Entwicklung von Tinten zum Bedrucken von Oberflächen aus Polycarbonat (PC)
Forschungsarbeit 2018 - 2021
Es wurde von Seiten unserer Kunden der Wunsch geäußert, Inkjet-fähige Tinten zum Bedrucken von Polycarbonat-Flächen zu erwerben. Diese Tinten sollen entweder Wasser oder Ethanol als Hauptkomponente enthalten. Sie sollen in drei Farbrichtungen Cyan, Magenta und Gelb (CMY) kommen, auf Polycarbonat haften und hinreichend schnell trocknen. Momentan existieren keine Tinten, die diese Anforderungen erfüllen.
Aufgabenstellung
Entwicklung eines Satzes von CMY Inkjet-Tinten zum Bedrucken von Polycarbonat. Eine Lösung dieser Aufgabe könnte als Nebeneffekt auch die Nutzung solcher Inkjet-Tinten auch bei anderen “problematischen“ Werkstoffen erlauben.
Lösungsansätze
Aufgrund der hydrophoben Eigenschaften von Polycarbonat (PC), gepaart mit fehlenden Poren, die Farbstoff aufnehmen könnten, gibt es nur zwei mögliche Ansätze.
Erster Ansatz:
Ein Zusatz, der eine hohe chemische Affinität zum PC aufweist und gleichzeitig als Träger für den Farbstoff dient. Das kann nur ein weiterer organischer Kunststoff sein. Es sollte ferner löslich in Wasser oder Ethanol sein. Das schränkt die Zahl der Kandidaten bereits sehr stark ein. Es müssen Polyamine sein: Polyethylenimin (PEI) oder Polyvinylpyrrolidon (PVP). Diese sind verfügbar und preiswert. Andere Polyamine sind zwar der Wissenschaft bekannt, jedoch keine kommerziellen Produkte. Weitere Kandidaten sind Polyvinylalkohole (PVAL), sie sind jedoch die zweite Wahl gegenüber den Polyaminen. Eine Kombination verschiedener Kandidaten ist ebenfalls möglich, und könnte Vorteile bringen. Es wäre auch möglich ein Polymer zu verwenden, welches sich nicht in Wasser löst, jedoch einen niedrigen Schmelzpunkt und Affinität zum PC besitzt. Es kann als stabilisierte Emulsion in der Tinte vorgelegt werden, schmilzt beim Druck, und verfestigt sich auf der Oberfläche zu einem harten Film. Ein geeigneter Kandidat ist das Polylacton (PL) mit dem Schmelzpunkt von 30 bis 65 °C, je nach Molmasse und Funktionalisierung.
Zweiter Ansatz:
Man könnte der Tinte Zusatzstoffe zufügen, die Polycarbonat angreifen. Dann würden sich beim Druck Poren bilden, in denen der Farbstoff stabil eingelagert ist. PC ist allerdings sehr chemisch beständig, und man möchte in der Druckindustrie auch nicht mit starken Säuren oder Laugen arbeiten. Deshalb gibt es hier nur eine geeignete Stoffklasse: niedere Amine, wie Triethanolamin.
Risiken
Beide Ansätze weisen mehrere Entwicklungsrisiken auf. Zum einen könnte die Haftung des Polymerfilms immer noch mangelhaft sein. Eine mögliche Lösung ist die Nutzung des zweiten Ansatzes zusammen mit dem ersten, siehe unten. Ein weiteres Risiko ist die Möglichkeit, dass der Film nach dem Druck klebrig ist – und nicht glatt und fest. Damit hängt auch die Möglichkeit zusammen, den Aufdruck mit Wasser wieder abzulösen, was nicht wünschenswert ist. Diesem Problem könnte man mit Zusätzen begegnen, die den Film verfestigen und hydrophobieren. Das können zum Beispiel Schichtsilikate sein. Wahrscheinlich ist es vorteilhaft, beide Ansätze zu kombinieren.
Arbeitspakete
- Auswahl und Einkauf von Reagenzien. Konzipierung eines Testsystems.
- Auswahl einer geeigneten Tintenrezeptur unter den bereits vorhandenen. Diese dient dann als Startpunkt für die Entwicklung.
- Versuche mit PEI – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
- Versuche mit PVP – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
- Versuche mit PVAL – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
- Versuche mit PL – verschieden Konzentrationen, Molmassen usw.
- Aufbauend auf den obigen Modulen – Kombination verschiedener Polymere, z.B. PEI und PVAL, oder PL und PVP.
- Versuche mit geeigneten niederen Aminen – Triethanolamin, Triethylamin, diverse Ethylendiamin-Derivate.
- Untersuchung geeigneter Zusätze, falls die unter Risiken beschriebenen Probleme auftreten.
- Aufbauend auf den obigen Modulen – Kombination verschiedener Polymere mit niederen Aminen und Zusätzen zur endgültigen Rezeptur.