Патент на изобретение №2398806

(54) БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ ФЛЕКСОГРАФИЧЕСКИЕ ЧЕРНИЛА И СПОСОБ ИХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к флексографическим чернилам на водной основе. Флексографические чернила на водной основе содержат биоразлагаемый полигидроксиалканоат (ПГА), состоящий из мономеров, имеющих следующую формулу:

где n – это целое число от 1 до 5, a R₁ выбирается из группы, содержащей водород, алкил от C₁ до С₂₀ и алкенил от C₁ до С₂₀, и имеющих молекулярную массу от 500 до 5000000 г/моль, связующее вещество, представляющее собой трехблочное амфифильное соединение, имеющее две гидрофобные концевые области, имеющие линейные и/или разветвленные алифатические цепи C_nH_2n+2, n=1-40, и одну центральную гидрофильную область – полиэтиленгликоль и его производные; или имеющее одну центральную гидрофобную область, имеющую линейные и/или разветвленные алифатические цепи C_nH_2n+2, n=1-40, и две гидрофильные концевые области, растворитель, и краситель или пигмент в количестве, достаточном для того, чтобы оставить видимый след на основе. Концентрация ПГА в чернилах составляет от 20 до 80% (вес/объем), концентрация связующего вещества от 0,5 до 20% (вес/объем), концентрация растворителя от 1 до 25% (вес/объем), а концентрация красителя или пигмента от 1 до 40% (вес/объем). Также описан способ приготовления флексографических чернил на водной основе и состав для печати, содержащий эти флексографические чернила. Предложенные флексографические чернила на водной основе обладают улучшенными свойствами биоразложения. 4 н. и 9 з.п. ф-лы.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к чернилам, а если более точно – к флексографическим чернилам на водной основе, которые обладают улучшенными свойствами биоразложения в результате их состава.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ

Чернила, которые используются в процессах флексографической печати или в машинах высокой печати, должны прилипать к любым роликам красочного аппарата, смачивать печатный вал, а затем легко и равномерно переноситься на печатный субстрат, образуя с ним постоянную связь.

Система машины высокой печати имеет ряд роликов, собирающих чернила и образующих равномерную пленку, которая затем переносится этими роликами на цилиндр с литерами. В машине высокой печати используются рельефные литеры, укрепленные на цилиндрическом печатном валике. Валик, в свою очередь, покрывается чернилами на рельефных частях, которые образуют символы, и вращается в направлении, обратном вращению бумаги или другого печатного субстрата. Флексографические печатные прессы используют анилоксовый дозирующий валик на стыке с накатными валиками или ракельным ножом, чтобы обеспечить равномерный слой чернил, который затем переносится на печатный цилиндр.

В настоящее время флексографические печатные машины и машины для высокой печати для печати газет используют литеры из фоточувствительных полимерных материалов, которые могут быть созданы напрямую со светового изображения. На полимерном цилиндре при правильной разработке имеются рельефные участки, которые воспроизводят печатаемое изображение. Этот стереотип крепится на цилиндрическом валике, который вращается в направлении, противоположном вращению красочного цилиндра с тем, чтобы покрывать краской рельефные участки. Эти участки вращаются в направлении, противоположном вращению субстрата (обычно бумаги), который имеет в качестве основы эбонитовый валик.

Для машин высокой печати и флексографических систем можно использовать системы чернил как на основе растворителей, так и на водной основе. В любом случае обычная практика состоит в смешивании растворителя или воды со связующим веществом, таким как нитроцеллюлоза, малеиновый ангидрид, акриловые сополимеры или различные производные крахмала. Пигмент наносится на бумагу печатным валом, а связующее служит для удерживания частиц пигмента на месте. В некоторых случаях пигментом является углеродная сажа, находящаяся в виде взвеси в растворе алифатического углеводорода с высокой температурой кипения. В данных чернилах отсутствует связующее вещество, а вместо этого они проникают в бумагу в результате диффузии масла в бумагу, оставляя, таким образом, сильно зачерненный слой углеродной сажи и масла на поверхности бумаги. Недостатком этих систем на основе масла является тот факт, что, поскольку печать никак химически не связана с бумагой, она может легко пачкаться при контакте. Кроме того, чернила имеют тенденцию загрязнять различные копирные валики в системе, создавая фон.

Композиции флексографических чернил на водной основе в общем случае содержат пигмент, полимерную смолу, связующее вещество или воск, органический растворитель и воду. Такие композиции различаются в зависимости от характеристик сырья, требуемого качества, а также от различных свойств, обеспечиваемых различными производителями. В последние годы имеется тенденция к уменьшению содержания летучих органических растворителей для ограничения их воздействия на окружающую среду. В настоящее время флексографические чернила на водной основе обычно содержат от 5 до 20% органических растворителей. Хотя они являются вредными, их использование нельзя с легкостью прекратить, поскольку они помогают уменьшить время высушивания чернил после того, как их нанесли на поверхность (бумагу, картон, пластик и т.д.). Было предпринято всего лишь несколько других конкретных попыток улучшения экологического аспекта для флексографических чернил. Следовательно, они все еще состоят из не подвергающихся биоразложению или лишь в малой степени биоразлагаемых пигментов и полимерных смол, которые, в общем случае, накапливаются в результате процессов вымывания краски в остатках после обработки или попадают в почву при утилизации конечного продукта. Уже существуют биоразлагаемые пигменты, но они не обеспечивают лучших свойств по сравнению с синтетическими пигментами. Традиционные композиции флексографических чернил обычно состоят из акриловых, метакриловых, эпоксидных и стирольных полимерных смол. Фактически, акриловые и эпоксидные полимеры присутствуют в 90% композиций флексографических чернил.

Патент США 5,004,664 описывает состав тонера, содержащего частицы полукристаллического полиэфирного полимера, полигидроксиалконатов и их сополимеров, а также пигментных частиц. Это приложение применимо лишь для электростатической печати.

В Патенте США 5,114,479 описывается использование обогащенной суспензии латекса в качестве связующего для чернильных смесей краситель/латекс для глубокой и флексографической печати на газетной и гофрированной бумаге. Авторы используют водорастворимые полимеры на основе акриловых и метакриловых кислот.

Тахири и коллеги сообщают в Патенте США 5,120,360 об использовании микрокапсул, содержащих чернила для флексографических приложений. Авторы описывают, что инкапсулирование чернил обеспечивает лучшее прилипание и текучесть. Полимеры, используемые для микроинкапсулирования, состоят из метакрилата или акрилата с молекулярным весом от 3000 до 50000 г/моль.

Вандерхофф и Хуварт сообщают в Патенте США 5,830,927 о чернилах, в состав которых не входят летучие органические растворители и содержится водорастворимый полимер, такой как поливинилпирролидон, полиакриламид, полиакриловая кислота, поливинилацетат, поливиниловый спирт и подобные им.

Такаши и коллеги сообщают в Патенте Японии 8092518 о биоразлагаемой композиции чернил на основе полимерной молочной кислоты без использования каких-либо органических галогенсодержащих растворителей.

На основе перечисленных выше патентов и публикаций, которые представляют современный технический уровень, видно, что все еще есть большие возможности для улучшений в производстве композиций флексографических чернил на водной основе, обладающих улучшенными экологическими свойствами.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одной из целей настоящего изобретения является получение композиции флексографических чернил, содержащих биоразлагаемый полимер, связующее вещество и растворитель. Другой целью настоящего изобретения является предоставление способа производства чернил, имеющих упомянутый выше состав.

Композиция флексографических чернил может также содержать краситель или пигмент, которые в концентрации от 1 до 40% (вес/объем) или в эффективном количестве обеспечивают видимый отпечаток на субстрате.

В настоящем изобретении полимер может быть синтетическим или природным полимером и может быть выбран из группы, состоящей из полигидроксиалканоата (ПГА), полимерной молочной кислоты (ПМК), поли-(лакто-гликолевой) кислоты (ПЛГК), полигликолевой кислоты (ПГК), поликапролактона (ПКЛ), поливинилового спирта (ПВС), полимерных производных адипиновой кислоты или аминокапроновой кислоты, полибутиленсукцината, или их производных, или их смеси.

Связующее вещество может быть амфифильным соединением, которое является биоразлагаемым, а растворитель может содержать воду или органический растворитель, такой как спирт.

Предпочтительнее, чтобы биоразлагаемый полимер присутствовал в концентрации примерно от 20 до 80% (вес/объем), связующее вещество – в концентрации примерно от 0 до 20% (вес/объем), а растворитель – в концентрации примерно от 1 до 25%.

Краситель может быть водорастворимым красителем, основным или кислотным красителем.

Настоящее изобретение также относится к способу производства композиции флексографических чернил на водной основе, включающих биоразлагаемый полимер, такой как ПГА.

Другой целью настоящего изобретения является улучшение свойств биоразложения композиции флексографических чернил на водной основе в результате использования биоразлагаемых соединений.

Для целей настоящего изобретения ниже приведено объяснение следующих терминов:

Термин “биополимер” здесь предназначен для обозначения полимеров, полученных из природных или возобновляемых источников, для которых режим синтеза осуществляется естественно, так же как в растениях или микроорганизмах. ПГА являются хорошими примерами в соответствии с данным определением.

Термин “полимер” здесь предназначен для обозначения макромолекул, синтезированных в результате химической реакции или полученных из нефтехимических источников, даже если один из компонентов (мономер, соединение-предшественник и т.д.) был получен из природных или возобновляемых источников. Полимерная молочная кислота (ПМК), полигликолевая кислота (ПГК), поли-(лакто-гликолевая) кислота (ПЛГК), поливиниловый спирт (ПВС) и поликапролактон (ПКЛ) могут все рассматриваться как полимеры в соответствии с настоящим определением.

Термин “связующее вещество” здесь предназначен для обозначения амфифильного химического соединения, являющегося как гидрофобным, так и гидрофильным. Благодаря этой особенной структуре связующие вещества способны образовывать соединения с полимерными гранулами, такими как ПГА и ПМК, или другими гидрофобными нерастворимыми соединениями, такими как пигменты.

Термин “пигмент” здесь предназначен для обозначения красителя на основе неорганических или органических частиц, которые не растворяются в воде или растворителях. Обычно они образуют эмульсию или суспензию в воде.

Термин “краситель” здесь предназначен для обозначения красителя природного или синтетического происхождения, который растворяется в воде или растворителях.

Термин “биоразлагаемый” здесь предназначен для обозначения свойств полимера или биополимера, который подвергается химическому или ферментативному гидролизу, приводящему к уменьшению их молекулярного веса, т.е. разрушается, образуя меньшие части, которые являются неопасными для окружающей среды. Далее эти меньшие части поглощаются микроорганизмами и используются в качестве источников энергии, такие как ПГА. Таким образом, в конце своего жизненного цикла ПГА трансформируются в воду и двуокись углерода. Термин “биоразлагаемый” здесь также предназначен для обозначения свойств химических веществ, отличных от полимеров или биополимеров, которые подвергаются поглощению бактериями, в которых они метаболизируют.

Термины “гранула” или “частица” здесь предназначены для обозначения полимерных сегментов сферической формы с распределением размера частиц от 0,01 до 10 мкм, предпочтительнее от 0,1 до 5 мкм. Термины “гранула” и “частица” также здесь предназначены для обозначения пигментов с распределением размера частиц от 0,01 до 20 мкм, предпочтительнее от 0,1 до 10 мкм.

Термин “латекс” здесь предназначен для обозначения суспензии гранул ПГА и/или частиц в водной среде. Гранулы ПГА могут находиться в их природном состоянии или повторно суспендированном в воде. Природный ПГА определяется как гранулы ПГА, полученные путем бактериальной ферментации, которые не были осаждены, следовательно, их степень кристаллизации остается близкой или слегка повышенной по сравнению с той, которая была в бактериях, т.е. очень слабой. Латекс может иметь вид молока по цвету и структуре, в то время как его вязкость может быть сходной с вязкостью воды.

ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно. Данное изобретение может, однако, быть воплощено в разнообразных многочисленных формах и не должно интерпретироваться как ограниченное лишь вариантами, представленными здесь; до некоторой степени эти варианты представлены для того, чтобы данное раскрытие было всесторонним и полным, и они полностью передают область действия изобретения для тех, кто обладает соответствующими знаниями.

В соответствии с настоящим изобретением здесь приведены флексографические чернила на водной основе и метод производства флексографических частиц на основе растворителя, такого как вода, и биоразлагаемых полимерных смол.

В соответствии с настоящим изобретением здесь приведены флексографические чернила на водной основе, в состав которых введены биоразлагаемые полимерные смолы.

Соискатели обнаружили, что ПГА в форме латекса являются пригодным сырьем или полимерными смолами, которые можно использовать для приложения в виде флексографических чернил на водной основе. Далее Соискатели нашли метод приготовления композиций флексографических чернил на водной основе, включая биоразлагаемые ПГА смолы. ПГА латекс, в который добавлены пигмент и связующее вещество, образует стабильную композицию в воде.

Композиции чернил, в которых содержатся плохо или совсем неразлагающиеся биологически органические полимерные смолы, замещены биоразлагаемыми полимерами, такими как полигидроксиалканоаты (ПГА), приводят к конечному продукту, который обладает улучшенными характеристиками биоразложения с физико-химическими свойствами, сходными с современными коммерческими продуктами.

Полигидроксиалканоаты (ПГА) являются природными биополимерами, которые получены в последнее время и продолжают вызывать повышенный интерес в научном сообществе и промышленности. ПГА привлекают такое внимание благодаря их свойствам биоразложения. Фактически, среди большого числа полимеров и биополимеров, доступных в настоящее время, ПГА принадлежат к ограниченному классу определенных биоразлагаемых полимеров. При помещении в компостные ямы, в почву или при погружении в морскую среду ПГА разлагаются до 100%. Однако разрушение не происходит в том случае, когда данный продукт находится в окружающей атмосфере, а также при солнечном облучении, т.е. в период эксплуатации. Продукты, произведенные из ПГА, сохраняют свои физико-химические свойства, а также механические свойства, пока их не поместят в условия, в которых они разлагаются.

ПГА являются полиэфирами, полученными и накопленными микроорганизмами, такими как бактерии и водоросли. ПГА присутствуют внутри клеток в форме гранул. Эти гранулы действуют как углеродные источники энергии и биологически синтезируются в неблагоприятных условиях, когда содержание основных питательных веществ, таких как азот, кислород или фосфор, становится ограниченным. В таких условиях бактерии не могут больше размножаться и переключают свой метаболизм на производство ПГА, чтобы иметь источник углерода при возвращении к нормальным условиям. Следовательно, стратегия питания становится критической стадией, которая оказывает непосредственное воздействие на выход при производстве биополимера. Источник питания также является важным фактором, который обуславливает природу получаемого полимера. Фактически, различные гомо- или сополимеры могут быть получены в результате варьирования источников питания микроорганизмов во время процесса ферментации. Наиболее известными представителями семейства ПГА являются поли-3-гидроксибутират (ПГБ), а также его сополимер поли-3-гидроксибутират-3-гидроксивалерианат (ПГБВ).

Как упоминалось ранее, основной характеристикой ПГА, которая легко выделяет их среди химически синтезированных и нефтехимических производных полимеров, является их склонность разлагаться естественно и полностью при помещении в компостные ямы, почву или морские отложения. Большинство мест захоронения отходов заселены микроорганизмами, которые секретируют ферменты, разрушающие биополимеры на мономерные части. Мономеры затем используются в качестве источника углерода для улучшения роста микроорганизмов.

Другим полезным аспектом ПГА является их хорошая обрабатываемость на традиционном оборудовании для получения термопластичных продуктов, как любые другие полимеры или смолы. Например, из ПГА в результате обработки могут быть получены пленки, листы, волокна, пены, формованные изделия, а также многие другие продукты. В результате этих фактов ПГА являются очень привлекательными биополимерами, которые привлекают все больше внимания в последние десять лет. Промышленное применение ПГА включает производство флаконов для шампуня, мелованного картона, питьевых чашек, фильтрующих шариков для денитрификации воды и биоразлагаемых коммерческих кредитных карт. Другие приложения, отождествленные с первыми публикациями в данной области, относятся к области пищевой упаковки, покрытий, предметов пластиковой посуды, красок и пищевых добавок.

В одном из вариантов настоящего изобретения связующее соединение является трехблочным соединением, которое обладает как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами. По крайней мере, одно трехблочное соединение, обладающее как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами, может быть добавлено в раствор латекса с пигментом. Данный раствор слегка нагревают для того, чтобы растворить связующее вещество и гомогенно перемешать все составляющие. Получающийся в результате раствор является очень стабильной композицией флексографических чернил на водной основе.

В одном из вариантов настоящего изобретения флексографические чернила на водной основе, приготовленные из природных растворов латекса ПГА биополимера, включающих в состав трехблочное соединение, обладают большей равномерностью, стабильностью во времени и менее подвержены седиментации.

Биоразлагаемый полимер может включать в себя полигидроксиалканоат, полимерную молочную кислоту, полигликолевую кислоту, поликапролактон, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон или их сополимеры.

Данное изобретение применимо для создания биоразлагаемых полимеров для композиций флексографических чернил на водной основе из ПГА биополимеров любого типа, полученных из растений или микроорганизмов, как природных, так и генно-инженерных, а также химически синтезированных ПГА полимеров.

ПГА биополимеры могут включать полиэфиры, состоящие из мономерных звеньев, имеющих формулу:

где n является целым числом от 1 до 5, a R₁ является Н, алкилом или алкенилом. Алкильные и алкенильные боковые цепи предпочтительно длиной от C₁ до C₂₀ углеродных атомов. ПГА биополимеры могут быть гомополимерами с одинаковыми повторяющимися мономерными звеньями и/или сополимерами с, по крайней мере, двумя различными повторяющимися мономерными звеньями. Сополимеры могут быть случайными, блочными, периодическими или привитыми. Молекулярный вес ПГА биополимеров находится в диапазоне от 500 до 5000000 г/моль, предпочтительнее от 1000 до 2500000 г/моль, а еще более предпочтительнее от 2500 до 1000000 г/моль. Ориентация мономеров может быть “голова к голове”, “голова к хвосту” или “хвост к хвосту”.

ПГА, которые можно использовать в соответствии с данным изобретением, могут включать поли-3-гидроксибутират, поли-3-гидроксивалерианат, поли-3-гидроксигептаноат, поли-3-гидроксиоктаноат, поли-4-гидроксибутират, полигидроксиалканоаты со средней длиной цепи, поли-3-гидроксибутират-3-гидроксивалерианат, поли-3-гидроксибутират-4-гидроксибутират и поли-3-гидроксибутират-3-гидроксиоктаноат, а также их другие сополимеры. Перечисленные здесь сополимеры ПГА обычно содержат от 40 до 100% мономера 3-гидроксибутирата, а предпочтительнее от 60 до 98%.

В соответствии с данным изобретением концентрация ПГА в растворах латекса составляет от 1 до 50%, предпочтительнее от 5 до 45%, а еще предпочтительнее от 10 до 40%. Концентрации выражены в виде вес/объем. Латекс может быть получен из природного полимера или из повторно суспендированного сухого порошка. Происхождение биополимера может также относиться к тем, которые являются кристаллическими, или повторно переведены в аморфное состояние с помощью методов, которые описаны в Международной Патентной Публикации WO 9964498, которая здесь включена в виде ссылки.

В соответствии с данным изобретением в его первом аспекте смешение и нагревание ПГА латекса, связующего вещества и пигмента характеризуются получением композиции флексографических чернил на водной основе, включающих биоразлагаемую полимерную смолу. Эти флексографические чернила на водной основе остаются стабильными во времени и не осаждаются. Такое поведение может объясняться тем фактом, что гидрофобные концевые части связующего вещества связаны с гидрофобными гранулами или частицами, присутствующими в данной среде, такими как ПГА и пигмент, тогда как гидрофильная часть связующего вещества обеспечивает объем и стабильность в водной среде. В результате продукт выглядит как сливки, т.е. у него улучшена вязкость, седиментация или стабильность по сравнению с начальными индивидуальными продуктами.

Использование биоразлагаемого полимера позволяет создать флексографические чернила на водной основе с улучшенными свойствами биоразложения, и в результате они оказывают менее опасное воздействие на окружающую среду, например, при помещении конечного продукта в компостную яму или в процессе вымывания красителя образуются менее токсичные остатки.

Одна структура трехблочного химического соединения соответствует двум гидрофобным концевым областям и одной центральной гидрофильной области. Считается, что гидрофобные концевые области легко ассоциируют посредством гидрофобно-гидрофобных слабых взаимодействий с гидрофобными полимерными цепями ПГА, присутствующими в данной среде. Можно считать, что сходные взаимодействия могут происходить и с участием пигмента. Сходное явление принято и для трехблочных соединений, имеющих одну гидрофобную среднюю часть и две гидрофильные концевые части. Дополнительно, сходное явление принято и для амфифильных соединений, т.е. двухблочных, имеющих гидрофильные и гидрофобные свойства. Однако считается, что такие системы обеспечивают меньшую стабильность во времени и меньшее время седиментации.

Гидрофобные области могут содержать, например, линейные и/или разветвленные алифатические цепи C_nH_2n+2, начиная с C₁ до С₄₀. В случае трехблочного образца с гидрофобными областями на обоих концах достаточно, чтобы один конец был достаточно длинным для взаимодействия с цепями ПГА или пигментными частицами, другой же может быть короче. Также рассматриваются линейные и/или разветвленные ненасыщенные алкильные цепи длиной от С₂ до С₄₀, с одной или более непредельной связью, включая один или более ароматических заместителей.

Гидрофобная область может содержать один или более гетероатом (азот, кислород, серу, хлор, фтор и т.д.), одиночный или смешанный. Например, полипропиленгликоль является гидрофобным соединением с кислородным гетероатомом в основной полимерной цепи и боковой алкильной группой, а именно метальной группой.

Гидрофобная область может, например, состоять из насыщенных жирных кислот с алкильной цепью от С₁₀ до С₃₀, а предпочтительнее от С₁₄ до C₂₄, например, лауриновой, миристиновой, пальмитиновой, стеариновой, арахиновой, бегеновой, лигноцериевой кислот. Гидрофобная область также может быть ненасыщенной жирной кислотой, имеющей одну или более ненасыщенную алкильную цепь от С₁₀ до С₃₀, а предпочтительнее от С₁₄ до С₂₄, например, пальмитолевой, олеиновой, линолевой, -линоленовой, -линоленовой, арахидоновой, эйкозапентаеновой и нервоновой кислотой. Трехблочные соединения состоят из одной или двух жирных кислот на их концах.

Гидрофильная область может, например, содержать неионные химические группы, такие как полиалкиленоксид, особенно полиэтиленоксид, гликозид, или полиглицерин, или аминоксид. Гидрофильная область может содержать ионные группы, такие как карбоксилат, сульфат, сульфонат, фосфат, фосфонат или аммоний. Гидрофильная группа трехблочного соединения может содержать более чем одно химическое соединение из указанного выше списка. Наиболее подходящим для гидрофильной части является полиэтиленгликоль и его производные с формулой:

HO-(CH₂-CH₂-O)_n-H,

где n является целым числом, варьирующимся от 1 до 2500, предпочтительнее от 3 до 500.

Гидрофильная область также может быть гидрофильным полимером или биополимером, таким как поливиниловый спирт, поливинилацетат, полиэпихлоргидрин, полиакрилаты и их производные, а также целлюлоза и ее производные (полисахариды).

Количество, так же как и химическая структура трехблочных соединений, добавленных к биополимеру или полимеру для получения композиции флексографических чернил на водной основе, влияют на вязкость конечной композиции. Фактически, можно влиять на несколько параметров трехблочных соединений, такие как количество трехблочных сополимеров по сравнению с биополимерами, полимерами или пигментами, общий молекулярный вес трехблочного соединения, длина гидрофильного блока, длина каждого гидрофобного блока. Другие параметры можно модифицировать, чтобы достичь желаемой вязкости и свойств конечного продукта. Это могут быть, но не исключительно, молекулярный вес полимерной смолы, а также количество и химическая природа пигмента или красителя. При подборке некоторых или всех этих параметров можно подобрать характеристики конечной композиции. Фактически, небольшое количество трехблочного соединения может не вызвать достаточных гидрофобно-гидрофобных взаимодействий, чтобы увеличить время седиментации биополимера и пигмента. Когда молекулярный вес полимерной смолы уменьшается до определенной концентрации, можно достичь приемлемой стабильности, и добавка связующего вещества может стать дополнительной.

В соответствии с настоящим изобретением концентрация связующего вещества может быть от 0 до 20%, предпочтительнее от 0,5 до 15%, а еще более предпочтительно от 1 до 10%. Концентрации выражены в виде вес/объем. Связующее вещество может использоваться отдельно или в смеси, по крайней мере от 2 до нескольких десятков или около того, с той же или другой концентрацией. Природа добавленного связующего вещества может также варьироваться. Например, трехблочное соединение с короткой цепью и другое с длинной цепью. Кроме того, можно добавить одно или несколько амфифильных соединений с одним или несколькими трехблочными соединениями.

В соответствии с данным изобретением использование биоразлагаемого связующего вещества совместно с биоразлагаемым полимером позволяет создать флексографические чернила на водной основе с улучшенными свойствами биоразложения, и в результате они оказывают меньшее опасное воздействие на окружающую среду, например, при помещении конечного продукта в компостную яму или в процессе вымывания красителя образуются менее токсичные остатки.

Пигменты являются вторым важным компонентом композиции флексографических чернил на водной основе. Все доступные пигменты являются пригодными в соответствии с данным изобретением, если они находятся в форме порошка или пасты. Молекулярный вес пигмента, а также его заряд (катионный, анионный или нейтральный) не влияет на результаты данного изобретения.

В соответствии с настоящим изобретением концентрация пигмента предпочтительна от 1 до 40%, предпочтительнее от 2,5 до 35%, а еще более предпочтительна от 5 до 30%. Концентрации выражены в виде вес/объем.

Пигмент может быть заменен красителем в том же концентрационном диапазоне. Подобно пигментам существуют многочисленные красители, и они все являются пригодными для данного изобретения.

В соответствии с данным изобретением использование биоразлагаемого пигмента или красителя совместно с биоразлагаемым полимером и связующим веществом позволяет создать флексографические чернила на водной основе с улучшенными свойствами биоразложения, и в результате они оказывают меньшее опасное воздействие на окружающую среду, например, при помещении конечного продукта в компостную яму или в процессе вымывания красителя образуются менее токсичные остатки.

Летучие органические растворители, пригодные для данного изобретения, включают все органические растворители, смешивающиеся с водой и обладающие температурой кипения ниже 100°С, или растворители, образующие азеотропную смесь с водой, что понижает их температуру кипения. Предпочтительные летучие органические растворители принадлежат к семейству спиртов, например, изопропиловый спирт.

В соответствии с настоящим изобретением концентрация летучего органического растворителя предпочтительна от 0 до 25%, более предпочтительна от 1 до 20%, а еще более предпочтительна от 2 до 15%. Концентрации выражены в виде объем/объем.

В соответствии с настоящим изобретением остальную часть раствора может составлять вода. Концентрация воды может быть от 20 до 80%, предпочтительнее от 30 до 70%, а еще предпочтительнее от 40 до 60%. Концентрации выражены в виде объем/объем.

В одном из вариантов настоящего изобретения растворы нагревают, чтобы растворить связующее вещество и гомогенизировать все составляющие. Температура нагревания находится в интервале от 25 до 80°С, предпочтительнее от 27,5 до 75°С, а еще предпочтительнее от 30 до 70°С.

В отличие от созданных ранее флексографических чернил на водной основе прилипание водорастворимых красителей к субстрату не происходит в результате превращения водорастворимого красителя в нерастворимый в воде продукт реакции, например, в реакции с тщательно подобранным связующим веществом или полимером. Полагают, что прилипание водорастворимого красителя в чернилах для флексографической печати в соответствии с настоящим изобретением в основном осуществляется в результате проникновения в субстрат совместно с полимером и связующим веществом. Отличная фиксация на субстрате возникает частично из-за покрытия и защиты красителя как связующим веществом, так и полимером, а частично – из-за гидрофобного характера печати, достигающегося благодаря присутствию воскового компонента.

В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения в флексографические чернила может быть добавлен смягчитель или загуститель.

Смягчители или загустители, используемые в флексографических чернилах в соответствии с настоящим изобретением, могут содержать гликоли, а в особенности производные гликолей, такие как сложные и простые эфиры гликолей, и ароматические сложные эфиры.

Загустители или вещества, модифицирующие реологические свойства, используемые в флексографических чернилах в соответствии с настоящим изобретением, могут содержать неорганические вещества, такие как каолин и коллоидный силикагель, а также органические вещества, такие как водные дисперсии высокополимерных акриловых полимеров и производных целлюлозы.

Другими добавками могут являться поверхностно-активные вещества и диспергаторы.

Поскольку выбор красителя может быть сделан фактически свободно, т.е. независимо от выбора связующего вещества, то можно получить чернила для флексографической печати всех возможных оттенков даже в случае, когда компоненты красителя, используемые в печатных чернилах, выбраны исключительно из группы экологически приемлемых красителей.

Когда рецептура чернил содержит пигмент, то удобно добавить диспергатор, выбранный из катионных, анионных или, что предпочтительнее, неионных диспергаторов. Такие диспергаторы часто присутствуют в коммерчески доступных пигментах.

Рецептура чернил для флексографической печати может быть приготовлена в концентрированной форме, которую затем разводят водой перед использованием в печатном процессе. Чернила для флексографической печати, в соответствии с данным изобретением, могут распространяться в виде концентрата, содержащего растворитель, в основном состоящий из воды, красителя или пигмента, связующего вещества, добавок и содержащего биоразлагаемый полимерный латекс, диспергированный в воде.

В соответствии с еще одним из аспектов данного изобретения печать на субстрате с помощью процесса флексографической печати может достигаться при наложении описанных выше флексографических чернил на субстрат, причем наложенные чернила затем подвергаются воздействию условий, достаточных для фиксирования печати, при надобности с применением нагревания.

Чернила для флексографической печати особенно хорошо подходят для печати на целлюлозных нетканых материалах, особенно на бумаге и картоне при использовании метода флексографической печати. Кроме того, в соответствии с данным изобретением чернила для флексографической печати также могут использоваться для печати на неабсорбирующих субстратах, например, пластиковых пленках.

В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения существуют субстраты, на которых остается постоянной печать, полученная с помощью чернил для флексографической печати в соответствии с настоящим изобретением.

Добавки для переноса чернил обычно выбирают из сложных эфиров канифоли, синтетических пленкообразующих полимеров, полиамидов, алкидных смол и белков, включая казеин, желатин и белок сои. Выбор добавок зависит от особенностей используемого субстрата, каждый тип волокнистого или пленочного материала обладает специальными требованиями для оптимального прилипания, как это известно из обычной практики в данных областях.

Красящие вещества или красители могут быть органическими или неорганическими. Характерными примерами красящих веществ являются красители и пигменты. Выбор подходящих красящих веществ можно осуществить с учетом обычной практики для данных областей.

Основные флексографические красители (черный, пурпурный, циан и желтый) могут быть получены с помощью настоящего изобретения, а также белый и вся цветовая панель, получаемая в результате их смешения.

Настоящее изобретение гораздо легче понять, используя приведенные ниже примеры, которые даны для иллюстрации данного изобретения, а не для ограничения его области действия.

ПРИМЕР I

Приготовление черных флексографических чернил на водной основе, содержащих ПГА

Изопропанол (6 мл) добавили в воду (18 мл) при комнатной температуре. Затем в раствор добавили 5 г полиэтиленгликоль дистеарата (с молекулярным весом 6000 г/моль), после чего перемешивали до полного растворения твердых частиц.

Данный раствор добавили к 76 мл раствора латекса ПГА (с концентрацией 40% ПГА с молекулярным весом 1000000 г/моль и полидисперсностью 2). Пигмент, углеродную сажу (23 г), добавили к данному раствору при энергичном перемешивании, в то время как температуру подняли до 40°С. Нагревание и перемешивание продолжали в течение 2 часов, затем остудили до комнатной температуры.

Полученный в результате раствор является композицией флексографических чернил, которая сохраняется стабильной во времени. После нескольких месяцев хранения не наблюдалось какой-либо седиментации.

ПРИМЕР II

Приготовление синих флексографических чернил на водной основе, содержащих ПГА

Протокол, осуществленный в Примере I, был повторен с красителем метиленовым синим (5 г). Был получен аналогичный результат по физико-химическим характеристикам, а также по стабильности.

ПРИМЕР III

Приготовление заменителя для желтых акриловых флексографических чернил

50 мл желтой акриловой дисперсии на водной основе Номер 486305 добавили к 200 мл раствора латекса (концентрация ПГА 23%, молекулярный вес около 1000000 г/моль). Раствор гомогенизировали и нагрели до 60°С. Когда температура стабилизировалась, добавили 4 г полиэтиленгликоля дистеарата (молекулярный вес 6000 г/моль). Раствор охладили до комнатной температуры, когда все компоненты были перемешаны до создания гомогенного раствора.

Данный раствор применяли на крафт-бумаге и бумаге ручного отлива с хорошими результатами. Было показано, что печатный процесс дает желаемые результаты и подтверждается, что описанные здесь чернила на основе биополимера являются хорошей заменой флексографических чернил, имеющихся на рынке в настоящее время.

ПРИМЕР IV

Приготовление заменителя для желтых акриловых флексографических чернил

Был приготовлен раствор, аналогичный описанному в Примере III за исключением того, что применявшийся ПГА имел меньший молекулярный вес, а именно менее 100000 г/моль. Полученные результаты для крафт-бумаги и бумаги ручной отливки были сходными с полученными в Примере III.

ПРИМЕР V

Приготовление заменителя для желтых эпоксидных флексографических чернил

Был приготовлен раствор, аналогичный описанному в Примере IV за исключением того, что применявшийся желтый пигмент являлся желтой дисперсией эпоксидного сложного эфира на водной основе Номер 4886317. Данный образец обеспечивал хорошие результаты при применении на крафт-бумаге или бумаге ручной отливки.

ПРИМЕР VI

Приготовление флексографических чернил из ПГА на водной основе

К воде (18 мл) добавляют изопропанол (6 мл) при комнатной температуре. Затем к раствору, который встряхивают до полного смешивания жидкого вещества, добавляют 25 мл полоксамера Р181.

Этот раствор добавляют к 51 мл латексного раствора ПГА (концентрация 50% в ПГА с молекулярным весом 1,000,000 г/моль и полидисперсностью 2). К этому раствору добавляют пигмент, углеродную сажу (23 г) при энергичном встряхивании, пока температура повышается до 40°С. Нагревание и встряхивание продолжают в течение 2 часов, затем температуру вновь снижают до комнатной.

Получающийся раствор соответствует композиции флексографических чернил, которая с течением времени остается стабильной. Никакого отложения осадка не наблюдалось после нескольких месяцев хранения.

В то время, как данное изобретение было описано в связи со специфическими вариантами, следует понимать, что возможны дальнейшие модификации, и его применение направлено на то, чтобы покрыть любые варианты, области применения и приспособления для данного изобретения, следуя, в общем случае, принципам данного изобретения и включая такие отступления от настоящего изложения, которые находятся среди известных, или являются обычной практикой в областях, к которым принадлежит данное изобретение, и если может быть применено к основным характеристикам, изложенным выше, и относится к следующим утверждениям, приведенным в приложении.

Формула изобретения

1. Флексографические чернила на водной основе, содержащие
биоразлагаемый полигидроксиалканоат (ПГА), состоящий из мономеров, имеющих следующую формулу:

где n – это целое число от 1 до 5, a R₁ выбирается из группы, содержащей водород, алкил от С₁ до C₂₀, и алкенил от C₁ до C₂₀, и имеющего молекулярную массу от 500 до 5000000 г/моль,
связующее вещество, представляющее собой трехблочное амфифильное соединение, имеющее две гидрофобные концевые области, имеющие линейные и/или разветвленные алифатические цепи C_nH_2n+2, n=1-40, и одну центральную гидрофильную область – полиэтиленгликоль и его производные; или имеющее одну центральную гидрофобную область, имеющую линейные и/или разветвленные алифатические цепи C_nH_2n+2, n=1-40, и две гидрофильные концевые области,
растворитель, и
краситель или пигмент в количестве, достаточном для того, чтобы оставить видимый след на основе,
где концентрация указанного ПГА составляет от 20 до 80% (вес/объем), концентрация указанного связующего вещества составляет от 0,5 до 20% (вес/объем), концентрация растворителя составляет от 1 до 25% (вес/объем), а концентрация красителя или пигмента от 1 до 40% (вес/объем).

2. Флексографические чернила на водной основе по п.1, где указанный краситель или пигмент являются биоразлагаемыми.

3. Флексографические чернила на водной основе по п.1, где указанный растворитель представляет собой воду или органический растворитель.

4. Флексографические чернила на водной основе по п.3, где указанный органический растворитель представляет собой гидрофильный органический растворитель или спирт.

5. Флексографические чернила на водной основе по п.1, где указанный краситель является красителем, растворимым в воде.

6. Флексографические чернила на водной основе по п.1, где указанный краситель является основным или кислым красителем.

7. Флексографические чернила на водной основе по п.1, которые дополнительно содержат, по крайней мере, один смягчитель, загуститель, диспергатор, одно поверхностно-активное вещество или смеси указанных веществ.

8. Флексографические чернила на водной основе по п.1, где концентрация указанного связующего вещества составляет предпочтительно от 0,5 до 15% (вес/объем).

9. Флексографические чернила на водной основе по п.8, где концентрация указанного связующего вещества составляет предпочтительно от 1 до 10% (вес/объем).

10. Флексографические чернила на водной основе по п.1, где указанное связующее вещество представляет собой полиэтиленгликоль дистеарат.

11. Состав для печати на необрастающих субстратах, содержащий флексографические чернила по п.1 и добавку для переноса чернил.

12. Способ приготовления флексографических чернил по любому из пп.1 – 10, характеризующийся тем, что он включает смешивание биоразлагаемого полимера полигидроксиалканоата, трехблочного амфифильного соединения, растворителя и красителя или пигмента в количестве, достаточном для того, чтобы оставить видимый след на основе, при этом концентрация указанного красителя или пигмента составляет не менее 1%, и нагревание полученной смеси.

13. Применение биоразлагаемого полигидроксиалканоата (ПГА), состоящего из мономеров со следующей формулой:

где n – это целое число от 1 до 5, a R₁ выбирается из группы, содержащей водород, алкил от C₁ до С₂₀, и алкенил от C₁ до C₂₀, и имеющего молекулярную массу от 500 до 5000000 г/моль,
в сочетании со связующим веществом, представляющим собой трехблочное амфифильное соединение, имеющее две гидрофобные концевые области, имеющие линейные и/или разветвленные алифатические цепи C_nH_2n+2, n=1-40, и одну центральную гидрофильную область – полиэтиленгликоль и его производные; растворителем и красителем или пигментом в количестве, достаточном для того, чтобы оставить видимый след на основе, при изготовлении флексографических чернил на водной основе.