Плівкоутворювальні речовини

Плівкоутворювальні речовини – це речовини, що утворюють на поверхні міц- ну плівку. Плівкоутворювальними речовинами для виготовлення в’яжучих речовин поліграфічних фарб є рослинні олії, алкідні полімери, мінеральні масла, каніфоль та її похідні, лаковий бітум. Важливою тенденцією розвитку в’яжучих речовин друкар- ських фарб останнім часом є розширене використання рослинних олій замість тра- диційних мінеральних масел, що пояснюється підвищеними вимогами до екологіч- ної чистоти матеріалів, збереженням невідновлюваних природних ресурсів, зменше- нням залежності від імпортної сировини (нафти та нафтопродуктів).

Рослинні олії добре змочують пігменти й утворюють плівку, що підвищує блиск відбитків та їхню стійкість до стирання. За швидкістю плівкоутворення росли- нні олії поділяють на висихальні, напіввисихальні та невисихальні.

Висихальні олії, наприкладльняна, тунгова, талова, здатні піддією кисню, ут- ворювати тонкий шар нелипких, міцних, еластичних плівок.

Напіввисихальні олії, наприклад, соняшникова, бавовняна за нормальних умов висихають повільніше й утворюють менш міцні, дещо липкі плівки.

Невисихальні олії, наприклад, рицинова, у звичайних умовах зовсім не утво- рюють плівки.

Для виробництва друкарських, малярних та інших фарб, як плівкоутворюваль- ні речовини, здавна використовували висихальні олії. За хімічним складом вони яв- ляють собою суміш складних ефірів гліцерину та різних жирних кислот. Швидкість утворення плівки та її якість залежать від наявності лінолевої, ліноленової елеосте- ринової кислот. Для кількісної характеристики їх вмісту використовують йодне чис- ло або кількість йоду в грамах, що сполучається з 100 г олії.

Йодне число вказує на відносну наявність функціональних подвійних зв’язків, відповідно на здатність олії швидко полімеризуватися, наприклад при висиханні.

Хімічні властивості рослинних олій характеризуються такими показниками: кислотним числом і числом омилення.

Кислотне число вказує на вміст в олії вільних жирних кислот, характеризує її свіжість (стара прогіркла олія має підвищену кислотність).

Число омилення вказує на якість рослинних олій, відсутність у них побічних нежирних домішок.

Для загущення рослинні олії піддають термічній полімеризації, а при висихан- ні – окислювальній полімерізації.

Термічна полімеризація – це приготування з рослинної олії природної оліфи. Льняну олію повільно нагрівають до 290°С і витримують при цій температурі пев- ний час. Відбувається процес термічної полімеризації, подвійні зв’язки молекул олії розриваються, молекули сполучаються й збільшуються. Залежно від часу витриму- вання льняної олії при температурі 290°С природна оліфа має різну в’язкість. Рідку природну оліфу використовують для зниження в’язкості фарб, підвищення міцності плівки та її еластичності при закріпленні відбитків, окрім цього вона надає фарбам однорідності та стабільності

Окислювальна полімеризація – це складний хімічний процес плівкоутворення, висихання олії, при якому атоми кисню ніби "зшивають" молекули льняної олії за місцем подвійних зв’язків жирних кислот. Процес окиснювальної полімеризації при- скорюють світло, тепло, кисень й особливо сикативи – каталізатори процесу поліме- ризації олій та оліф. Єдність дії цих факторів забезпечує надійне та своєчасне зак- ріплення відбитків фарб. Наприклад, на повітрі в темноті льняна олія утворює на по- верхні плівку протягом двох місяців, при освітленні – за шість – сім діб, у присут- ності каталізатора (сикативу) – за шість – вісім годин, при нагріванні до температу- ри 100°С – приблизно за одну годину.

Тривалий час рослинні олії та природну оліфу вважали найкращими в’яжучи- ми речовинами для друкарських фарб. Однак процес утворення плівки відбувається дещо повільніше й не відповідає швидкості друкування на сучасних машинах. Сьо- годні все частіше використовують синтетичні алкідні та інші синтетичні оліфи й смоли.

Алкідні оліфи (термін "алкід" складається з слів "алкоголь" - спирт і латинсь- кою "acid" – кислота) – це синтетичні оліфи, які отримують внаслідок взаємодії при нагріванні багатоатомних спиртів (гліцерин, пентаеритрит та ін.), двоосновних кис- лот (фталева, малеїнова та ін.) і рослинних олій, їх виробництво відбувається при температурі 230 – 270°С у три етапи: алкоголіз, поліконденсація, полімеризація.

При алкоголізі олія взаємодіє з багатоатомним спиртом і утворює складні ефі- ри багатоатомних спиртів і вищих жирних кислот.

При полікопдипсащії складні ефіри взаємодіють з двоосновннми кнслотами й утворюють складні поліефіри.

При полімеризації молекули складних поліефірів збільшуються й відповідно підвищують в’язкість алкідних полімерів.

Назва алкідної оліфи складається з назви спирту та кислоти, що брали участь у її виготовленні. Наприклад, оліфа виготовлена з гліцерину та фталевої кислоти, на- зивається глифталевою. Застосування пентаеритриту замість гліцерину дає змогу значно поліпшити друкарські властивості оліфи, прискорити швидкість її висихан- ня. Окрім цього, використання пентаеритриту полегшує синтез оліфи, який відбува- ється значно швидше.

Одним з видів глифталевої оліфи є дуже дешева талова висихальна оліфа, ви- готовлена на основі талової олії, що виділяється з відходів виробництва сульфатної целюлози. Талова оліфа має темний колір і використовується лише для виготовлен- ня чорних друкарських фарб.

Однак алкідні оліфи повністю не задовольняють вимоги сьогодення, тому за- раз для виготовлення друкарських фарб широко використовують алкідні смоли.

Алкідні смол – це поліефіри, що порівняно з алкідними оліфами відрізняються більшою молекулярною масою та в’язкістю. Тому до складу в’яжучої речовини їх вводять у суміші з малов’язкими оліями та розчинниками. Алкідні смоли значно краще, ніж оліфи, виконують роль стабілізатора та окислювального полімеризатора. Вони сприяють рівномірному розподілу пігменту при виготовленні фарби, зменшу- ють їїструктурування, забезпечують міцність і глянець фарбової плівки.

Таким чином, форми окиснювальної полімеризації постійно змінювалися. Льняна олія, як плівкоутворювач, повністю не відповідала друкарським властивос- тям фарби. Тому її переробляли в природну оліфу. Більш сучасним, дешевим матері- алом стали алкідні оліфи. Вони забезпечували швидке закріплення фарби та хороші друкарські властивості. У свою чергу, їх витіснили алкідні смоли, вірніше, розчини в’язких алкідних смол у оліях і маслах. Така форма в’яжучої речовини найкраще за- довольняє друкарські властивості фарби. Вирішальним фактором, що забезпечує стабільность фарби, є наявність, у в’яжучій речовині, високов’язких складників з підвищеною молекулярною масою.

Каніфоль – це природна світло-жовта смола, яку отримують з живиці шляхом перегону скипидару. Живиця – сік хвойних дерев (переважно сосни), що витікає при пошкодженні їх кори. Каніфоль складається з 90% абієтинової кислоти (C₁₉H₂₉ – COOH) і 10% неомилених речовин. Каніфоль крихка, липка на дотик, має невелику молекулярну масу (близько 300), низьку температуру плавлення (75 °С), високе кис- лотне число (понад 170), добре розчиняється в олії, маслі, скипидарі та гасі. У чистому вигляді її практично не використовують, однак з неї отримують окладні ефіри, резинати, каніфольно-малеїнові сполуки.

Складні ефіри каніфолі. Щоб підвищити температуру плавлення, збільшити молекулярну масу та знизити кислотне число, виготовляють гліцериновий або пен- таеритритовий ефір каніфолі. Цей процес відбувається шляхом полімеризації кані- фолі з гліцерином, або пентаеритритом. Пентаеритритовий ефір каніфолі використо- вують при виготовленні лаків швидкозакріплювальних фарб для високого друку.

Резинати – це солі каніфольної кислоти, які виготовляють шляхом взаємодії каніфолі з солями та оксидами певних металів. Резинати мають високу температуру плавлення (понад 140 °С) і не отримують розчинник, що міститься в лаках.

Каніфольно-малеїнові смоли отримують шляхом взаємодії каніфолі з малеїно- вим ангідридом при температурі 250 – 270°С, а потім – з гліцерином або пентаерит- ритом. При цьому збільшується молекулярна маса молекул, підвищується темпера- тура плавлення, їх часто використовують для виготовлення лаків швидкозакріплю- вальних фарб, що утворюють плівку шляхом випадання в осад. Такі лаки застосову- ють для макропористого некрейдяного паперу.

Фенолоальдегідні смоли виготовляють з фенолу та альдегіду з приєднанням до них каніфолі, що підвищує температуру плавлення й збільшує молекулярну масу смоли. При взаємодії каніфолі з багатоатомними спиртами (гліцерином або пентае- ритритом) утворюються складні ефіри. Так отримують тверді термопластичні смоли з високою температурою плавлення (120 – 150°С). Вони добре розчиняються в рос- линних оліях і алкідних полімерах, гірше – в жирних нафтових розчинниках (нап- риклад в гасовій фракції). Лакові смоли в основному використовують для виготов- лення швидкозакріплювальних фарб високого та офсетного друку, рідше для фарб глибокого друку.

Бітумний лак – це крихка смола з температурою плавлення понад 125°С, доб- ре розчиняється в бензині, гасі, толуолі, рослинних оліях і мінеральних маслах. У спирті бітумний лак нерозчинний. Отримують здебільшого при переробці нафти. Бітумний лак має чорний колір, тому використовується тільки для виготовлення чор- них фарб. Бітум – це складна суміш асфальтенів, смол, масел, тобто вуглеводів з різним складом і молекулярною масою, що позитивно впливає на процес змочуван- ня сажі. Маючи поверхнево-активні властивості, бітумний лак сприяє стабілізації частинок пігментів. Недоліком бітумного лаку є червонуватий відтінок у тонкому шарі, що вимагає підфарбовування, а також погана віддача розчинника.

Шелак– природна смола, яку виділяють комахи, що паразитують на тропічних лакових деревах. Шелак добре розчиняється в етиловому та метиловому спиртах. Після довгого зберігання шелак частково втрачає свою спирторозчинність, бо з ча- сом у смолі повільно відбуваються реакції, що збільшують молекулярну масу й ут- ворюють поперечні зв’язки. Шелак добре поєднується з іншими смолами, особливо з каніфоллю та її похідними. Різні сполуки на основі шелаку мають різну розчин- ність залежно від конкретних вимог. Це дає змогу широко використовувати шелак як плівкоутворювальну речовину в складі в’яжучих речовин різних фарб і, в першу чергу, для флексографічного та глибокого друку на спиртовій, спиртоводяній і водя- ній основах.

Фарбові плівки, що містять шелак, відзначаються підвищеною водо- і кислотостійкістю, твердістю, еластичністю та блиском.

Природні білки отримують з клейковини кукурудзяних, соєвих та інших зерен шляхом екстракції з подальшим висушуванням, їх використовують при виготовлен- ні деяких рідких фарб для флексографічного та глибокого друку. Білки добре розчи- няються в етиловому та ізопропіловому спиртах, ефірах, а оброблені лугом плівки з білків стають більш стійкими до дії води й тертя.

Білки добре поєднуються з плівкоутворювальними, а також з сечовино-форм- альдегідними, поліамідними та іншими смолами, що входять до складу всмокту- вальних розчинів і покривних лаків, які використовують при виготовленні текстур- ного паперу, шпалер та інших виробів. Це дає змогу застосовувати білки як основ- ний складник в’яжучої речовини спиртових, спирто-водяних і водяних фарб для флексографічного й глибокого друку спеціального призначення.

Каучук – гумоподібна маса світло-жовтого кольору, високомолекулярна елас- тична речовина, яку отримують при зсіданні латексу (молочного соку) тропічних ка- учуконосів або штучним способом.

Природний каучук дорогий, має підвищену липкість, тому в чистому вигляді не застосовується. Із каучуків, які отримують штучним способом, широко поширені циклокаучуки і хлорокаучуки.

Циклокаучук – смолоподібна аморфна сполука, яку отримують при нагріванні толуольного розчину природного каучуку в присутності каталізатора P₂O₅. Залежно від умов перебігу реакцій отримують різні види циклокаучуку: сінтекс 850 T, сін- текс 845 і альпекс (ФРН). Колір циклокаучуку може змінюватися від світлого до темно-коричневого. Температура плавлення вище 125 °С. Циклокаучук добре розчи- няється в різних розчинниках і поєднується з резинатами, ефірами, алкідами й смо- лами на основі каніфолі. Він утворює міцну та еластичну фарбову плівку, швидко віддає розчинники. Тому циклокаучук успішно використовують у складі фарб для високого, офсетного, глибокого й трафаретного друку. Недоліком циклокаучуку є підвищене пилоутворення фарб на його основі.

Хлорокаучук вводять до складу деяких фарб, щоб надати їм більшого блиску та стійкості до стирання. Ця сполука отримана шляхом деполімеризації та ізомеризації природного каучуку з подальшим його хлоруванням. Хлорокаучук, зазвичай, використовують як додаткову смолу в складі фарб для глибокого та трафаретного друку.