废物生物质为油墨颜料生物替代开辟机会

如今越来越多消费者会在购物前关注标签上的产品信息，了解产品的原材料是否环保可持续，但很少有人知道这些标签本身是如何印刷的，印刷的油墨材质是否也是环保可持续的。

可持续油墨生产方面的创新包括生物基颜料的开发和节能制造工艺，这有助于减少油墨生产对环境的影响。

常用的黑色颜料来源于石油基煤和石油、动物骨骼和氧化铁，而占比最大的就是石油基颜料（碳黑）。碳黑是化石燃料不完全燃烧的一种粉状副产品，是经济高效的颜料。最近的碳黑市场调查报告表明，该物质年产量约为1400万吨，被广泛用于用于橡胶、塑料、油墨等多个行业。据统计，2021年全球碳黑市场价值约为124.5亿美元，到2030年将增加到约218.5亿美元，预计最近几年的复合年增长率为5.5%。

从环保的角度考量，作为化石燃料燃烧的副产品，碳黑对自然生态系统存在极大威胁，于2021年被列入美国《塑料公约》，成为2025年要消除的11种 “有问题和不必要”的材料之一。寻找其替代品，成为油墨生产厂商集体寻找的目标。事实上，在大自然中，大量废物生物质富含多酚碳化后可转化为凝聚石墨结构，为替代生物基颜料开辟了机会。

超结构碳化木素颗粒的黑色生物油墨

颜料的黑色主要与其分子结构有关，可以对其进行优化以减少光反射，例如，通过在其表面上引入结构特征。一些几何形状会引起多次内部反射，从而捕获光线并限制反射。

近日，东京农业技术大学农业研究所Mariko Ago团队通过结合从木质素获得的吸光颗粒和基于CNF的透明结构粘合剂来引入一种多功能的黑色生物油墨。黑色生物油墨的固结导致超结构颗粒纳米纤维网络，其耦合化学和结构（即孔隙率）特征，从而实现低光反射率。使用 CNF 作为结构粘合剂可以额外控制油墨粘度和流动行为，从而可用于广泛的应用。事实上，CNF在各种油墨配方的开发中已被广泛用作流变改性剂。该研究展示了黑色生物油墨在涂料、书写和3D打印中的多功能性，但设想这些颜料用于喷墨打印、冲压和绘画。该研究工作以题为“Black Bioinks from Superstructured Carbonized Lignin Particles”的论文发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

该研究使用木质素前体和“透明”粘合剂（即纤维素纳米纤维）形成的吸光颗粒生产黑色生物墨水。颗粒-纳米纤维网络的内聚力，即干燥的生物墨水，很容易通过纳米纤维负载进行调整（只需添加10wt.%纳米纤维素，即可产生高度坚固的墨水）。生物墨水的黑度高于传统的化石基黑色颜料，这可以从化学和结构特征的耦合来解释的。颗粒-纳米纤维网络的构型和结构，特别是其孔隙率，在光反射中起着重要作用。使用理想化颗粒床光学特性的有限元建模评估了形貌对基底黑度的影响。通过添加聚合物添加剂（如PPy）可以降低生物墨水的黑度，但这必须在性能可再生性方面合理化。纯植物基生物墨水不仅具有高性能，而且是传统黑色颜料（例如基于化石碳或金属的颜料）的可持续替代品。鉴于其石墨性质，生物墨水可用于各种平台（光能和电活性材料等）。需要更具体和以应用为中心的表征，例如触变行为，以进一步开发这些黑色生物墨水。该配方和可定制的流变学为碳基材料的制造提供了更多机会，具有广泛的实际适用性窗口。

使用纳米纤维素作为结构粘合剂可以粘附到各种表面，包括聚酯、纸张和木材。这证实了纤维素纳米材料作为粘合剂的能力。油墨非常牢固地粘附在承印物上，可抵抗与折叠、滚动和起皱相关的多种机械应力，而不会有任何明显的损坏。鉴于纤维素粘合剂的亲水性，目前的配方应该对水敏感，因此需要进一步开发或考虑使用现有的防水添加剂。黑色生物油墨的粘度可以在相同的剪切应力下调节到两个数量级的范围，方法是根据油墨中的碳颗粒(即颜料)质量分数将粘合剂含量在2-25%之间变化。因此，使用相同的组件可以生产用于涂层、书写、冲压和铸造等工艺的低粘度配方。较高粘度的油墨，即具有较高纳米纤维素含量的油墨，可以在刷涂中找到应用，例如控制油墨的触变行为。然而，纳米纤维素的剪切稀化和弹性行为使黑色油墨适用于打印技术，例如3D打印（各种应用见图1）。

图1. 黑色生物油墨在颜料和碳材料制造中的应用演示：这种基于植物的黑色生物油墨能够被用于a)，涂覆聚酯织物；b)作为沾水钢笔的墨水；c)，涂覆木材的横截面，使太阳能发电成为可能；d)，3D打印支架。

黑色生物墨水可用作开发几种依赖碳特性的材料的前体，包括碳捕获、电催化、过滤、电磁屏蔽，以及热感应太阳能蒸汽产生。如此广泛的应用是由于材料在配方方面的多功能性，并且纳米纤维素粘合剂不会阻碍进入颗粒的表面和功能。

基于废弃藻类的生物基油墨

随着人们环保意识的提高和政府政策的加强，环保油墨产业前景广阔，有着很大的市场潜力。传统的油墨产业往往含有环境污染物，对生态环境造成一定的影响，而环保油墨产业能够有效从“产品生产-产品应用-产品废弃”整条线路完整解决这一问题。

Living ink公司使用真菌和藻类等微生物作为原料生产生物油墨和天然颜料，从而减少化学物质和有毒材料的排放。该项专利技术用于生产可持续的传统油墨替代品。

该公司通过收集来自营养品行业的海藻农场废物，将其经过黑化处理变成负碳、可再生的黑色颜料，从而实现商业化。与石油基油墨相比，海藻油墨可以减少200%的碳排放。这种颜料有望取代传统的碳基颜料，并对环境产生积极影响。

Living ink公司是一家从藻类中创造和提供碳颜料和油墨产品，致力于利用融合生物科技和创新工程的方法改变印刷行业的环保原料公司。公司的工艺技术分为四大步骤：

源头原料——池塘中的藻类废物利用阳光、水和二氧化碳大批量快速生长并每天收获。据估算，仅凭一个供应商（100英亩的海藻农场），就可生产数百万公斤的生物油墨。

专利技术——利用专利技术将藻类原料提纯为较为粗糙原始的黑色颜料。
产品生产——将黑色颜料转化为具有与传统炭黑油墨相似特性的成品油墨。
最终成品——成品油墨用于成品胶印、柔版印刷、喷涂及在传统印刷机。

Living ink依靠专利技术生产的环保油墨产品主要分为植物油墨、藻类油墨和生物油墨卡带三大类。植物油墨由天然植物色素和其他成分制成，可用于打印和绘画。该油墨不含有毒化学物质，对人体和环境无害，可在自然环境中分解；藻类油墨由紫菜的天然色素制成，具有强烈的紫色，可用于打印和绘画。该油墨同样具有环保性，且其天然色素的成分使得在光照下不易褪色；生物油墨卡带是一种可持续的打印材料。由可回收的材料制成，可在打印机上循环使用，在有效降低印刷成本的同时益于环境保护。

 其中，藻类油墨按照用途可分为四类：1）黑藻柔版印刷油墨：适用于瓦楞纸和纸箱承印物的水性柔版油墨；2）黑藻丝网印刷油墨：水性丝网印刷油墨，适用于棉纺织品、混纺纺织品和合成纺织品；3）黑藻胶印油墨：传统的植物基胶印油墨和UV胶印油墨，均适用于涂布或未涂布的纸张；4）黑藻紫外线丝痕油墨 ：能量固化的丝网油墨，专为提高加工速度和多种多用途的聚乙烯材料而开发。

图2. 耐克印花可持续图形 T 恤系列
与Living ink藻类油墨

结语

环保油墨产业的赛道目前发展十分火热，涉及到电子产品、食品包装、印刷等多个领域。从市场情况来看，环保油墨产业具有极大发展潜力并有望持续健康增长。尤其是在食品包装行业，环保油墨的需求将会逐渐上升并成为未来的主导趋势。
目前中国政府加大了对环保产业的政策扶持和推广力度，环保油墨产业也将随之获得更多的发展机遇和支持。未来，环保油墨产业将会逐渐走向成熟，成为新兴产业中的一支重要力量。

来源：荣格-《涂料与油墨—中国版》

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