DE60307423T2

DE60307423T2 - Biologisch abbaubare flexodruckfarbe

Info

Publication number: DE60307423T2
Application number: DE60307423T
Authority: DE
Inventors: Laurent Montreal MASARO; Patrick Montreal-Nord LAPOINTE; Jacques Jean-Charles Montreal GAYET
Original assignee: Biomatera Inc
Current assignee: Biomatera Inc
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: RU2398806C2; CA2473519C; CN1643092A; US7588632B2; CA2473519A1; DE60307423D1; US20050215662A1; EP1470199B1; AU2003201583B2; EP1470199A1; WO2003062334A1; JP2005515290A; BRPI0307106A2; ES2271522T3; CN100419034C; JP4434743B2; ATE335795T1; RU2004124243A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Druckfarben und insbesondere auf Wasser basierende Flexodruckfarben, die verbesserte Eigenschaften der biologischen Abbaubarkeit als Folge ihrer Zusammensetzung aufweisen.
STAND DER TECHNIK
Druckfarben, die entweder in Flexodruckprozessen oder Hochdruckpressen verwendet werden, müssen an jeglicher Walze im Farbwerk haften, die Druckwalze benetzen, müssen dann leicht und gleichmäßig auf das bedruckte Substrat hinüber gebracht werden und darauf eine dauerhafte Bindung bilden.
Ein Hochdrucksystem hat eine Reihe von Walzen, um einen gleichmäßigen Film aus Druckfarbe aufzunehmen und zu bilden, der durch diese Walzen auf den Zylinder übertragen wird, der die Type trägt. Eine Hochdruckpresse verwendet erhabene Typen, die auf eine zylinderförmige Druckwalze montiert sind. Die Walze wird ihrerseits auf den erhabenen Teilen, welche die Zeichen bilden, mit der Druckfarbe beschichtet und wird gegen das Papier oder ein anderes zu bedruckendes Substrat rotiert. Flexodruck-Pressen verwenden eine Aniloxmesswalze in Verbindung mit Auftragwalzen oder einem Rakel, um eine gleichmäßige Schicht aus Druckfarbe zu definieren, die dann auf den Druckzylinder übertragen wird.
Heutzutage verwenden Flexodruck-Pressen und Hochdruckpressen für Zeitungsdruck Typen, die aus photosensitiven, polymeren Materialien hergestellt werden, die direkt aus einem Lichtbild gebildet werden können. Der polymere Zylinder, wenn ordnungsgemäß entwickelt, weist erhabene Gebiete auf, die das zu druckende Bild reproduzieren. Diese Platte wird auf eine zylinderförmige Walze montiert, die gegen einen Druckfarbenzylinder rotiert, um auf seinen erhabenen Gebieten beschichtet zu werden. Diese Gebiete rotieren gegen ein Substrat (im Allgemeinen Papier), welches durch eine gehärtete Gummiwalze gestützt wird.
Hochdruck- und Flexodrucksysteme können entweder mit auf Lösungsmittel basierenden oder auf Wasser basierenden Druckfarbensystemen verwendet werden. In beiden Fällen besteht die geläufige Praxis darin, ein Lösungsmittel oder Wasser in Gegenwart eines Bindemittelharzes wie, zum Beispiel, Nitrocellulose, Maleinsäureanhydrid, einem Acrylcopolymer oder verschiedenen Stärkederivaten zu mischen. Das Pigment wird durch die Druckwalze auf dem Papier aufgebracht und das Bindemittel dient dazu, die Pigmentpartikel am Platz zu halten. In einigen Beispielen ist das Pigment Farbruß, der direkt in einer hochsiedenden, aliphatischen Kohlenwasserstofflösung suspendiert wird. Diese Druckfarbe hat kein Bindemittel, wird aber statt dessen auf das Papier durch Diffusion des Öls in das Papier fixiert, was eine stark schwärzenden Schicht aus Ruß und Öl auf der Oberfläche des Papiers zurückläßt. Diese auf Öl basierenden Systeme leiden an einer Anzahl an Nachteilen, einschließlich der Tatsache, daß das Papier, da der Druck niemals chemisch auf dem Papier bindet, bei der Handhabung leicht verschmieren kann. Weiterhin gibt es bei diesen Druckfarben eine Tendenz, die verschiedenen Führungswalzen in dem System zu verschmutzen und einen Hintergrund zu erzeugen.
Eine auf Wasser basierende Zusammensetzung für Flexodruckfarben umfaßt im Allgemeinen ein Pigment, einen Polymerharz, ein Bindemittel oder Wachs, ein organisches Lösungsmittel und Wasser. Derartige Zusammensetzungen variieren in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Rohmaterialien, der geforderten Qualität sowie den unterschiedlichen Eigenschaften, die durch eine Vielzahl an Herstellern bereitgestellt werden. Trends in den letzten Jahren führten zu einer Abnahme des Gehalts an flüchtigem organischen Lösungsmittel, um deren Auswirkung auf die Umwelt zu beschränken. Heutzutage enthalten auf Wasser basierende Flexodruckfarben gewöhnlich zwischen 5 und 20 % organische Lösungsmittel. Obwohl sie schädlich sind, können sie nicht einfach fortgelassen werden, da sie dazu beitragen, die Trocknungszeit der Druckfarbe zu vermindern, sobald diese auf eine Oberfläche aufgebracht wurde (Papier, Karton, Kunststoff, usw.). Es wurden nur wenige andere konkrete Anstrengungen für eine Verbesserung des Umweltaspekts von Flexodruckfarben unternommen. Daher setzen sie sich noch immer aus kaum oder nicht biologisch abbaubaren Pigmenten und Polymerharzen zusammen, die sich im Allgemeinen im Nachbehandlungsschlamm sammeln, der aus den Druckfarbenentfernungs-Prozessen resultiert, oder werden in Böden vergraben, wenn das Endprodukt darin beseitigt wird. Biologisch abbaubare Pigmente sind bereits vorhanden, aber sie liefern keine besseren Eigenschaften als synthetische Pigmente. Herkömmliche Zusammensetzungen für Flexodruckfarben werden normalerweise aus auf Acryl, Methacryl, Epoxy oder Styrol basierenden Polymerharzen hergestellt. Zur Zeit kommen in 90 % der Zusammensetzungen für Flexodruckfarben Acryl- und Epoxidharze vor.
U.S. Patent 5,004,664 beschreibt eine Tonerzusammensetzung, enthaltend semikristalline Polyesterharzpartikel, Polyhydroxyalkanoate und Copolymere daraus und Pigmentpartikel. Diese Anwendung ist nur für elektrostatische Druckverfahren geeignet.
U.S. Patent 5,114,479 beschreibt die Verwendung einer verstärkten Latexsuspension als einen Träger, um Farbstoff/Latex-Mischungen für Tiefdruck- und Flexodruckfarben für Zeitungsdruck und verwandte Anwendungen herzustellen. Sie verwendeten wasserlösliche Polymere, die auf Acryl- und Methacrylsäuren basieren.
Tajiri et al. berichten im U.S. Patent 5,120,360 von der Verwendung von Mikrokapseln, die Druckfarbe für Flexodruckanwendungen enthalten. Die Autoren beschreiben, daß Verkapselung der Druckfarbe eine bessere Haftung und Fließfähigkeit gewährleisten. Die für die Mikroverkapselung verwendeten Harze bestehen aus Methacrylat oder Acrylat mit einem Molekulargewicht von 3.000 bis zu 50.000 g/mol.
Vanderhoff und Huwart berichten im U.S. Patent 5,830,927 von einer Druckfarbenzusammensetzung ohne flüchtiges organisches Lösungsmittel und enthaltend ein wasserlösliches Polymer wie Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylamid, Polyacrylsäure, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol und dergleichen.
Takashi et al. berichten im Japan Patent 8092518 von einer biologisch abbaubaren Druckfarbenzusammensetzung, basierend auf Polymilchsäure, ohne die Verwendung von irgendeinem organischen halogenhaltigen Lösungsmittel.
Basierend auf den oben aufgeführten Patenten und Veröffentlichungen, die für den Stand der Technik repräsentativ sind, gibt es noch immer sehr viel Platz für Verbesserungen bei der Herstellung einer auf Wasser basierenden Zusammensetzung für Flexodruckfarben, die zu verbesserten Umwelteigenschaften führen.
Beschreibung der Erfindung
Ein Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung einer Zusammensetzung für Flexodruckfarben, umfassend ein biologisch abbaubares Polymer, ein Bindemittel und ein Lösungsmittel. Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Druckfarben mit der oben genannten Zusammensetzung.
Die Zusammensetzung für Flexodruckfarben kann weiterhin einen Farbstoff oder ein Pigment umfassen, das in einer Konzentration von etwa 1 bis 40 Gew.-% oder in einer Menge vorliegen kann, die auf einem Substrat einen sichtbaren Abdruck effizient gewährleisten kann.
Ein weiteres Polymer zu der Erfindung kann ein synthetisches oder ein natürliches Polymer sein und kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Polyhydroxyalkanoat (PHA), Polymilchsäure (PLA), Poly(lactid-co-glykol)-Säure (PLGA), Polyglykolsäure (PGA), Polycaprolacton (PCL), Polyvinylalkohol (PVA), einem aus Adipinsäure oder Aminocapronsäure abgeleiteten Polymer, Poly(butylen-succinat) oder einem Derivat oder einer Mischung davon.
Das Bindemittel kann eine amphiphile Verbindung sein, die biologisch abbaubar ist, und das Lösungsmittel kann Wasser umfassen oder ein organisches Lösungsmittel wie Alkohol.
Das biologisch abbaubare Polymer liegt vorzugsweise in einer Konzentration von etwa 20 bis 80 Gew.-% vor, das Bindemittel liegt vorzugsweise in einer Konzentration von etwa 0 bis 20 Gew.-% vor, und das Lösungsmittel liegt vorzugsweise in einer Konzentration von etwa 1 bis 25 % vor.
Der Farbstoff kann ein wasserlöslicher Farbstoff, ein basischer oder ein saurer Farbstoff sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer auf Wasser basierenden Zusammensetzung für Flexodruckfarben, einschließlich eines biologisch abbaubaren Harzes wie PHAs.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist die Verstärkung der Eigenschaften der biologischen Abbaubarkeit einer auf Wasser basierenden Zusammensetzung für Flexodruckfarben unter Verwendung von biologisch abbaubaren Verbindungen.
Für das Ziel der Erfindung werden die folgenden Begriffe unten definiert.
Der Begriff „Biopolymer" wie hier verwendet, soll Polymere meinen, die aus natürlichen oder erneuerbaren Quellen erhalten werden, für welche die Art der Synthese natürlich auftritt, wie in Pflanzen oder Mikroorganismen. PHAs sind gute Beispiele, die dieser Definition entsprechen.
Der Begriff „Polymer" wie hier verwendet, soll Makromoleküle meinen, die durch chemische Reaktion synthetisiert werden oder aus Erdöl-Quellen erhalten werden, auch wenn einer der Bestandteile (Monomer, Precursor, usw.) aus natürlichen oder erneuerbaren Quellen erhalten wird. Polymilchsäure (PLA), Polyglykolsäure (PGA), Poly(lactid-co-glykol)-Säure (PLGA), Polyvinylalkohol (PVA) und Polycaprolacton (PCL) werden alle als Polymere gemäß der Erfindung betrachtet.
Der Begriff „Bindemittel" wie hier verwendet, soll eine amphiphile, chemische Verbindung meinen, die sowohl hydrophob als auch hydrophil ist. Aufgrund dieser besonderen Struktur können die Bindemittel mit Polymergranulat wie PHA und PLA, oder mit anderen hydrophoben, unlöslichen Verbindungen wie Pigmenten eine Bindung eingehen.
Der Begriff „Pigment" wie hier verwendet, soll ein Farbmittel meinen, das auf anorganischen oder organischen Partikeln basiert, die sich nicht in Wasser oder Lösungsmitteln lösen. Üblicherweise bilden sie in Wasser eine Emulsion oder eine Suspension.
Der Begriff „Farbstoff" wie hier verwendet, soll ein Farbmittel von natürlichem oder synthetischem Ursprung meinen, das in Wasser oder Lösungsmitteln löslich ist.
Der Begriff „biologisch abbaubar" wie hier verwendet, soll Eigenschaften eines Polymers oder eines Biopolymers meinen, wenn diese einer chemischen oder enzymatischen Hydrolyse unterzogen werden, die zu einer Abnahme ihres Molekulargewichts führt, d. h. sie zerbrechen in kleinere Untereinheiten, die für die Umwelt nicht gefährdend sind. Weiterhin werden diese kleineren Untereinheiten von den Mikroorganismen absorbiert und als Energiequelle verwendet, so wie bei PHAs. So werden PHAs am Ende ihres Lebenszyklus in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt. Der Begriff „biologisch abbaubar" wie hier verwendet, soll auch Eigenschaften von chemischen Einheiten außer Polymeren und Biopolymeren meinen, die einer Absorption durch ein Bakterium unterzogen werden, in welchem sie metabolisiert werden.
Die Begriffe „Granulat" oder „Partikel" wie hier verwendet, sollen sphäroid geformte Polymersegmente meinen mit einer Partikelgrößenverteilung zwischen 0,01 und 10 μm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 μm. Die Begriffe „Granulat" oder „Partikel" wie hier verwendet, sollen auch Pigmente mit einer Partikelgrößenverteilung zwischen 0,01 und 20 μm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 μm meinen.
Der Begriff „Latex" wie hier verwendet, soll eine Suspension von PHA-Granulat und/oder -partikeln in einem wäßrigen Medium meinen. Das PHA-Granulat kann entweder in ihrem nativen Zustand oder resuspendiert in Wasser vorliegen. Natives PHA ist definiert als PHA-Granulat, das durch bakterielle Fermentation hergestellt wird, das niemals ausgefällt wurde; daher bleibt sein Kristallisationsgrad nahe bei oder geringfügig höher als der in dem Bakterium vorliegende, d. h. sehr schwach.
Das Latex kann, in Bezug auf Farbe und Textur wie Milch aussehen, während die Viskosität ähnlich wie Wasser sein kann.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird nun im Folgenden genauer beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als eingeschränkt auf die hier dargelegten Ausführungsformen ausgelegt werden; ganz im Gegenteil werden diese Ausführungsformen gegeben, so daß diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und Fachleuten auf diesem Gebiet den Bereich der Erfindung vollständig übermittelt.
Gemäß der Erfindung wird eine auf Wasser basierende Zusammensetzung für Flexodruckfarben und ein Verfahren zur Herstellung einer Flexodruckfarbe bereitgestellt, die auf einem Lösungsmittel wie Wasser und biologisch abbaubaren Polymerharzen basieren.
Gemäß der Erfindung wird eine auf Wasser basierende Flexodruckfarbe bereitgestellt, die ein biologisch abbaubares Polymerharz umfaßt.
Die Anmelder haben gefunden, daß PHAs in einer Latexform geeignete Rohmaterialien oder Polymerharze darstellen, die für auf Wasser basierende Flexodruckfarbenanwendungen verwendet werden können. Weiterhin haben die Anwender ein Verfahren zur Herstellung von auf Wasser basierenden Zusammensetzungen für Flexodruckfarben einschließlich biologisch abbaubarer PHA-Harze gefunden. Ein PHA-Latex, zu dem ein Pigment und ein Bindemittel gegeben werden, bildet in Wasser eine stabile Zusammensetzung.
Druckfarbenzusammensetzungen, in denen kaum oder nicht biologisch abbaubare, organische Polymerharze ersetzt werden durch biologisch abbaubare Polymere wie Polyhydroxyalkanoate (PHAs), führen zur einem Endprodukt, das verbesserte Eigenschaften der biologischen Abbaubarkeit mit physikochemischen Eigenschaften bietet, die mit denen von derzeitigen, kommerziellen Produkten vergleichbar sind.
Polyhydroxyalkanoate (PHAs) sind natürliche Biopolymere, die in den letzten Jahrzehnten wachsendes Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und Industrie gefunden haben und noch immer finden. PHAs haben eine solche Aufmerksamkeit aufgrund ihrer Eigenschaften der biologischen Abbaubarkeit auf sich gezogen. Tatsächlich gehören unter den großen, heute erhältlichen Mengen an Polymeren und Biopolymeren PHAs zu der begrenzten Klasse von vollkommen biologisch abbaubaren Polymeren. Wenn sie auf Kompoststellen gegeben wurden, im Boden vergraben wurden oder in einer Meeresumgebung versenkt wurden, zersetzten sich PHAs bis zu 100 %. Jedoch tritt, während das Produkt in der umgebenden Atmosphäre gehalten wird, sowie wenn es Sonnenbestrahlung ausgesetzt ist, d. h. während seines Nutzlebens, keine Zersetzung auf. Aus PHAs hergestellte Produkte bewahren ihre physikochemischen, wie auch ihre mechanischen Eigenschaften, bis sie in einen Zustand gebracht werden, in dem sie sich zersetzen sollen.
PHAs sind Polyester, die durch Mikroorganismen wie Bakterien und Algen hergestellt und angereichert werden. PHA ist intrazellulär in Form von Granulat anwesend. Dieses Granulat dient als Kohlenstoffenergiespeicher und werden unter widrigen Bedingungen biosynthetisiert, wenn ein essentieller Nährstoff wie Stickstoff, Sauerstoff oder Phosphor begrenzt ist. Unter derartigen Bedingungen können Bakterien nicht länger wachsen oder sich vermehren und schalten ihren Metabolismus auf die Produktion von PHB um, um eine verwendbare Kohlenstoffquelle zu haben, wenn die Bedingungen wieder normal werden. Daher wird eine Fütterungsstrategie zu einem kritischen Schritt, der eine direkte Auswirkung auf die Ausbeute der Produktion des Biopolymers haben wird. Die Futterquelle ist auch ein wichtiger Faktor, der die Art des hergestellten Biopolymers diktieren wird. Tatsächlich können verschiedene Homo- oder Copolymere durch Variieren der Futterquelle, die dem Mikroorganismus während der Fermentation zur Verfügung gestellt wird, erhalten werden. Die bekanntesten Vertreter der PHA-Familie sind Poly(3-hydroxybutyrat) (PHB) sowie seinem Copolymer Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat) (PHBV).
Wie vorher erwähnt, ist die Haupteigenschaft von PHAs, welche sie einfach von chemisch synthetisierten und petrochemisch abgeleiteten Polymeren unterscheidet, ihre Neigung, sich natürlich und vollständig zu zersetzen, wenn sie in Kompoststellen, Böden oder Meeressedimenten gebracht werden. Die meisten festen Lagerungsstellen sind mit Mikroorganismen bevölkert, die Enzyme sezernieren, die das Biopolymer in Monomereinheiten zerbrechen. Das Monomer wird dann als Kohlenstoffquelle verwendet, um Wachstum des Mikroorganismusses zu fördern.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Bindemittel eine Triblock-Verbindung, die sowohl hydrophile wie auch hydrophobe Eigenschaften aufweist. Mindestens eine Triblock-Verbindung mit sowohl hydrophilen wie auch hydrophoben Eigenschaften kann zu der Latexlösung mit einem Pigment gegeben werden. Diese Lösung wird leicht erhitzt, um das Bindemittel zu lösen und alle Bestandteile homogen zu vermischen. Die resultierende Lösung ist eine auf Wasser basierenden Zusammensetzung für Flexodruckfarben, die mit der Zeit sehr stabil ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung haben auf Wasser basierenden Flexodruckfarben aus nativen PHA-Biopolymerlatexlösungen einschließlich der Zugabe einer Triblock-Verbindung größere Einheitlichkeit, Stabilität mit der Zeit und unterliegen weniger einem Absetzen.
Das biologisch abbaubare Polymer kann ein Polyhydroxyalkanoat, eine Polymilchsäure, eine Polyglykolsäure, ein Polycaprolacton, einen Polyvinylalkohol, ein Polyvinylpyrrolidon oder Copolymere davon umfassen.
Die Erfindung ist anwendbar, um biologisch abbaubare Harze für auf Wasser basierende Zusammensetzungen für Flexodruckfarben aus jeglicher Art von PHA-Biopolymeren zu erzeugen, die durch Pflanzen oder Mikroorganismen entweder natürlich oder durch gentechnische Veränderungen hergestellt werden, sowie aus chemisch synthetisierten PHA-Polymeren.
Die PHA-Biopolymere können Polyester umfassen, die zusammengesetzt sind aus Monomereinheiten mit der Formel:
in welcher n eine ganze Zahl von 1 bis 5 ist; R₁ vorzugsweise H, Alkyl oder Alkenyl ist. Die Alkyl- und Alkenylseitenketten sind vorzugsweise von C₁ bis C₂₀. PHA-Biopolymere können Homopolymere mit der gleichen monomeren Struktureinheit und/oder Copolymere mit mindestens zwei unterschiedlichen, monomeren Struktureinheiten sein. Die Copolymere können statistische, Block-, alternierende oder Pfropfcopolymere sein. Die Molekulargewichte der PHA-Biopolymere liegen in dem Bereich von 500 bis 5.000.000 g/mol, vorzugsweise zwischen 1.000 und 2.500.000 g/mol, und mehr bevorzugt zwischen 2.500 und 1.000.000 g/mol. Orientierung der Monomere kann Kopf-Kopf, Kopf-Schwanz oder Schwanz-Schwanz sein.
PHAs, die gemäß dieser Erfindung verwendet werden können, können Poly(3-hydroxybutyrat), Poly(3-hydroxyvalerat), Poly(3-hydroxyheptanoat), Poly(3- hydroxyoctanoat), Poly(4-hydroxybutyrat), Polyhydroxyalkanoate mit mittlerer Kettenlänge, Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat), Poly(3-hydroxybutyrat-co-4-hydroxybutyrat) und Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyoctanoat) und andere Copolymer davon umfassen. Copolymere von PHA, die hier aufgeführt sind, umfassen normalerweise 40 bis 100 % 3-Hydroxybutyrat-Monomer und vorzugsweise von 60 bis 98 %.
Gemäß dieser Erfindung beträgt die PHA-Konzentration in der Latexlösung von 1 bis zu 50 %, vorzugsweise von 5 bis zu 45 % und mehr bevorzugt von 10 bis zu 40 %. Konzentrationen werden in Gewichtsprozent ausgedrückt. Der Latex kann aus einem nativen Biopolymer oder aus einem resuspendierten Trockenpulver erhalten werden. Die Herkunft des Biopolymers kann auch ausgedehnt werden auf solche, die kristallin sind und mittels Verfahren in den amorphen Zustand zurückgeführt werden, die in der internationalen Patentveröffentlichung WO99/64498 beschrieben werden, welche hier durch Literaturhinweis aufgenommen wird.
Gemäß der Erfindung in ihrem ersten Aspekt ist Mischen und Erhitzen eines PHA-Latex, Bindemittels und Pigments dadurch gekennzeichnet, daß eine auf Wasser basierende Zusammensetzung für Flexodruckfarben einschließlich eines biologisch abbaubaren Polymerharzes erhalten wird. Diese auf Wasser basierende Flexodruckfarbe bleibt mit der Zeit stabil und setzt sich nicht ab. Ein derartiges Verhalten kann durch die Tatsache erklärt werden, daß die terminalen, hydrophoben Endteile des Bindemittels das hydrophobe Granulat oder die hydrophoben Partikel, die in dem Medium vorliegen, wie PHA und Pigment, verbinden, während der hydrophile Kern des Bindemittels den Gehalt und die Stabilität der wäßrigen Domäne gewährleisten. Das resultierende Produkt sieht wie eine Creme aus, d. h. es hat eine größere Viskosität, Absetzen oder Stabilität mit der Zeit im Vergleich zu den anfänglichen, einzelnen Produkten.
Die Verwendung eines biologisch abbaubaren Harzes führt zu einer besser biologisch abbaubaren, auf Wasser basierenden Flexodruckfarbe, was zu einer geringeren gefährdenden Auswirkung auf die Umwelt führt, sobald das Endprodukt auf eine Kompoststelle gebracht wird, oder wird zu weniger toxischem Schlamm führen, der aus Druckfarbenentfernungs-Prozessen stammt.
Eine Struktur der chemischen Triblock-Verbindung entspricht zwei hydrophoben Enddomänen und einer hydrophilen Kerndomäne. Es wird angenommen, daß die hydrophoben Enddomänen leicht durch schwache hydrophob-hydrophobe Wechselwirkungen mit den im Medium vorhandenen hydrophoben PHA-Polymerketten gebunden werden. Gleichartige Wechselwirkungen können mit dem Pigment angenommen werden. Ein gleichartiges Phänomen wird mit Triblock-Verbindungen angenommen, die einen hydrophoben Kern und zwei hydrophile Endteile haben. Zusätzlich wird ein gleichartiges Phänomen mit amphiphilen Verbindungen angenommen, d. h. einem Diblock mit hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften. Es wird jedoch angenommen, daß derartige Systeme weniger Stabilität mit der Zeit und eine weniger verlängerte Absetzzeit bieten.
Eine hydrophobe Domäne kann zum Beispiel lineare und/oder verzweigte aliphatische Ketten C_nH_2n+2 im Bereich von C₁ bis C₄₀ umfassen. Im Falle einer Triblock-Probe mit einer hydrophoben Domäne an beiden Enden muß nur eine lang genug sein, um mit PHA-Ketten oder Pigmentpartikeln in Wechselwirkung zu treten; die andere kann kürzer sein. Lineare und/oder verzweigte, ungesättigte Alkylketten im Bereich von C₂ bis C₄₀, mit einer oder mehreren ungesättigten Bindungen, einschließlich einer oder mehreren aromatischen Einheiten werden ebenfalls in Betracht gezogen.
Eine hydrophobe Domäne kann ein oder mehrere Heteroatome (Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Chlor, Fluor, usw.) enthalten, einzeln oder gemischt. Zum Beispiel ist Poly(propylenglykol) eine hydrophobe Verbindung mit einem Sauerstoffheteroatom in der Hauptpolymerkette und einer verzweigten Alkylgruppe, nämlich einer Methylgruppe.
Eine hydrophobe Domäne kann zum Beispiel aus gesättigten Fettsäuren bestehen mit einer Alkylkette von C₁₀ bis C₃₀, vorzugsweise zwischen C₁₄ und C₂₄, zum Beispiel Laurin-, Myristin-, Palmitin-, Stearin-, Arachidin-, Behen- Lignocerinsäure. Eine hydrophobe Domäne kann auch eine ungesättigte Fettsäure sein, mit einer oder mehreren ungesättigten Alkylketten von C₁₀ bis zu C₃₀, vorzugsweise zwischen C₁₄ und C₂₄, zum Beispiel Palmitolein-, Öl-, Linolein-, α-Linolen-, γ-Linolen-, Arachidon-, Eicosapentaen- und Nervonsäure. Triblock-Verbindungen werden aus einer oder zwei Fettsäuren an ihren Enden hergestellt.
Eine hydrophile Domäne kann zum Beispiel nicht ionische, chemische Einheiten wie Polyalkylenoxid, insbesondere Polyethylenoxid, Glykosid oder Polyglycerin oder Aminoxid umfassen. Eine hydrophile Domäne kann ionische Einheiten wie Carboxylat, Sulfat, Sulfonat, Phosphat, Phosphanat oder Ammonium umfassen. Die hydrophile Gruppe der Triblock-Verbindung kann mehr als eine der chemischen Verbindungen aus der oben genannten Liste enthalten. Die geeignetste hydrophile Domäne ist Poly(ethylenglykol) und Derivate davon mit der Formel HO-(CH₂-CH₂-O)_n-H in welcher n eine ganze Zahl variierend von 1 bis zu 2.500 ist; vorzugsweise von 3 bis 500.
Die hydrophile Domäne kann auch ein hydrophiles Polymer oder Biopolymer sein, wie Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polyepichlorhydrin, Polyacrylate und Derivate davon, sowie Cellulose und seine Derivate (Polysaccharide).
Die Menge sowie die chemische Struktur der Triblock-Verbindungen, die zu dem Biopolymer oder Polymer gegeben werden, um die auf Wasser basierende Zusammensetzung für Flexodruckfarben zu erhalten, wird die Viskosität der Endzusammensetzung beeinflussen. Tatsächlich können einige Parameter der Triblock-Verbindung eingestellt werden, wie Menge an Triblock-Verbindungen gegen Biopolymer oder Polymer und Pigment, globales Molekulargewicht der Triblock-Verbindung, Länge des hydrophilen Blocks, Länge von jedem hydrophoben Block. Andere Parameter können modifiziert werden, um die gewünschte Viskosität und die endgültigen Produkteigenschaften zu erreichen. Diese sind nämlich, aber nicht ausschließlich, das Molekulargewicht des Polymerharzes und die Menge und chemische Natur des Pigments oder des Farbstoffs. Durch Einstellung einiger oder aller dieser Parameter können die Eigenschaften der Endzusammensetzung eingestellt werden. Tatsächlich induziert eine kleine Menge an Triblock-Verbindung vielleicht keine ausreichenden hydrophob-hydrophoben Wechselwirkungen, um die Absetzzeit des Biopolymers und des Pigments zu verlängern. Wenn das Molekulargewicht des Polymerharzes auf ein bestimmtes Niveau vermindert wird, kann eine annehmbare Stabilität erhalten werden und die Zugabe von Bindemittel kann optional werden.
Gemäß der Erfindung kann die Konzentration an Bindemittel von 0 bis zu 20 %, vorzugsweise von 0,5 bis zu 15 % und mehr bevorzugt von 1 bis zu 10 % betragen. Konzentrationen werden in Gewichtsprozent ausgedrückt. Das Bindemittel kann allein oder als eine Mischung aus mindestens 2 bis zu etwa einigen Zehn, in der gleichen oder unterschiedlichen Konzentration verwendet werden. Die Natur des zugegebenen Bindemittels kann ebenfalls variieren. Zum Beispiel eine Triblock-Verbindung mit einer kurzen Kette und eine andere mit einer langen Kette. Zusätzlich können eine oder mehrere amphiphile Verbindungen mit einer oder mehreren Triblock-Verbindungen zugegeben werden.
Gemäß der Erfindung führt die Verwendung eines biologisch abbaubaren Bindemittels zusätzlich zu dem biologisch abbaubaren Polymer zu einer besser biologisch abbaubaren, auf Wasser basierenden Flexodruckfarbe, was zu einer geringeren gefährdenden Auswirkung auf die Umwelt führt, sobald das Endprodukt auf eine Kompoststelle gebracht wird, oder wird zu weniger toxischem Schlamm führen, der aus Druckfarbenentfernungs-Prozessen stammt.
Pigmente sind der zweite Hauptbestandteil der auf Wasser basierenden Zusammensetzung für Flexodruckfarben. Alle erhältlichen Pigmente sind gemäß dieser Erfindung geeignet, ob sie nun in Form von Pulver oder Paste vorliegen. Das Molekulargewicht des Pigments sowie dessen Ladung (kationisch, anionisch oder neutral) verändert das Ergebnis dieser Erfindung nicht.
Gemäß der Erfindung kann die Konzentration des Pigments vorzugsweise von 1 bis zu 40 %, vorzugsweise von 2,5 bis zu 35 % und mehr bevorzugt von 5 bis zu 30 % betragen. Konzentrationen werden in Gewichtsprozent ausgedrückt.
Das Pigment kann durch einen Farbstoff ersetzt werden, mit dem gleichen Konzentrationsbereich. Ebenso wie die Pigmente existiert eine Vielzahl an Farbstoffen und sie sind alle für diese Erfindung geeignet.
Gemäß der Erfindung führt die Verwendung eines biologisch abbaubaren Pigments oder Farbstoffs zusätzlich zu dem biologisch abbaubaren Polymer und Bindemittel zu einer besser biologisch abbaubaren, auf Wasser basierenden Flexodruckfarbe, was zu einer geringeren gefährdenden Auswirkung auf die Umwelt fuhrt, sobald das Endprodukt auf eine Kompoststelle gebracht wird, oder wird zu weniger toxischem Schlamm führen, der aus Druckfarbenentfernungs-Prozessen stammt.
Flüchtige organische Lösungsmittel, die für diese Erfindung geeignet sind, umfassen alle mit Wasser mischbaren, organischen Lösungsmittel mit einem Siedepunkt von unter 100°C, oder Lösungsmittel und werden zu einer azeotropen Mischung mit Wasser führen, was dessen Siedetemperatur herabsetzen wird. Bevorzugte flüchtige, organische Lösungsmittel gehören zur Familie der Alkohole wie Isopropylalkohol.
Gemäß der Erfindung kann die Konzentration an flüchtigem, organischen Lösungsmittel vorzugsweise von 0 bis zu 25 %, vorzugsweise von 1 bis zu 20 % und mehr bevorzugt von 2 bis zu 15 % betragen. Konzentrationen werden in Volumenprozent ausgedrückt.
Gemäß der Erfindung kann Wasser den Rest der Lösung auffüllen. Die Konzentration an Wasser kann von 20 bis zu 80 %, vorzugsweise von 30 bis zu 70 % und mehr bevorzugt von 40 bis zu 60 % betragen. Konzentrationen werden in Volumenprozent ausgedrückt.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Lösungen erhitzt, um das Bindemittel zu lösen und um alle Bestandteile zu homogenisieren. Die Heiztemperatur beträgt zwischen 25 und 80°C, vorzugsweise zwischen 27,5 und 75°C, und mehr bevorzugt zwischen 30 und 70°C.
Im Gegensatz zu den wäßrigen Flexodruckfarben, die im Stand der Technik offenbart wurden, wird die Haftung des wasserlöslichen Farbstoffs an das Substrat nicht durch Umwandlung des wasserlöslichen Farbstoffs in ein wasserunlösliches Reaktionsprodukt erreicht, z. B. durch Reaktion mit einem sorgfältig ausgewählten Bindemittel oder Harz. Es wird angenommen, daß Haftung des wasserlöslichen Farbstoffs in der Flexodruckfarbe gemäß der Erfindung im Wesentlichen durch Eindringen in das Substrat zusammen mit dem Harz und dem Bindemittel erhalten wird. Eine ausgezeichnete Fixierung an das Substrat wird teilweise durch Beschichten und Schützen des Farbstoffs sowohl mit Bindemittel wie auch mit Harz und auch teilweise durch den hydrophoben Charakter des Drucks sichergestellt, was durch die Gegenwart eines Wachsbestandteils erreicht wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Weichmacher oder Verdickungsmittel zu der Flexodruckfarbe gegeben werden.
Die Weichmacher oder Verdickungsmittel, die gemäß der Erfindung in der Flexodruckfarbe verwendet werden, können Glykole umfassen und insbesondere Glykolderivate wie Glykolether und ester und aromatische Glykolester.
Die Verdickungs- oder Rheologie modifizierenden Mittel in der Flexodruckfarbe gemäß der Erfindung können anorganische Substanzen wie Kaolin und kolloidales Siliciumdioxid umfassen, sowie organische Substanzen wie wäßrige Dispersionen von hochpolymeren Acrylpolymeren und Cellulosederivaten.
Weitere Zusätze können Tenside und Dispersionsmittel umfassen.
Da die Wahl des Farbmittels so gut wie frei getroffen werden kann, d. h. ungeachtet der Wahl des Bindemittels, können Flexodruckfarben, die alle möglichen Farbtöne aufweisen, leicht erhalten werden, auch wenn die Farbmittelbestandteile, die in der Druckfarbe verwendet werden, ausschließlich aus der Gruppe der umweltverträglichen Farbmittel ausgewählt werden.
Wenn die Druckfarbenformulierung ein Pigment enthält, ist es günstig, ein Dispersionsmittel zuzugeben, ausgewählt aus einem kationischen, anionischen und vorzugsweise einem nichtionischen Dispersionsmittel. Derartige Dispersionsmittel kommen häufig in den kommerziell erhältlichen Pigmenten vor.
Die Flexodruckfarbenformulierung kann in einer konzentrierten Form hergestellt werden, die später mit Wasser verdünnt wird, bevor sie im Druckprozeß verwendet wird. Die Flexodruckfarbe gemäß dieser Erfindung kann als ein Konzentrat vertrieben werden, das ein Lösungsmittel, das im Wesentlichen aus Wasser besteht, einen Farbstoff oder ein Pigment, ein Bindemittel, Zusätze enthält, und den biologisch abbaubaren Polymerlatex dispergiert in Wasser enthält.
Gemäß noch eines weiteren Aspekts der Erfindung kann das Bedrucken eines Substrats durch den Flexodruckprozeß erreicht werden, indem die wie oben beschriebene Flexodruckfarbe auf das Substrat aufgebracht und die aufgebrachte Druckfarbe Bedingungen ausgesetzt wird, die zur Fixierung des Drucks ausreichen, wenn gewünscht durch Anwenden von Hitze.
Die Flexodruckfarben sind insbesondere für das Bedrucken von Vliesgeweben aus Cellulose, insbesondere Papier und Karton durch das Flexodruck-Verfahren geeignet. Außerdem können gemäß der Erfindung die Flexodruckfarben auch zum Bedrucken von nicht absorbierenden Substraten, z. B. Kunststofffilmen, verwendet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden auch Substrate mit einem dauerhaften Druck darauf bereitgestellt, die aus den Flexodruckfarben gemäß der Erfindung abgeleitet sind.
Die Erfindung wird leichter verstanden unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele, die gegeben werden, um die Erfindung zu erläutern, und nicht, um deren Bereich einzuschränken.
Beispiel I
Herstellung einer auf Wasser basierenden, schwarzen PHA-Flexodruckfarbe
Isopropanol (6 ml) wird bei Raumtemperatur zu Wasser (18 ml) gegeben. Dann werden 5 Gramm Poly(ethylenglykol)-distearat (Molekulargewicht 6.000 g/mol) zu der Lösung gegeben, die bis zur vollständigen Lösung des festen Materials geschüttelt wird.
Diese Lösung wird zu 76 ml einer Latexlösung aus PHA (Konzentration 40 % in PHA mit einem Molekulargewicht von 1.000.000 g/mol und einer Polydispersität von 2) gegeben. Ein Pigment, Farbruß (23 Gramm) wird unter kräftigem Schütteln zu dieser Lösung gegeben, während die Temperatur auf 40°C erhöht wird. Erhitzen und Schütteln werden über eine Dauer von 2 Stunden fortgesetzt, dann wird die Temperatur auf Raumtemperatur zurückgeführt.
Die resultierende Lösung entspricht einer Zusammensetzung für Flexodruckfarben, die mit der Zeit stabil bleibt. Es wurde kein Absetzen nach mehreren Monaten Lagerung beobachtet.
Beispiel II
Herstellung einer auf Wasser basierenden, blauen PHA-Flexodruckfarbe
Das Protokoll, das in Beispiel I durchgeführt wurde, wurde mit einem Farbstoff, Methylenblau (5 Gramm) wiederholt. Es wurde das gleiche Ergebnis in Bezug auf physikochemische und funktionale Eigenschaften sowie für Stabilität beobachtet.
Beispiel III
Herstellung eines Ersatzes für eine acrylische, gelbe Flexodruckfarbe
50 ml einer auf Wasser basierenden, gelben, acrylischen Dispersion Nummer 486305 wird zu 200 ml einer Latexlösung (23 % PHA-Konzentration, Molekulargewicht etwa 1.000.000 g/mol) gegeben. Die Lösung wird homogenisiert und auf 60°C erhitzt. Sobald die Temperatur stabil ist, werden 4 Gramm Poly(ethylenglykol)-distearat (Molekulargewicht 6.000 g/mol) zugegeben. Die Lösung wird auf Raumtemperatur abgekühlt, wenn alle Bestandteile eine homogene Lösung bilden.
Diese Lösung wird auf Kraft- und Formpapiere aufgebracht, mit deutlichen Ergebnissen. Der Druckprozeß schien die gewünschten Ergebnisse zu ergeben und bestätigt, daß die hier beschriebene, auf Biopolymer basierende Druckfarbe ein guter Ersatz für Flexodruckfarben ist, die zur Zeit auf dem Markt erhältlich sind.
Beispiel IV
Herstellung eines Ersatzes für eine acrylische, gelbe Flexodruckfarbe
Es wurde die gleiche Lösung, wie sie in Beispiel III beschrieben wurde, hergestellt, außer daß das verwendete PHA ein vermindertes Molekulargewicht hat, d. h. kleiner als 100.000 g/mol. Die auf Kraft- und Formpapiere erhaltenen Ergebnisse waren mit den in Beispiel III erhaltenen gleichwertig.
Beispiel V
Herstellung eines Ersatzes für eine epoxidische, gelbe Flexodruckfarbe
Es wurde die gleiche Lösung, wie sie in Beispiel IV beschrieben wurde, hergestellt, außer daß das verwendete, gelbe Pigment ein auf Wasser basierender, dispergierter Epoxidester Nummer 4886317 war. Diese Probe erbrachte gute Ergebnisse bei Aufbringung auf Kraft- oder Formpapier.
Während die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist klar, daß sie zu weiteren Modifikationen in der Lage ist, und diese Anwendung soll jegliche Variation, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung abdecken, die, im Allgemeinen, den Prinzipien der Erfindung folgen und schließen solche Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung mit ein, die mit bekannter oder herkömmlicher Praxis innerhalb des die Erfindung betreffenden Fachgebiets kommen und wie sie auf wesentliche Merkmale angewandt werden, die hier vorher dargelegt wurden, und wie im Bereich der angehängten Ansprüche folgt.

Claims

Flexodruckfarbe, umfassend ein biologisch abbaubares Polymer, eine amphiphile Verbindung, ein Lösungsmittel und einen Farbstoff oder ein Pigment in einer Menge, die auf einem Substrat einen sichtbaren Abdruck effizient gewährleisten kann.
Flexodruckfarbe nach Anspruch 1, wobei genanntes biologisch abbaubares Polymer ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Polyhydroxyalkanoat (PHA), Polymilchsäure (PLA), Poly(lactid-co-glykol)-Säure (PLGA), Polyglykolsäure (PGA), Polycaprolacton (PCL), Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylpyrrolidon (PVP), einem aus Adipinsäure oder Aminocapronsäure abgeleitetem Polymer, Poly(butylen-succinat) oder einem Derivat oder einer Mischung davon.
Flexodruckfarbe nach Anspruch 1, wobei genanntes Lösungsmittel Wasser oder ein organisches Lösungsmittel ist.
Die Flexodruckfarbe nach Anspruch 1, wobei genanntes Polymer in einer Konzentration von 20 bis 80 Gew.-%, genannte amphiphile Verbindung in einer Konzentration von 0 bis 20 Gew.-% und genanntes Lösungsmittel in einer Konzentration von etwa 1 bis 25 vorliegt.
Flexodruckfarbe nach Anspruch 1, wobei genannter Farbstoff oder genanntes Pigment in einer Konzentration von 1 bis 40 Gew.-% vorliegt.
Flexodruckfarbe nach Anspruch 3, wobei genanntes organisches Lösungsmittel ein hydrophiles, organische Lösungsmittel oder ein Alkohol ist.
Flexodruckfarbe nach Anspruch 1, welche auch mindestens einen Weichmacher, ein Verdickungsmittel, ein Tensid, ein Dispersionsmittel oder Mischungen daraus umfaßt.
Zusammensetzung, enthaltend eine Flexodruckfarbe nach Anspruch 1.
Verwendung eines biologisch abbaubaren Polymers mit einer amphiphilen Verbindung bei der Herstellung einer Flexodruckfarbe.
Verwendung nach Anspruch 9, wobei genanntes biologisch abbaubares Polymer PHA ist.
Verfahren zur Herstellung einer Flexodruckfarbe, welches Mischen eines Polymers, einer amphiphilen Verbindung, eines Lösungsmittels und eines Farbstoffs oder Pigments in einer Menge, die auf einem Substrat einen sichtbaren Abdruck effizient gewährleisten kann, und Erhitzen der erhaltenen Mischung umfaßt, wobei die Verbesserung darin besteht, daß das genannte Polymer biologisch abbaubar ist..