هیچ از خودتان پرسیده‌اید که چرا طی چند سال اخیر، همه جا صحبت از مرکبهای آب‌پایه است و چرا این محصول پس از سال‌ها، در حال حاضر مورد توجه خاصی قرار گرفته است. واقعیت آن است که به تدریج ملاحظات زیست‌محیطی به عنوان اولویت و سند بالادستی در تولید قرار می‌گیرد، زیرا هیچ چیز نباید بالاتر از سلامتی انسان‌ها قرار گیرد.
هیچ از خودتان پرسیده‌اید که چرا طی چند سال اخیر، همه جا صحبت از مرکبهای آب‌پایه است و چرا این محصول پس از سال‌ها، در حال حاضر مورد توجه خاصی قرار گرفته است. واقعیت آن است که به تدریج ملاحظات زیست‌محیطی به عنوان اولویت و سند بالادستی در تولید قرار می‌گیرد، زیرا هیچ چیز نباید بالاتر از سلامتی انسان‌ها قرار گیرد.
با این رویکرد، 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.
نام مرکب به مایع و یا ماده خمیری برای نقاشی، نوشتن و چاپ متن و یا شکل اطلاق می‌شود که مورد استفاده قرار می‌گیرد. روشهای متنوعی مانند لترپرس، فلکسوگرافی، لیتوگرافی، گراور و اسکرین و نیز روشهای چاپ غیرتماسی (NIP) مانند چاپ جوهرافشان برای چاپ کردن وجود دارد. هریک از این روشهای چاپ مرکب مخصوص به خود را دارند. میزان فروش مرکب در آمریکا برای هر یک از روش چاپ در جدول شماره يك آمده است.
مرکب یک سیستم کلوئیدی است که از رنگ بخش، رزین، حلال و مواد افزودنی تشکیل شده است. به دلیل کاربردهای متنوع و متفاوت مرکب‌ها، خواص و فرمولاسیون آنها بس متنوع است.
رنگ بخش در مرکب می‌تواند رنگدانه و یا ماده رنگزا (dyestuff) باشد. پیگمنت‌ها به انواع معدنی، آلی، فلزی، فلورسنت، صدفی و غیره دسته‌بندی می‌شوند. تمام پیگمنت‌ها در محمل خود غیرقابل حل هستند، در حالی که مواد رنگ‌بخش (dyestuff) در محمل حل می‌شوند. معرفی یک پیگمنت معمولی، به‌طور معمول از طریق فرمول شیمیایی و یا شماره کالر ایندکس انجام می‌گیرد. رنگدانه‌ها در اغلب فرمولاسیون‌های چاپ استفاده می‌شوند. در حالی که مواد رنگ‌بخش بیشتر در جوهرهای آب‌پایه مانند جوهر خودکار به کار می‌روند.
امروزه جوهرهایی ساخته شده است که هم از پیگمنت و هم از ماده رنگ‌بخش در فرمولاسیون آنها استفاده می‌شود. برای مواد رنگ‌بخش می‌توان Eosine را مثال زد که به طور معمول برای جوهر خودکار قرمز از آن استفاده می‌شود. دو پیگمنت مصرفی اکسید تیتانیوم برای مرکبهای سفید و کربن‌بلک برای مرکبهای مشکی به کار می‌روند. پیگمنت‌های آلی برای مرکبهای رنگی به کار می‌روند، به طور مثال پیگمنت‌های فتالوسیانین که در تولید مرکبهای سبز و آبی استفاده می‌شوند و پیگمنت‌های آزو که در مرکبهای زرد و قرمز به کار می‌روند.
محمل مرکب که به آن بایندر، یا ورنی نیز گفته می‌شود، به مواد رنگ‌بخش اجازه می‌دهد تا در یک فرم قابل چاپ روی سطح قرار گیرند. بایندرها بخشی از محمل هستند که اغلب شامل رزین‌هایی می‌شوند که پس از چاپ به همراه ماده رنگ‌بخش بر روی سطح باقی می‌مانند. گاهی افزودنی‌ها نیز به عنوان بخشی از بایندر در نظر گرفته می‌شوند. در جدول 2 می‌توانید بایندرهای مصرفی در فرایندهای چاپ را ببینید. رزین‌ها، مواد پلیمری هستند. از انواع رزین‌های سنتزی می‌توان به رزین‌های اپوکسی، پلی آمید و آکریلیک اشاره کرد.
حلال به منظور حل کردن بایندر در مرکب استفاده می‌شود، علاوه بر این باعث تغییر ویسکوزیته آن نیز می‌شود. از حلال‌ها می‌توان زایلن، تولوئن، روغن‌های معدنی، الکل‌ها، استرها، کتون‌ها و آب را نام برد. در جدول 2 حلال‌های مصرفی در هر روش چاپ نشان داده شده است. در بسیاری از فرآیندهای چاپ و بسیاری از فرمولاسیون‌های مرکب‌ها، حلال با خشک شدن مرکب از آن خارج می‌شود. در بعضی از موارد مانند مرکبهای پخت‌شونده با اشعه UV، حلال داخل فیلم مرکب باقی می‌ماند و بخشی از بایندر می‌شود.
افزودنی‌ها به طور معمول درصدهای بسیار کمی از فرمولاسیون مرکب را تشکیل می‌دهند. آنها به منظور تنظیم خواص مرکب و یا دادن یک ویژگی به منظور افزایش کارآیی، به فرمولاسیون اضافه می‌شوند. مرکب می‌تواند حاوی افزودنی‌هایی مانند واکس، پلاستی‌سایزر، ضدکف، بهبوددهنده خواص تیکسوتروپیک، براق‌کننده، ضد پوسته، بهبوددهنده چسبندگی و خشک‌کن‌ها باشد.
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.
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.
هنگام 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.
خواص مرکبهای آب‌پایه
همانند 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.
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.
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.
دما و PH مرکبهای آب‌پایه در طول فرآیند چاپ باید کنترل شود، زیرا هر تغییر کوچکی در آنها باعث ضعیف شدن 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.
مزایا و معایب مرکبهای پایه آب
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.
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 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.
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.
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.