنعت رنگ و رزين دارد اما به طور كلي حلال هايي كه در صنعت چاپ استفاده مي شوند تفاوتهايي با صنعت رنگ و رزين دارند چرا كه پوشش دهي در سيستم هاي چاپ بصورت مكانيزه اما در پوشش دهي رنگ عموما بصورت دستي يا پاششي انجام مي گردد.

معیارهای انتخاب حلال در صنعت چاپ و بسته بندی:

1) قدرت حلال

مهمترين عامل تعيين كننده انتخاب حلال در صنعت چاپ و بسته بندي قدرت حلاليت حلال مورد نظر است. معيار قدرت حلاليت حلال چاپ با معيار قدرت حلاليت حلال رنگ و رزين متفاوت است و صرفاً معياري بر مبني ميزان حل نمودن رزين يا ماده اي خاص در حلال مورد نظر نيست. در چاپ بر روي اجسام يكي از الزامات جوهر، قابليت تشكيل فيلم در حين ويسكوزيته پايين است، به طوريكه حلال مورد نظر به طور كامل از فيلم تشكيل شده تبخير شود. در مخلوط حلال-پليمر با غلظت بالاي پليمر، هرچه مخلوط ويسكوزيته كمتري داشته باشد قدرت حلال بيشتر است كه بر اين مبني و بر اساس شرايط فيزيكي و پليمر يكسان مي توان قدرت حلاليت حلال هاي مختلف را با يكديگر مقايسه نمود. بالعكس در مخلوط هاي با غلظت پايين پليمر، قدرت حلال بر عكس و هرچه ويسكوزيته اين مخلوط بيشتر باشد قدرت حلال بيشتر است.

2) نرخ تبخیر حلال

پس از قدرت حلال مهمترين معيار انتخاب حلال مناسب نرخ تبخير آن است.در فرايند هاي چاپ ليتوگرافي و لترپرس استفاده از حلال هاي دير تبخير(سنگين) لازم است؛ كنترل نرخ تبخير در جوهر هايي كه با تبخير حلال خشك مي شوند الزامي است.  نرخ تبخير تركيب حلال هاي آلي با جوهر، بسته به دما و تركيب درصد مواد جوهر و حلال متغيير است. همچنين بسته به تداخل بين ملكولي حلال ها و اجزا تشكيل دهنده مركب چاپ، فراريت نسبي حلال ها  تغيير مي كند. فراريت يك حلال يا مخلوط حلال نيز بر اساس فشار بخار حلال در دماي خاص و همچنين گرماي نهان تبخير آن حلال سنجيده مي شود. جوهر چاپ معمولا به دو روش گرما دهي يا در محيط باز خشك مي شوند كه مخلوط حلال هايي كه براي جوهر انتخاب مي شود براي هر دو روش متفاوت است. در فرمولاسيون حلال چاپ دو فاكتور اساسي در تنظيم نرخ تبخير تاثير گذارند؛

۱-آزئوتروپ بين اجزاء مخلوط؛ در صورتي كه حلال هاي موجود در تينر چاپ با يكديگر تشكيل آزئوتروپ بدهند دمايي كه تينر در آن تبخير مي شود و نرخ تبخير نهايي و فشار بخار حاصله در طول تبخير ثابت و از يكايك اجزاء بصورت خالص كوچكتر است. براي مثال در تركيب تولوئن و متانول با وجود اينكه دماي جوش متانول ۶۶ درجه سانتيگراد و تولوئن ۱۱۰ درجه سانتيگراد است در تركيب آزئوتروپيك مشخص با نسبت ۳۰/۷۰ تركيب در فشار بخار و دماي جوش ثابت كمتر از متانول تبخير مي شود؛ دماي جوش تركيب آزئوتروپيك تولوئن و متانول ۶۳٫۷ درجه سانتيگراد يعني حدودا ۲٫۳ درجه پايينتر از سبك ترين جزء مخلوط يعني متانول است. آزئوتروپ بين حلال ها در تنظيم فرمولاسيون تينر چاپ نه تنها محدوديت نيست بلكه فرصت مناسبي براي تنظيم قيمت، قدرت و حلاليت مخلوط حلال با تركيب كردن حلال هاي مختلف است به طوريكه در نهايت محصول نرخ تبخير و فلش پوينت ثابت داشته باشد. از سوي ديگر در نظر گرفتن اين موضوع كه تشكيل آزئوتروپ بين حلال ها به معني اينست كه به احتمال زياد ضايعات حاصله را نمي توان تا گريد هاي با خلوص بالا بازيافت نمود نشان مي دهد كه پرهيز از تشكيل آزئوتروپهاي چند گانه و تعدد زياد اجزاء تشكيل دهنده فرمولاسيون مي تواند موجب بازيافت ساده تر ضايعات و در نتيجه كاهش هزينه شود.

۲-بالانس مخلوط؛ بالانس مخلوط به معني اين است كه با تبخير مخلوط حلال تركيب درصد مخلوط در فاز مايع تغيير نكند. در مخلوط هايي كه صرفاً يك آزئوتروپ حضور دارد بالانس حلال نيز وجود دارد اما در صورتي كه جزئي در مخلوط بيشتر از نسبتهاي آزئوتروپيك باشد پس از اتمام تبخير مخلوط آزئوتروپيك، ماده خالص شروع به تبخير نموده كه باعث تغيير در فشار بخار و نرخ تبخير و همچنين از بين رفتن بالانس مي شود. در بسيار از فرايند هاي چاپ نيازي به تنظيم فرمولاسيون روي آزئوتروپ يا بالانس خاصي نيست و لازم است كه تبخير حلال مراحل مختلف داشته باشد. براي مثال از حلال هاي نسبتاً سنگين با نرخ تبخير بسيار پايين جهت افزايش پايداري جوهر تحت فشار چاپ پرس استفاده مي شود كه تا مراحل نهايي تثبيت جوهر تبخير نمي شود درحالي كه بخشي از مخلوط حلال در مراحل اوليه فرايند تبخير مي شود.

حلال هايي كه در صنعت چاپ استفاده مي شوند، بر اساس گروه عاملي به ۵ دسته اصلي تقسيم مي شوند؛

حلال هايي كه در صنعت چاپ استفاده مي شوند، بر اساس گروه عاملي به ۵ دسته اصلي تقسيم مي شوند؛

1) حلال های هیدروکربنی

هيدوركربن هاي آليفاتيك سبك: هيدروكربنهاي آليفاتيك طي فرايند تقطير جزء به جزء نفت خام توليد مي شوند كه در انواع فرايند هاي چاپ بخصوص چاپ گراوور، فلكسوگرافيك و اسكرين پرينت استفاده مي شوند. اين نوع حلال ها هم بصورت تجاري با ظرفيت بسيار بالا و با كد مشخص پالايشگاهي و هم بصورت اختصاصي توسط توليد كنندگان خصوصي با مشخصات توافقي توليد مي شوند. حلال هاي هيدروكربني آليفاتيك را مي توان در بازه هاي تقطير بسيار كوچك تا ۱۰ درجه سانتيگراد اختلاف بين نقطه شروع جوش و نقطه پايان جوش و يا با دامنه تقطير بزرگ با اختلاف نقطه جوش ۱۵۰ درجه سانتيگراد توليد نمود. حلال هاي آليفاتيك سبك بسته به درصد آروماتيك به طور عمده حلال مناسبي براي رزين هاي استر گام، رزين هاي هيدروكربني، روزين و رزينيت هستند.

وايت اسپيريت-حلال ۴۰۲ و نفت بي بو: اين حلال كه نسبتاً دامنه سنگين تقطير نفت از حدود ۱۴۰ تا ۲۶۰ درجه سانتيگراد است قيمت بسيار مناسبي دارد و براي مصارف رقيق كنندگي و شست و شو ايده آل است. از اين حلال به مقدار زياد در صنعت چاپ استفاده مي شود كه بيشترين مصرف آن شست و شوي تجهيزات چاپ و پاتيل هاي مركب است اما به عنوان حلال در برخي فرمولاسيون هاي مركب اسكرين استفاده مي شود اما براي چاپ گراوور نرخ تبخير كم و براي لترپرس نرخ تبخير زياده از حد دارد. در ايران نوعي از اين حلال كه درصد سولفور و آروماتيك پايين تري دارد با نام نفت بي بو به فروش مي رسد و نوع پالايشگاهي آن تحت عنوان حلال ۴۰۲ با ميزان آروماتيك تا ۲۵% بصورت تجاري و با حجم بالا توليد مي شود.

هيدروكربن هاي آليفاتيك سنگين-پارافين ها: پارافين كه از دامنه تقطير كوچكتر(بين ۲۰ تا ۴۰ درجه) و بسيار سنگين در محدوده جوش ۳۰۰ درجه به بالا تهيه ميشود را پارافين مي نامند. پارافين از پر كاربرد ترين حلال ها در چاپ لترپرس و ليتوگرافي است. بدليل نرخ تبخير بسيار پايين از اين حلال براي كنترل نرخ تبخير و افزايش خاصيت پايداري تحت پرس در چاپ هاي اوفست و هيتست استفاده مي شود. پارافين مايع در گريدهاي مختلف بصورت تجاري در كشور توليد مي شود كه عمدتاً ميزان آروماتيك و مواد غير پارافيني در آنها كمتر از ۱% وزني است.

هيدروكربنهاي آروماتيك: تولوئن و زايلن از پر كاربردترين حلال هاي آروماتيك در صنعت چاپ هستند. تولوئن به ميزان زيادي در مركب هاي گراوور استفاده مي شود و زايلن به دليل نرخ تبخير پايين تر از تولوئن در فرمولاسيون مركب كمتر استفاده مي شود اما به دليل قدرت انحلال بالا براي شست و شوي تجهيزات بخصوص در قسمتهايي كه مركب خشك شده در دستگاه باقي مانده مناسب است. تولوئن حلال لاستيك معمولي و كلردار، ملامين، فرمالدهيد اوره، رزين فنوليك، ايتل سلولز، رزينيت، استر گام ، پلي وينيل استات و رزين هاي پلي استايرن است. زايلن حلاليت مشابه تولوئن با استثناء پلي وينيل استات دارد.

2) الکل ها

اتانول؛

اتانول در صنعت چاپ بطور وسيع در چاپ گراوور و فلكسوگرافي استفاده مي شود. اتانول مورد استفاده در صنعت چاپ به طور معمول اتانول مطلق نيست و حاوي ميزان مشخصي آب و مواد تلخ كننده است. برخي توليد كنندگان كه بطور اختصاصي براي چاپخانه ها و توليد كنندگان مركب چاپ اتانولي توليد مي كنند كه از گريد هاي معمول بازار متفاوت اند. پر كاربردترين آنها اتانول ۹۵٫۵% است كه حاوي ۴% وزني متانول و ۱٫۵% آب است. اتانول همچنين در ايران در دو گريد طبي ۹۶% و صنعتي۹۱-۹۳% بصورت تجاري توليد مي شود كه چاپخانه ها از هر دو نوع اتانول به عنوان حلال استفاده مي كنند اما اتانول صنعتي با خلوص ۹۳% بدليل قيمت پايين تر و عدم نياز به مجوز سازمان غذا و دارو در ميان چاپخانه ها محبوبيت بيشتري دارد.

ايزوپروپيل الكل؛

ايزوپروپيل الكل در دو گريد تكنيكال(۹۹٫۸%) و ريكاوري(۸۰-۹۵%) در بازار ايران موجود است. ايزوپروپيل الكل خواص حلاليت بسيار مشابه اتانول دارد، به هر نسبتي با آب حل مي شود و مهمترين كاربرد آن به عنوان هم حلال به همراه حلال هاي كتوني و استري است كه هم باعث كمك به قدرت حلاليت و همچنين كاهش قيمت مخلوط مي شود. ايزوپروپيل الكل حلال بسياري از رزين هاي سنتزي و طبيعي شامل، شلاك، روزين، استر گام، فنوليك رزين، آمينو رزين، پلي وينيل استات و پلي وينيل بوتيرات است. ايزوپروپيل الكل همچنين در كنار حلال هاي هيدروكربني مخلوط خوبي براي انحلال رزين هاي پلي آميدي است.

نرمال پروپانول؛

نرمال پروپانول حلالي كمي سنگين تر از ايزوپروپيل الكل و يا اتانول است كه در مخلوط هايي كه اين دو حلال نرخ تبخير زيادي دارند با نرمال پروپانول مي توان نرخ تبخير را كمي كاهش داد. نرمال پروپانول همچون الكلهاي سبك ديگر در صنعت چاپ فلكسوگرافي و رتوگراوور زياد استفاده مي شود و قدرت حلاليت مشابه ايزوپروپيل الكل دارد.

3) گلایکول ها

منواتيلن گلايكول؛

منواتيلن گلايكول يك حلال بدون رنگ و بدون بو با ويسكوزيته نسبتاً بالا است كه به هر نسبتي با آب و حلال هاي استري و الكلي و با برخي كتوني ها حل مي شود.اين حلال در مركب هاي   moisture-setو water reducible در چاپ لترپرس استفاده مي شود. منواتيلن گلايكول حلال ژلاتين، رزين هاي فوماريك و مالئيك است.

دي اتيلن گلايكول؛

اين حلال از منواتيلن گلايكول خاصيت آبدوستي و ويسكوزيته بيشتري دارد و با آب، الكلها، استر ها و گلايكول اترها به هر نسبتي حل مي شود. اين حلال بوي نسبتاً كمي دارد و همچنين در كاربردهاي مشابه منو اتيلن گلايكول از خود پايداري بهتري زير پرس نشان مي دهد چرا كه نرخ تبخير كمتري دارد.

منوپروپيلن گلايكول؛

منوپروپيلن گلايكول يك حلال بدون بو و رنگ با خصوصيات كاملا مشابه منواتيلن گلايكول است با اين تفاوت كه سمي نيست و مي توان از آن در چاپ بسته بندي مواد غذايي و دارويي استفاده نمود.

گليسيرين؛

گليسيرن يك مايع ويسكوز بدون رنگ و با بوي كم و شيرين مزه است كه بسيار آبدوست است و قابليت جذب مقادري زيادي آب در خود دارد. گليسيرين در آب، الكل، گلايكول ها و كتونها و همچنين روغنها و چربي ها حل مي شود. بطور خاص از گلسيرين در توليد مركبهاي لترپرس پايه آب و در غلطتك هاي ژلاتيني استفاده مي شود.

4) کتون ها

استون؛

استون يكي از پر كاربردترين حلال هاي آلي است اما در صنعت چاپ به دليل نرخ تبخير بسيار بالا و اشتعال آور بودن آن و همچنين قيمت نسبتاً بالا كمتر استفاده مي شود. به مقدار كمي از استون در توليد مركب هاي فلكسوگرافي و گراوور سريع خشك شونده استفاده مي شود اما به طور كلي حتي در كاربردهايي كه نرخ تبخير بالا اهميت دارد استفاده از جايگزين استون يعني حلال متيل استات ارجحيت دارد. با اين حال بدليل قدرت حلاليت فوق العاده استون در بسياري از رزين ها مي توان از آن در تينر هاي شست و شوي تجهيزات استفاده نمود. استون حلال خوبي براي رزين هاي، سلولز استات، نيتروسلولز، اتيل سلولز، پلي وينيل استات، پي وي سي، صمغ استري و رزين سلولز استات بوتيرات است.

متيل اتيل كتون يا به اختصار MEK؛

MEK به دليل اينكه نرخ تبخير بسيار كمتري از استون دارد در صنعت چاپ گراوور به خوبي قابل استفاده است. MEK كمتر از استون قطبي است لذا به نسبت جزئي در آب حل مي شود و با كليه حلال هاي آلي و مواد نفتي امتزاج پذير است. قدرت حلاليت MEK تقريباً شبيه استون است به استثناء رزين سلولز استات كه MEK قادر به حل كردن آن به خوبي نيست. MEK‌ از نظر خواص فيزيكي بسيار شبيه به اتيل استات است و قابليت جايگزيني اتيل استات را در فرمولاسيون تينر هاي نيتروسلولز دارد؛ هرچند كه MEK به دليل توليد محدود در ايران (توليد فقط توسط شركت شيمي تكس آريا انجام مي گيرد) قيمت بالاتري از اتيل استات دارد همچنين اتيل استات از نظر محيط زيستي سالم تر و بوي ملايم تري دارد.

متيل ايزوبوتيل كتون يا MIBK؛

اين حلال كتوني كه تقريباً در آب نامحلول است حلال خوبي براي بسياري از رزين ها و پليمر هاست و نرخ تبخير آن در حدود يك هشتم استون است.  MIBK در توليد مركب چاپ گراوور و اسكرين استفاده مي شود.

5) استرها

متيل استات؛

متيل استات سبك ترين استر تجاري است كه در صنعت چاپ استفاده مي شود. از نظر حلاليت و خواص فيزيكي بسيار شبيه كتون متناظر خود يعني استون است و كاربردهاي آن نيز شبيه به استون است. متيل استات به دليل نرخ تبخير بسيار بالا در توليد جوهر هاي سريع خشك شونده فلكسوگرافي و روتوگراوور به كار مي رود و همچنين به دليل قدرت انحلال بالا در بسياري از رزين ها به عنوان حلال شست و شوي ارزان قيمت نيز قابل استفاده است. در ايران متيل استات در گريد هاي مختلف توليد و در بازه خلوص ۸۰% تا ۹۹% عرضه مي شوند. قيمت متيل استات در بهار ۹۷ حدوداً يك سوم قيمت استون در بازار تهران معامله مي شود.

اتيل استات؛

اتيل استات از بهترين حلال هاي رزين نيتروسلولز است. اتيل استات به خوبي با كليه حلال هاي آلي حل مي شود و به نسبت جزئي آب را در خود حل مي كند. در چاپ فلكسوگرافي، فوتوگراوور و فرمولاسيون لاك به عنوان حلال زود تبخير استفاده مي شود كه براي افزايش قدرت حلاليت آن مقداري اتانول به آن اضافه مي شود.اتيل استات نرخ تبخير كمي كمتر از استون و تقريباً برابر MEK دارد.

نرمال بوتيل استات؛

بوتيل استات مهمترين حلال استري استفاده شده در صنعت چاپ و رنگ و رزين است. ميزان بسيار كمي آب در بوتيل استات حل مي شود اما تمامي روغنها و حلال هاي آلي به راحتي در بوتيل استات حل مي شوند. بوتيل استات به مقدار كمي در جوهر هاي فلكسوگرافي، گراوور و اورپرينت حضور دارد.به دليل نرخ تبخير مناسب و قدرت حلاليت خوب در زمان تبخير فيلم بسيار براق و شفافي به جاي مي گذارد. بوتيل استات حلال خوبي براي رزين هاي نيتروسلولز، هيدروكربني، روزين، صمغ استري، لاستكي كلر دار، وينيل ها، پلي استايرن و اكريلات هاست. همچنين مخلوط ۲۰% بوتانول با ۸۰% بوتيل استات حلال شلاك و برخي رزين هاي آلكيدي است.

بازيافت ضايعات حلال هاي‌ آلي در صنعت چاپ

در صنعت چاپ انواع مختلفي از حلال هاي آلي به حالت خالص يا مخلوط در كاربردهاي مختلف از جمله رقيق سازي جوهر، خيس كردن غلطتك ها و پرس ها، حل كردن رزين يا شست و شوي تجهيزات استفاده مي شود.حلال هايي كه در صنعت چاپ جهت شست و شوي تجهيزات استفاده مي شوند به طور عمده حاوي مخلوطي از حلال هاي فعال، كمك كننده و رقيق كننده اند كه به طور معمول شامل كتونها، استرها، الكلها و هيدروكربنهاست. در حال حاضر دستگاههاي چاپ زيادي بخصوص دستگاههاي Heat-press print كه از حرارت براي خشك كردن جوهر استفاده مي كنند سيستم جمع آوري بخارات حلال دارند كه مي توانند حلال را بصورت on-site بازيافت كنند؛ اما حلال هايي كه براي شست و شوي تجهيزات استفاده مي شوند را نميتوان با تجهيزات چاپ بازيافت نمود و نياز به تجهيزات ريكاوري حلال جداگانه است. مخلوط حلال هاي چاپ و بسته بندي ضايعاتي را مي توان به بازيافت بدون تغيير فرمولاسيون مجدداً به عنوان حلال شست و شو استفاده نمود. در شركت صنايع شيميايي سبز پارسيان به بهره بري از تكنولوژي تبخير كننده لايه نازك و مسير كوتاه امكان تبخير تا بيش از ۹۵% حلال موجود در تركيبات حلال-رنگ بدون تغيير در فرمولاسيون اوليه امكان پذير است و بصورت روتين انجام ميگردد.