BRPI1003090A2 - composição para tintas, vernizes e tìneres de impressão - Google Patents

Abstract

COMPOSIçãO PARA TINTAS, VERNIZES E TINERES DE IMPRESSãO. A presente invenção refere-se à composição para tintas, vernizes e tíneres de impressão empregando Acetatos de Alquila em especial o acetato de sec-butila bem como sua mistura com alcoóis naturais ou sintéticos e eventualmente um éter de glicol ou cetona, sendo uma opção de um sistema solvente com evaporação equilibrada diminuindo consideravelmente a emissão de VOC (composto orgânico volátil) e a reposição de solventes durante o processo de aplicação.

Description

"COMPOSIÇÃO PARA TENTAS, VERNIZES E TÍNERES DE IMPRESSÃO"

Campo de Aplicação

A presente invenção refere-se à composição de solventes para tintas e vernizes de impressão que proporcionam a redução de perdas de solventes por evaporação e da formação de poluentes em baixa atmosfera empregando acetatos de alquila como por exemplo o acetato sec-butila bem como misturas de solventes contendo alcoóis sintéticos ou naturais, éteres glicólicos e cetonas.

Fundamentos da invenção

Nas literaturas e patentes disponíveis sobre o assunto é possível observar trabalhos relativos a substituição de solventes convencionais por solventes com baixa reatividade fotoquímica ou reatividade negligenciável (US6.506.243; US2002/0115781), formulações de tintas de impressão contendo ésteres e alcoóis como solvente para a obtenção de melhor controle de secagem (US6.444.019). Porém não há trabalhos com a importância do propósito de formulações equilibradas de solventes para alcançar a diminuição de emissões de solventes durante o processo de aplicação de tintas de impressão e consequentemente a diminuição da formação de poluentes (ozônio) devido a reatividade fotoquímica dos solventes utilizados.

A patente norte-americana US6.506.243, iiEnvironmentally preferredfluids andfluid blends" da ExxonMobil Chemical de maio/1999, trata e reivindica a substituição de solventes convencionais por solventes com baixa reatividade fotoquímica tais como ésteres, ésteres-álcool e carbonatos, reduzindo a formação de ozônio na troposfera e de baixa toxidade na aplicação industrial incluindo tintas de modo geral.

O pedido de patente norte-americano publicado como US2002/0115781, iiCoatings and inks based on solvents having negligible photochemical reactivity" da ARCO Chemical Tecnology de agosto/2002, trata e reivindica o uso de acetato de t-butila e outros solventes sendo benzoato de metila, trifluoracetato de metila, carbonato dimetila, pivalato de metila, t-bitanol, carbonato de propileno, benzoato de t-butila, carbonato de di-t-butila, carbonato de metil t-butila e nitroalcanos, utilizados em formulações de tintas para madeira, automotiva OEM, repintura automotiva, impressão, industrial geral, que apresentem baixo índice de VOC com base na reatividade fotoquímica.

A patente norte-americana US6.444.019, "Ink jet ink composition" da Videojet Technologies de setembro/2002, trata e reivindica formulações específicas de tinta de impressão ink jet para substratos não poros contendo solventes, resinas e corantes tradicionais assim como óleos secativos, não secativos e semi-secativos, com vantagens de secagem rápida sem causar entupimentos nos bicos de impressão.

O homem da técnica já conhece composições de solventes empregados na fabricação de tintas, vernizes ou tíneres, em particular as tintas de impressão flexográficas e rotográficas, compreendendo solventes ou diluentes como: Acetato de Etila, Isopropanol, Éter Glicólico do monopropilenoglicol e do monoetilenoglicol, Etanol, Diacetona álcool, n-Butanol, iso-Butanol, ou ainda suas misturas. Estes compostos, quando empregados na fabricação de tintas, vernizes ou tíneres para tintas de impressão apresentam a desvantagem de apresentarem grandes diferenças de taxas de evaporação, provocando desbalanceamento da formulação e emissão para atmosfera de solventes de alta volatilidade durante o processo de aplicação.

Tão importante quanto ao poder de solvência para uma série de aplicações dos solventes industriais pode-se citar o comportamento de evaporação na qual ocorre através da troca de calor do solvente com o meio, incluindo o substrato. Quanto menor a pressão exercida sobre a superfície de um líquido, mais fácil é a vaporização, pois as moléculas do líquido encontram menor resistência para abandoná-lo e transformar-se em vapor. A velocidade de evaporação de cada solvente é um fator essencial para o desenvolvimento de uma formulação com evaporação equilibrada, porém o grande desafio está na adaptação para atender às condições de aplicação, formação de filme, compatibilidade com a resina, estabilidade entre outras, garantindo assim a qualidade da tinta durante e após sua aplicação.

Na presente invenção são apresentados ganhos no uso de formulações específicas de solventes em relação às perdas por evaporação na aplicação e aos impactos ambientais e humano, relacionados com a formação de ozônio na troposfera (baixa atmosfera terrestre) e os limites de exposição ao usuário.

A formação de ozônio na troposfera é originada da reação fotoquímica entre compostos orgânicos voláteis, chamados de VOCs (sigla em inglês para " Volatile Organic Compounds") e os óxidos de nitrogênio (NOx) presentes na atmosfera. A chamada baixa atmosfera terrestre é a região onde estão a grande diversidade de seres vivos e a presença do ozônio acarreta danos severos ao sistema respiratório.

A existência de ozônio em alta atmosfera é desejável para o bloqueio da radiação ultravioleta do sol, mas indesejável na baixa atmosfera devido a toxicidade do ozônio ao ser humano e outros seres vivos.

Os VOCs são substâncias derivadas do carbono que evaporam com certa facilidade, desta forma a maioria dos solventes industriais enquadra-se nesta definição. Estes podem ou não apresentar efeitos danosos à vida humana. A intensidade de problemas gerados pelos VOCs depende do tipo de substância, da quantidade emitida e do tempo de exposição ao ser vivo.

Os compostos orgânicos voláteis são emitidos através de várias fontes, como por exemplo, escapamentos de automóveis, processos industriais, produtos de consumo, tintas e revestimentos, dentre outros. A indústria de revestimentos contribui com uma pequena porção da emissão de compostos VOC e nestas aplicações os solventes correspondem à maioria das emissões.

Para as formulações de tintas e vernizes são aplicáveis o conceito de VOC para determinação da quantidade de solvente classificada como VOC e/ou o conceito da reatividade fotoquímica da fração volátil da formulação, baseada no potencial de formação de ozônio de um determinado VOC sob condições atmosféricas específicas e concentrações de NOx.

O potencial de formação de ozônio é então expresso como reatividade incrementai máxima ou MIR (sigla em inglês para iiMaximum Incrementai Reactivity"). O valor de MIR é expresso em gramas de ozônio formado por grama de VOC (g03/gV0C).

VOCs+NO(x) + O2+Luz —> O3 (principal poluente)+HNO3 + Compostos Orgânicos

Este método foi introduzido no estado da Califórnia nos EUA através do Califórnia Air Resources Board (CARB) que reconheceu grande eficiência na redução do potencial de formação de ozônio de formulações de tintas utilizando o MIR como parâmetro. Este conceito está avançando para a regulamentação de VOCs em tintas nos EUA, de modo especial para as tintas aplicadas por sistema de pulverização.

Os VOCs possuem reatividades fotoquímicas diferentes produzindo mais ou menos ozônio. Desta forma, os "MIRs" não são iguais entre os solventes e o desenvolvimento de solventes e formulações com compostos de baixo MIR é demanda necessária para a evolução das formulações de tintas.

Entretanto, o limite de exposição aos solventes se faz necessário devido à apresentação de problemas indesejáveis à saúde humana quando absorvidos pelo organismo. Os efeitos tóxicos podem dar-se diferentemente dependendo da forma de exposição como uma irritação à área de contato ou sistemático devido à absorção do solvente no fluxo sangüíneo, podendo ser rapidamente reversíveis ou se estenderem por tempo mais prolongado dependendo do caso.

A absorção pelo organismo pode acontecer de diferentes formas sendo as mais importantes por vias respiratórias (inalação), pele (adsorção) ou por ingestão. No caso de aplicações de tintas, vernizes e solventes, o mais importante é a absorção por inalação.

Um efeito comum decorrente da exposição a uma quantidade suficiente de muitos solventes orgânicos é a depressão generalizada das funções do sistema nervoso central, sendo que a severidade deste efeito pode progredir com a exposição contínua.

Na grande maioria das causas de exposição, seus efeitos podem ser revertidos após a remoção da exposição. Isto porque o organismo humano é capaz de metabolizar e eliminar as quantidades típicas de solventes a que estamos expostos em nossas casas, no ambiente de trabalho entre outros.

A exposição do público geral a solventes através do uso normal de produtos de consumo raramente leva a efeitos nocivos. Portanto, desde que manuseados de forma recomendada e armazenados de maneira adequada, e dentro dos limites de exposição, os solventes podem ser utilizados com segurança.

Para garantir a segurança dos funcionários, em ambientes de trabalho são recomendados limites de concentrações de solventes no ar em ambientes de trabalho na qual são chamados de uThreshold Limit Values" (TLV®).

Os valores mais comuns publicados são os valores de TLV — TWA® (iiTime-Weighted Averagen) que é a concentração média ponderada no tempo, para um trabalhador normal de 8 horas diárias e 40 horas semanais, à qual praticamente todos os trabalhadores podem ser repetidamente expostos sem prejudicar a sua saúde. A ACGIH® (,American Conference of Governmental Industrial Hygienists - EUA) é um exemplo de órgão que disponibiliza informações de TLV® para diversos compostos, sendo uma das maiores referências mundiais.

Considerando o TLV - TWA® estabelecido pela ACGIH®, é possível verificar o índice de risco de uso dos solventes.

O IR (índice de risco) é o perigo provocado por uma atmosfera muito rica em solvente(s) e está ligado à concentração deste(s) no ar. E função entre o TLV® e sua respectiva Taxa de Evaporação (TE).

A Taxa de Evaporação é a razão do tempo de evaporação de 90% de um solvente pelo tempo de evaporação de 90% do solvente padrão Acetato de n-Butila. CXi seja, quanto maior a taxa de evaporação, mais volátil é o solvente.

Objetivos ou Vantagens da Invenção

Foi desenvolvida composição de solventes para tintas, vernizes ou tíneres para tinta de impressão flexográfica, capacitada para substituir os solventes ou diluentes tradicionais de mercado, com as vantagens da diminuição significativa na emissão de solventes para a atmosfera, diminuição do potencial de formação de ozônio em baixa atmosfera e menor impacto negativo ao ser humano.

Adicionalmente a invenção trata da utilização de solventes obtidos a partir de insumos de fontes renováveis e que também contribuem para a redução do potencial de dano ao meio ambiente dos produtos empregados neste mercado.

Descrição Resumida da Invenção

A composição para tintas e vernizes de que trata a invenção compreende uma formulação com acetato de alquila como por exemplo o acetato sec-butila que possui taxa de evaporação média e quando combinado com alcoóis naturais ou sintéticos e eventualmente com um éter de glicol ou uma cetona apresenta estabilidade e evaporação equilibrada durante aplicação diminuindo significativamente a emissão de compostos orgânicos voláteis "VOC" diminuindo consideravelmente a necessidade de reposição de solventes no sistema de aplicação devido às perdas por evaporação sem alterar as propriedades importantes do sistema de pintura tais como estabilidade, formação de filme e retenção de solvente na embalagem.

Descrição Detalhada da Invenção

Foi desenvolvida composição de solventes para tintas e vernizes compreendendo acetatos de alquila como por exemplo o acetato de sec-butila, alcoóis e éteres glicólicos, apresentando baixa emissão de VOC durante o processo de aplicação.

O acetato de sec-butila pode ser obtido através da produção industrial por rota de esterificação direta, conforme mostrado abaixo: <formula>formula see original document page 8</formula>

sec-Butanol Ácido Acético Acetatodesec-Butila Água

Essa rota apresentou um desafio importante na inibição de reações paralelas, comuns a alcoóis secundárias nas condições normais de reação, como a geração de butenos e éteres do sec-butanol, que levariam a dificuldades em atingir as especificações e maior consumo energético em processos de purificação, além da geração de resíduos de fabricação.

A efetividade das soluções foi comprovada a partir da fabricação do produto em instalações industriais, respeitadas as condições, parâmetros e características de produção desenvolvidas por professores, pesquisadores e técnicos envolvidos.

As formulações de tintas são preparadas a partir da associação do acetato de sec-butila com outros solventes visando balancear as propriedades de solvência e evaporação, que satisfazem às exigências de secagem, fluidez, nivelamento do filme, resistência mecânica, brilho e resistência ao branqueamento, dentre outros requisitos.

Os filmes de polímeros orgânicos são, em geral, produzidos a partir da aplicação de uma solução, ou dispersão, sobre o substrato, seguida de evaporação do solvente com formação do filme por secagem ou coalescência. O sistema solvente desempenha um papel fundamental no controle da solubilidade das resinas e na taxa de secagem, que terão, por conseqüência, forte influência nas propriedades finais do revestimento.

O conhecimento do comportamento de solubilidade das resinas, formadoras de filme no sistema solvente, é essencial do ponto de vista tecnológico, e diferentes morfologias de filme têm sido obtidas variando o sistema solvente.

A solubilidade de um polímero, em um certo solvente é entendida por modelos semi-empíricos, utilizando os chamados parâmetros de solubilidade. Esses modelos consideram a solubilidade de uma molécula em um solvente a partir relação entre os parâmetros de solubilidade do solvente e do soluto, e quanto mais próximos forem esses valores (ôsolvente e 6soluto) melhor será a solubilidade do sistema. Dessa forma, o modelo orienta pela seleção e desenvolvimento de sistemas capazes de propiciar a solubilização das resinas.

A tabela 1 demonstra o raio de solubilidade de diferentes tipos de resinas em comparação com o raio de solubilidade proporcionado pela interação com o acetato de sec-butila. No trabalho de desenvolvimento foram estudadas estas interações e as composições de solventes com o novo produto.

Tabela 1: raios de solubilidade requeridos de diferentes resinas comparativamente ao raio de solubilidade em acetato de sec-butila.

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O segundo parâmetro relevante para o desenvolvimento das aplicações, está relacionado com a volatilidade ou taxa de evaporação do solvente, e deste comportamento em misturas com outros solventes do sistema. Essas características também são modeladas a partir das propriedades físicas e de interação molecular entre diferentes substâncias.

A tabela 2 apresenta as propriedades de diferentes solventes. O ponto de ebulição e a taxa de evaporação caracterizam o produto (acetato de sec-butila) no grupo dos solventes de evaporação média, com ponto de ebulição entre 100 e 150°C.

Tabela 2: Propriedades físico-químicas de diferentes solventes.em comparação ao acetato de sec-butila.

<table>table see original document page 9</column></row><table> Foi desenvolvida uma composição que pode empregar o acetato de sec-butila encontrado no comércio de nome Ultrasolve M1200 com excelente poder de solvência e baixa reatividade para formação de ozônio em baixa atmosfera, em combinação com alcoóis tais como etanol, sec-butanol e Isopentanol, podendo ser utilizado em diferentes formulações de tintas, vernizes e tíneres para impressão em substituição de formulações de solventes tradicionais tais como Acetato de Etila, Éter Monometílico do Propileno Glicol, Isopropanol,

Diacetona álcool, n-Butanol, diminuindo consideravelmente o impacto ambiental e ao ser humano, obtendo-se propriedades de solvência e evaporação do produto final adequadas para as aplicações pretendidas.

Composições para tintas, vernizes ou tíneres segundo a invenção podem ser adaptáveis a diversos tipos de formulações a partir do balanço das formulações para a obtenção das propriedades requeridas de velocidade de evaporação e capacidade de dissolução dos polímeros empregados. As formulações podem ser preparadas a partir de qualquer método usual para mistura de solventes e/ou formulação de tintas, vernizes e tíneres.

A adequação das formulações às aplicações pretendidas é demonstrada a partir da comparação das viscosidades das formulações e da determinação da velocidade de evaporação do sistema solvente, a retenção dos solventes após aplicação em filmes plásticos flexíveis e a perda de solvente por evaporação durante o processo de aplicação da tinta sobre o substrato.

A melhoria das formulações em relação ao impacto ambiental é verificada pelo potencial de redução da emissão de VOCs demonstrada a partir da comparação das formulações sob condições de agitação e exposição a atmosfera.

Exemplo

Foi realizado experimento avaliando a aplicação do acetato de sec- butila em formulações de tíneres de diluição, utilizando-se uma tinta flexográfica padrão a base de resina Nitrocelulose e Poliuretano, com objetivo de obter um tíner de maior equilíbrio na evaporação proporcionando a diminuição de perda de solventes e conseqüente diminuição na reposição de solvente durante a aplicação da tinta,

1. Formulações de tíneres de diluição avaliados (Tabela 3):

Tabela 3: Tíneres para diluição de tinta de impressão flexográfica

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2. Perdas de solventes por evaporação durante a aplicação Foram realizados testes de laboratório a fim de verificar e quantificar a evaporação de solventes durante o processo de uso da tinta no processo de pintura por impressão. As amostras para testes foram geradas através da diluição da tinta padrão com os respectivos tíneres de diluição para a viscosidade de 20 segundos em viscosímetro copo Zahn 2 à temperatura de 25°C

Tabela 4: Parâmetros da tinta após diluição

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As amostras foram submetidas à agitação (disco tipo cowles, 700 rpm) por 5 horas, em vaso aberto, provocando a evaporação dos solventes.

Posteriormente foram determinadas as quantidades de solventes perdidos por evaporação e analisadas as características da tinta após aplicação, conforme abaixo:

Tabela 5: Parâmetros da tinta após diluição e agitação por 5 horas em vaso aberto

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Os ganhos em relação à reposição de solventes devido a evaporação durante a agitação variam de 5% a 30% comparativamente aos padrões de mercado. Os ganhos em relação a redução de VOC (MER), considerando a menor emissão de solventes para a atmosfera chegam a 18%.

3. Outros resultados de desempenho (Tabela 6)

Tabela 6: Parâmetros da tinta após diluição

<table>table see original document page 12</column></row><table> Dessa forma, face ao que foi acima exposto, a presente invenção proporciona uma composição para tintas, vernizes ou tíneres para impressão, que é caracterizada por compreender uma mistura de balanceada de solventes fundamentados em acetatos de alquila, alcoóis sintéticos ou naturais, éteres glicólicos e cetonas capazes de proporcionar a redução de perdas de solventes por evaporação e da formação de poluentes em baixa atmosfera.

Numa realização preferencial, a composição compreende acetatos de alquila de 3 a 5 átomos de carbono em uma quantidade na faixa de 5 a 40% em massa Numa outra realização preferencial, a composição compreende o acetato de sec-butila em uma quantidade na faixa de 5 a 40% em massa. Numa outra realização preferencial, a composição compreende uma mistura balanceada de solventes fundamentados em alcoóis de 2 a 5 átomos de carbono com 5 a 70% em massa de alcoóis com estruturas lineares e/ou ramificadas. Numa outra realização preferencial, a composição compreende uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos alcoóis com 30 a 70% em massa do álcool etílico. Numa outra realização também preferencial, a composição compreende uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos alcoóis com 5 a 50% em massa do álcool sec-butílico. Em outra realização preferencial, a composição compreende uma mistura balanceada de solventes fundamentados em cetonas de 3 a 5 átomos de carbono e com 1 a 30% em massa. Em outra realização preferencial, a composição compreende uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos éteres glicólicos com 1 a 40 % em massa. Em outra realização preferencial, a composição compreende uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos éteres glicólicos com cerca de 1 a 40% em massa de éteres glicólicos derivados do óxido de eteno ou óxido de propeno.

Claims (9)

1. Composição para tintas, vernizes ou tíneres para impressão, caracterizada por compreender uma mistura de balanceada de solventes fundamentados em acetatos de alquila, alcoóis sintéticos ou naturais, éteres glicólicos e cetonas capazes de proporcionar a redução de perdas de solventes por evaporação e da formação de poluentes em baixa atmosfera.

2. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender acetatos de alquila de 3 a 5 átomos de carbono em uma quantidade na faixa de 5 a 40% em massa.

3. Composição de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizada por compreender o acetato de sec-butila em uma quantidade na faixa de 5 a 40% em massa.

4. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender uma mistura balanceada de solventes fundamentados em alcoóis de 2 a 5 átomos de carbono com 5 a 70% em massa de alcoóis com estruturas lineares e/ou ramificadas.

5. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos alcoóis com 30 a 70% em massa do álcool etílico.

6. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos alcoóis com 5 a 50% em massa do álcool sec-butílico.

7. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender uma mistura balanceada de solventes fundamentados em cetonas de 3 a 5 átomos de carbono e com 1 a 30% em massa.

8. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos éteres glicólicos com 1 a 40 % em massa.

9. Composição de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender uma mistura balanceada de solventes fundamentados nos éteres glicólicos com cerca de 1 a 40% em massa de éteres glicólicos derivados do óxido de eteno ou óxido de propeno.