تا به حال از خودتان پرسیده‌اید که چرا طی چند سال اخیر، همه جا صحبت از مرکب‌های آب‌پایه است و چرا این کالا بعد از سال‌ها، در حال حاضر مورد توجه خاصی قرار گرفته است. واقعیت آن است که به تدریج ملاحظات زیست ‌محیطی به عنوان اولویت و سند بالادستی در تولید قرار می‌گیرد، زیرا هیچ چیز نباید بالاتر از سلامتی انسان‌ها قرار گیرد.
با این تفاسیر، مرکب‌های حلال پایه و حامل مواد خطرناک،‌ جای خود را به مرکب‌های پایه‌آب می‌دهند. اما سازندگان این نوع مرکب،‌ نسبت به تقاضای بازار برای کیفیت چاپ نیز بی‌اعتنا نیستند. امروزه در نتیجه‌ی کوشش واحدهای تحقیق و توسعه کارخانه‌های مرکب‌سازی، مرکب‌های ‌آب‌پایه با قابلیت چاپ و ویژگی‌های مطلوب به بازار عرضه و برای روش‌‌های گوناگون چاپ، با فرمولاسیون مناسب ساخته می‌شوند.
این مقاله به معرفی ویژگی‌های مرکب‌های ‌آب‌پایه می‌پردازد.

ساختارمربوط به مرکب ها :

مرکب آب‌پایه ، مرکبی است حاوی رنگدانه و یا ماده رنگ‌بخش در یک سوسپانسیون کلوئیدی به همراه حلال آب است. اگرچه در مرکب‌های پایه آب، حلال اصلی آب است، ولی حلال‌های کمکی نیز ممکن است در سیستم وجود داشته باشند. این حلال‌های کمکی حاوی ترکیبات آلی فرار (VOC’S) هستند.

مرکب‌های آب‌پایه دارای مشکلاتی هستند که مانع کاربرد وسیع آنها در مقایسه با مرکب‌های حلال پایه بوده است. در دهه 1970، کمبود منابع نفت خام و همچنین آگاهی‌ از تاثیرات زیان‌بار حلال‌های موجود در مرکب‌ها بر روی انسان و محیط زیست، باعث وضع قوانین جدیدی شد که صنعت چاپ را مجبور می‌کرد تا به فکر جایگزینی مانند مرکب‌های آب‌پایه باشد. هدف استفاده از مرکب‌های آب‌پایه نه تنها کاهش ترکیبات آلی فرار، بلکه حذف کامل مواد شیمیایی خطرناک از مرکب بود.

مرکب‌های آب‌پایه تقریبا از 2500 سال قبل از میلاد وجود داشته‌اند. اولین مرکب آب‌پایه، یک سوسپانسیون کربن در آب بود که برای نوشتن به‌کار می‌رفت و پایدار کردن آن با سفیده تخم مرغ و یا نوعی صمغ طبیعی انجام می‌شد. اگرچه مرکب‌های آب‌پایه به مدت 4500 سال وجود داشتند، ولی تا اواخر دهه 1960 به ندرت مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

طبقه بندی مرکب ها :

زمان دسته‌بندی و یا انتخاب مرکب برای هر روش چاپی معین، بعضی از خواص مرکب در نظر گرفته می‌شود. ویسکوزیته، قدرت چسبندگی به سطح، اندازه ذرات، رنگ و قدرت رنگی، زمان خشک شدن، مقاومت سایشی و براقیت از جمله این خواص هستند. تعیین این که آیا مرکب برای کاربرد معین مناسب است یا خیر، ممکن است به موارد دیگری مانند انتقال بو به سطح چاپ شده، باقی ماندن حلال در فیلم مرکب، خروج ماده رنگ‌بخش از فیلم مرکب، مقاومت در برابر گرما، مقاومت در برابر سرما و یا ویژگی‌های دیگری، بستگی داشته باشد.

خاصیت مرکب های آب پایه :
مانند تمامی مرکب‌ها، مرکب‌های آب‌پایه نیز به منظور کاربرد خاص با ویژگی مورد نظر، فرموله می‌شوند. این موارد شامل نوع فرایند چاپ، سطحی که قرار است بر روی آن چاپ انجام شود، محیط چاپ، ساختار مرکب و رنگ مرکب است.

اصلی‌ترین ویژگی‌های مرکب‌های آب‌پایه، شامل ویسکوزیته، کشش سطحی، پایداری دیسپرسیون کلوئیدی، اندازه و شکل ذرات پیگمنت، پایداری در مقابل تنش، پایداری رنگی، کف کردن، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر آب، نقطه جوش، دما و PH آن است.

ویسکوزیته مرکب‌های آب‌پایه به روش‌های مختلف اندازه‌گیری می‌شود.

رئولوژی یک سیستم به چهار دسته تقسیم می‌شود: نیوتونی،‌ غیرنیوتنی (شبه پلاستیک)، دیلاتانت و تیکسوتروپیک. در سیالات نیوتونی با اعمال نیروی برشی به سیستم، ویسکوزیته ثابت می‌ماند. در سیالات غیرنیوتنی و یا شبه پلاستیکی با افزایش تنش، ویسکوزیته کاهش می‌یابد. در سیال دیلاتانت با افزایش تنش ویسکوزیته نیز افزایش می‌یابد. جریان تیکسوتروپیک مشابه جریان غیرنیوتنی است، یعنی با افزایش تنش ویسکوزیته کاهش می‌یابد، با این تفاوت که جریان تیکسوتروپیک وابستگی به زمان نیز دارد. بسیاری از مرکب‌های آب‌پایه در دسته سیالات تیکسوتروپیک دسته‌بندی می‌شوند.

شکل 2 نشان‌دهنده ویسکوزیته مرکب‌های آب‌پایه است. به منظور تنظیم ویسکوزیته تا مقدار مورد نظر، می‌توان از یک غلظت‌دهنده پلیمری استفاده کرد.

کشش سطحی مرکب خواصی همچون کف کردن مرکب و ترکنندگی آن را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به توانایی مرکب در پوشش سطح، ترکنندگی گفته می‌شود. به طور کلی اگر کشش سطحی سطح چاپ‌شونده بالاتر از مرکب باشد، مرکب روی سطح پخش می‌شود. این موضوع به عنوان یک مشکل در مرکب‌های آب‌پایه مطرح است، زیرا کشش سطحی آب بسیار بالا و برابر
 mN/m 72 است. در حالی که اغلب مرکب‌های حلال پایه دارای کشش سطحی بین mN/m 35-20 هستند. به همین دلیل کشش سطحی مرکب‌های آب‌پایه از بسیاری از سطوح چاپی بالاتر است. به منظور حل این مشکل نوعی ماده فعال‌کننده سطح به مرکب اضافه می‌شود و یا با تمیز کردن سطح و روش‌های دیگر، سطح اصلاح می‌شود.

با افزودن ماده فعال‌کننده سطح به مرکب آب‌پایه، کشش سطحی کاهش، ولی تولید کف در مرکب افزایش می‌یابد. در این حالت برای جلوگیری از ایجاد کف باید به سیستم ماده ضدکف (مثل جامدات هیدروفوبیک یا اسیدهای چرب) اضافه کرد.

اندازه و شکل ذرات پیگمنت در مرکب روی ثبات رنگی، پایداری کلوئیدی، ویسکوزیته و خواص دیگر آن تاثیر مستقیم دارد. هر چه اندازه ذرات پیگمنت کوچک‌تر باشد، پایداری سیستم بیشتر می‌شود و قدرت رنگی و درخشندگی مرکب نیز بیشتر خواهد بود.

برای داشتن چاپ با کیفیت خوب،‌ مرکب باید پایداری کلوئیدی داشته باشد، به این معنی که مدت زمان انبارداری آن بالا باشد. در غیر این صورت بدون داشتن پایداری کلوئیدی پیگمنت در مدت زمان کوتاهی رسوب می‌کند و مرکب دیگر قابل استفاده نخواهد بود. دو روش برای افزایش پایداری مرکب‌های آب‌پایه وجود دارد، یکی افزودن ماده فعال‌کننده سطحی و/ یا افزودن نوعی پلیمر به فرمولاسیون مرکب. البته افزودن این مواد به سیستم می‌تواند تاثیرات منفی بر روی کاربرد مرکب و یا قدرت رنگی آن داشته باشد.

دما و PH مرکب‌های آب‌پایه در طول فرآیند چاپ باید کنترل شود، چون هر تغییر کوچکی در آنها باعث پایین آمدن کیفیت چاپ می‌شود. تغییر در دما یا PH مرکب باعث تغییرات ناخواسته در کشش سطحی، ‌ویسکوزیته و پایداری کلوئیدی می‌شود. نقطه جوش مرکب و یا گرمای تبخیر مرکب عاملی مهم در تعیین میزان دما و زمان مورد نیاز برای خشک شدن مرکب است. یکی از مشکلات مرکب‌های آب‌پایه، بالا بودن گرمای تبخیر آب است. برای خشک شدن و تشکیل فیلم مرکب، نیاز است که تمام حلال خارج شود. گرمای تبخیر بالای آب نسبت به حلال‌های مشابه که در مرکب‌ها استفاده می‌شوند، باعث افزایش زمان و دمای مورد نیاز برای خشک شدن مرکب می‌شود.

 

مزیت ها و معایب این نوع مرکب ها :

مرکب‌های آب‌پایه تا دهه 1980 به علت مشکلات زیادی که داشتند، مورد استفاده چندانی قرار نمی‌گرفتند. قبل از آن مرکب‌های آب‌پایه فقط برای سطوح متخلخل مثل کاغذ و مقوا- که نیاز به کیفیت و دقت بالای چاپ نداشتند- استفاده می‌شد. استفاده از مرکب‌های آب‌پایه توسط چاپخانه‌ها، آنها را ملزم به خرید دستگاه‌ها و تجهیزات جدید کرد. مرکب‌های آب‌پایه نیاز به افزایش سرعت خشک شدن داشتند و فقط روی سطوح خاصی قابل استفاده بودند و برای فلزات و سطوح پلاستیکی به کار نمی‌رفتند. همچنین مرکب‌های آب‌پایه روی نوردهای دستگاه چاپ خشک می‌شدند که باعث تخریب همراه با کیفیت چاپ پایینی بودند، همچنین مقاومت ضعیف در برابر آب، مقاومت سایشی پایین و معایب دیگری نیز داشتند. با وارد کردن چند افزودنی به فرمولاسیون مرکب (مانند رزین‌های با وزن مولکولی بالا، واکس‌ها، عوامل فعال‌کننده سطح و مواد دیگر)، خواص فیزیکی مرکب‌های آب‌پایه به طور چشمگیری بهبود یافت. اگر چه در گذشته مرکب‌های آب‌پایه مشکلات زیادی داشتند، امروزه در مقایسه با مرکب‌های حلال پایه عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. قیمت پایین‌تر و آسیب‌های کمتر برای انسان و محیط زیست نیز از مزایای این مرکب‌ها است.

 

کاربرد مرکب های آب پایه :

با توجه به پیشرفت چشمگیر مرکب‌های آب‌پایه طی چهل سال اخیر، این مرکب‌ها امروزه روی بسیاری از سطوح، حتی پلاستیک‌ها و فویل‌ها با کمک روش‌های آماده‌سازی سطوح مانند کرونا قابل استفاده هستند. مرکب‌های آب‌پایه برای چاپ روی کاغذ، مقوا و پارچه کاربرد بیشتری نسبت به فویل، پلاستیک و بسته‌بندی‌های غذایی دارند. یکی از بزرگترین کاربردهای مرکب‌های آب‌پایه که در دهه اخیر گسترش یافته، استفاده در پرینترهای جوهرافشان است. با افزایش تعداد کامپیوترهای خانگی، تقاضا برای پرینتر و همچنین جوهرهای جوهرافشان افزایش یافته است. مرکب‌های آب‌پایه‌ای که در پرینترهای جوهرافشان استفاده می‌شدند، همانند مرکب‌های دیگر عمل کرده و روی سطح اعمال می‌شوند. مرکب روی سطح قرار می‌گیرد، پس از پخش بر روی سطح، تبخیر حلال شروع می‌شود. در حین تبخیر حلال، نفوذ نیز رخ می‌دهد تا مرکب به طور کامل خشک شود(شکل 3). شکل 4 نشان‌دهنده تصویر SEM از یک قطره مرکب از چاپگر جوهرافشان روی سطح کاغذ است. در حالی که در شکل 5 قطره مرکب به سطح نفوذ کرده و حلال تبخیر شده است.

 

تولید مرکب ها :

تولید مرکب‌های آب‌پایه شامل یک اختلاط ساده است. پیگمنت، مواد افزودنی‌ و محمل به صورت جداگانه تولید می‌شوند. هنگام تولید پیگمنت‌ها، اندازه ذرات آنها بسیار بزرگتر از آن است که بتوان در مرکب از آن استفاده کرد. به همین دلیل پیگمنت‌ها آسیاب می‌شوند تا اندازه ذره آنها با توجه به قدرت رنگی، ضخامت پوشش و خواص مورد نیاز از پیگمنت، بین 10 نانومتر تا 5 میکرومتر شود. سپس پیگمنت به همراه یک یا چند حلال با سرعت بالا مخلوط می‌شود که در مرکب‌های آب‌پایه بخش زیادی از حلال یا کل آن آب است. ماده فعال‌کننده سطحی و/ یا یک پلیمر به مخلوط اضافه می‌شود تا پایداری کلوئیدی ایجاد شود. سپس به منظور دستیابی به خواص مطلوب، افزودنی‌ها به مرکب اضافه می‌شود تا تولید مرکب جهت استفاده کامل شود.
 

فرمول تشکیل مرکب‌های آب‌ پایه :

مرکب‌ها از ماده رنگ‌بخش، محمل، حلال و افزودنی‌ تشکیل شده‌اند. به نظر می‌رسد که بی‌نهایت فرمولاسیون برای مرکب‌های آب‌پایه وجود داشته باشد. هزاران نوع پیگمنت، رزین و افزودنی وجود دارد که در ترکیب‌های مختلف با نسبت‌های متفاوت استفاده می‌شوند تا خواص مورد نظر در مرکب ایجاد شود. برای مرکب‌های آب‌پایه به طور معمول 60٪ آب و یا حلال‌های دیگر، 20٪ رزین، 15٪ ماده رنگ‌بخش و 5٪ افزودنی به کار می‌رود. اطلاعات دقیق‌تر در جدول 3  مشاهده می‌شود. یک  فرمولاسیون برای مرکب آب‌پایه جوهرافشان در جدول 4 مشاهده می‌شود. همچنین در جدول 5 یک فرمولاسیون برای مرکب فلکسوی آب‌پایه برای چاپ روی کاغذ مشاهده می‌شود.
نتیجه‌گیری

طی چهل سال اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در تکنولوژی سیستم‌های آب‌پایه ایجاد شده است. اگر چه این پیشرفت‌ها برای چند سال به کندی انجام شد، ولی گسترش تکنولوژی‌ مرکب‌های آب‌پایه همچنان ادامه خواهد داشت. در حال حاضر با توجه به نگرانی‌های زیست‌محیطی، هیچ سیستم جایگزینی برای مرکب‌های آب‌پایه وجود ندارد. امروزه با توجه به توسعه سیستم‌های الکترونیک و جایگزینی آنها به جای سطوح چاپی، استفاده از مرکب‌ها رو به کاهش است. ولي اگر جايي براي مركب در صنعت چاپ باشد، بيش از همه، مركب‌هاي پايه آب آن را اشغال مي‌كنند.