包装印刷纳米包装印刷术介绍

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Stomier宣称：“纳米技术赋予了我们一种工具，可用它来玩弄自然界的极端原子和分子。创造新事物的可能性变得无穷无尽。”另一位诺贝尔物理学奖获得者Richard Smolley干脆宣告：“纳米技术是建设者最后的边疆。” 纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中，纳米材料技术着重于材料生产（超微粉、镀膜等）、性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。纳米技术的研究和应用，意味着人们将可能从原子、分子的水平上识别探测和控制物质，在纳米尺度上研究原子、分子行为和相互作用的规律，使得人类在认识和改造自然、征服自然和应用自然的能力再一次迎来一个惊人的飞跃。 纳米科技是20世纪80年代末90年代初兴起的涉及多学科的高新科学和技术，并且还有待于进一步的研究和开发。但人们已经预料到纳米科技将给人类社会带来一场深刻的革命性的变革。这场革命必然要波及到经济领域。发展纳米技术极有可能是新世纪留给已错过微米技术、信息技术、生物技术机遇的中国人的最后一次机会。作为一个中国人，不能不关注这一当代世界的高新技术的发展，不能无视它将给人类带来的影响，特别是对经济领域的影响。纳米科技是节能低耗与技术密集型的高科技。尽管全面实现其产业化尚有很长的路要走，然而发展纳米科技的产投比可能会高于其它高科技项目。因此，纳米技术可能为我国迎头赶上世界经济提供一个难得的历史机遇。美国著名科学家乔纳森斯彭斯和罗雷尔（诺贝尔奖获得者）说：“如果中国奇迹般地成为超级先进国家，靠的就是纳米，它可以让戈壁滩变成绿洲。” 纳米技术应用的最重要的领域，是制造具有特异物理、化学性质的新型功能材料。最典型的应用是将两种不同性质的材料制成纳米复合颗粒。欧盟早在1995年就发表报告，预测在今后20年内纳米技术的开发将仅次于芯片制造业，成为世界第二大制造业。纳米技术未来的应用远远超过计算机工业。 本世纪的技术革新，很大程度上是靠弄清更加微观的现象和据此发展的操作技术来支撑的。但是，基于宏观的角度，追求更加微观的世界，这种传统的技术开发，在很多领域将迎来极限。如果没有与传统根本不同的新发现，就无法登上新的台阶。纳米技术就是发现这种效果与人工的独特的结构技术，人们正是充分掌握和利用先进的现代科学技术使对纳米技术的预言和研究成为可能。 为了研讨当今国际纳米材料及技术研发、应用的现状和发展趋势，探讨我国“十五”期间纳米材料的发展战略，促进纳米材料研发和纳米技术在包装领域的研究和应用，推进我国纳米包装产业的跨越式发展，2001年10月16日，根据笔者的提议，我国包装界的泰斗邱纯甫先生亲自批示，中国包装技术协会、中国包装报社联合在厦门市召开了“全国首届纳米技术包装应用研讨会”。对制定我国国家纳米包装发展目标，迎接新世纪的挑战，无疑具有十分重要的意义，会议主题为“纳米技术在包装领域的应用与产业化”。正如“中国包装报”的综述文章中指出：这次研讨会“在包装业传播了纳米技术的火种。”四年来，取得了令人可喜的成果。 基于对包装业发展的责任感、紧迫感和使命感，多年来，笔者在从事纳米技术包装印刷应用的专题研究中，涉猎了纳米科技理论与应用的方方面面，这些成果和心得都集中在二百多万字的论文、编著中。2001年，“中国包装报”发表了笔者写的关于发展纳米包装产业之我见一文。同年，试论纳米技术在包装印刷领域的应用研究获得了全国优秀学术成果一等奖。2003年，新型包装材料中应用的纳米技术获中国西部科技优秀学术论文一等奖，并作为“第三届中国科学家论坛”的特邀嘉宾及书面交流论文。2004年5月，应中国轻工业出版社的约稿，笔者又撰写了我国和世界第一部纳米包装印刷术研究的专著纳米技术与包装印刷一书，共八十多万字，照片、图谱二百多幅，将交付出版。拟请中国包装联合会石万鹏会长及纳米项目首席科学家写序，愿以此书献给2004年4月在北京召开的“世界包装大会”。最近，国防工业出版社又约笔者编写第二本专著，书名为包装材料纳米改性及应用，今年6月底交稿。这两本专著，从应用的角度揭示了纳米技术对改造传统的包装印刷的研究，探讨了建立纳米包装印刷体系的构架，并提出纳米包装产业化、商品化的目标和途径。纳米包装技术溯源 人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到1000多年前，我们的祖先就有了制造和使用纳米材料的历史。如我国古代利用燃烧蜡烛的烟雾制成炭黑作为墨的原料以及用于作色的染料，就是最早的纳米材料。 由于科学技术的限制，近世纪实用的超细材料一般由微米级构成。当超细材料达到纳米状态时，它将呈现新的特异功能。纳米科学技术是研究1-100纳米范围内的特殊现象。 洛依是!20世纪末期最著名的材料专家，专门从事高新材料研究。1984年，洛依首先提出纳米材料新理论，开创了包装材料的纳米新时代纳米包装。1989年，美国IBM公司率先用隧道扫描显微镜（stm）探针“移植”氙原子，将其拼成IBM公司的标识，成功地实现了世界上最小的纳米级商标图案。日本丰田中央研究所应用高新技术研究出纳米包装材料。 1990年，日本宗部兴产公司首先研制成功纳米复合包装材料PA/MT（蒙脱石约5%并进行工业规模生产）。不久，纳米液晶（nm LCP）复合的PET聚酯材料在美国问世，它的性能比层状复合包装材料优异，其包装应用指日可待。 1990年，由日本合成企业（MP611,620）以合成法制备环氧树脂;交联NBR(-10%)，该产品具有耐冲击性、耐热性，可用作高性能粘接剂。1991年AMOCO公司利用合成法，制成PA6/PPA（5%），可作为高强度包装材料。1991年至1993年间，日本以合成法制备EPR（30%）即共聚物（60%）/PE;滑石粉（10%），在导弹包装上应用。B2A,0C使用熔融共混法，制备TLCP/PA12、TLCP/PEEK、TLCPPA用于军品包装。还用同一方法，生产TLCP/PL其双轴取向膜用于食品包装。 1994年，国际标准化组织ISO开始制定降解塑料（包装）材料标准。美国开发成功PET/LCP纳米复合包装新材料，商品名为Vectra.1995年，欧盟将“纳米新材料”列入“第二大制造业”。美国Amoco公司开始工业化生产PEN聚酯新包材.1996年，日本一家公司采用直接分散法，制成PE等/超微粒子（碳黑）应用于军品包装、防电磁包装。还用同一方法，制备PP等/Tio2(3.5w%)，用于防紫外线包装。 综观国外在1996年前，已经有众多与包装有关的高分子复合材料实现了商品化和产业化。1996年以来，我国中科院化学所应用天然丰富的蒙脱土层状硅酸盐作为无机分散相，发明了一步法制备PA6纳米塑料（nC-PA6）、PET纳米塑料（nc-PET）。2000年，我国研制成功有机纳米功能材料20纳米活性有机高分子，可望用于导电包装、隐身包装等高功能特殊包装。事实上，我国在21世纪80年代就有人研究开发出了长轴为40nm-60nm，短轴为14nm-16nm的纺锤状纳米,Fe203具有透明、耐候、屏蔽紫外线等特点，应用于造币油墨，以提高其耐沾污性；用于金属闪光漆，明显提高了涂膜的随角异色性。 在分子以上到微米以下或是在1-100纳米量级尺度范围，由研究应用产生了纳米包装印刷这一新学科，它和其他纳米学科一样，并不拘泥于尺寸和尺度上的分界，而是着眼于小尺寸所引起的物质的变异行为和新的物性。 自1981年Gleiter等人率先制得纳米材料以来，经过20多年的发展，纳米材料有了长足的进步。如今，纳米材料种类较多，在包装领域的应用，例如纳米高阻隔密封包装材料、纳米防静电包装材料，既有比原材料好的高性能，又可以在常规下进行加工，还具有高的表面光泽度，为其应用提供了良好的前景。纳米材料由于纳米级晶粒、高浓度晶界和晶界的原子状况等三方共同造就了其性能优于一般材料的优点。纳米技术对包装印刷业的影响从印刷术到纳米术 我国古代的四大发明中，除了火药源于古代的炼丹术，其他三项发明都可归属为古代信息技术。造纸术、印刷术是古代信息技术具有重大意义的突破和伟大的成就之一。是文艺复兴时代到来的重要前奏。被马克思称为“预告资产阶级社会到来的三大发明”。著名科学家钱学森认为，“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命。”印刷从其发明之日起，经历了500多年的“铅与火”岁月，渡过了近百年的“光与电”时光，现在又进入了“数与网”的时代。20年前，中国科学家带领中国印刷业告别了铅与火，迎来光与电，远程传版、彩色出版、数码印刷系统，告别了纸和笔，迎来了数与网。成为我国印刷出版技术领先于世界的又一里程碑。20世纪90年代，高保真印刷已悄然向我们走来，它的网点大约在10-20um之间，这表明印刷材料离纳米层次已经不远了。 用纳米材料制造印刷材料或把纳米材料添加到印刷材料中去，制成纳米油墨、纳米纸张、纳米印刷机以及其他的各种纳米印刷辅助材料，可以大大提高印刷品质量，或者产生有特殊功能的印刷品，能给印刷行业带来继光与电之后的又一次技术革命。 目前，纳米技术已经涌现出了二种打造纳米结构的方法，即“自上而下法”与“自下而上法”。到现在为止，我们讨论过的所有各种刻印术都属于“自上而下法”，而“自下而上法”实际上是一种分子构造术。“自上而下”的方法采用了类似于雕刻的过程，如电子束印刷术，已经达到接近原子水平的精确度。在相当一段时间内，“从上到下”的方法极有可能是建造真正复杂的装置的首选方法。扫描探针显微术在分辨本领、定位精度和可造性这些重要方面都能满足纳米印刷术的要求。用扫描探针显微术可以进行原子级印刷。可以认定，纳米术是印刷术扩散思维大显神通的结果。 纳米生产工艺，特别是金子“纳米点状物”的制备，不是什么新的事物。中世纪和维多利亚时代教堂里五彩斑谰的玻璃窗户上就可以看到各种色彩；古代的陶器上涂有不同彩釉，都是依据材料的纳米尺度性能不同于宏观尺度的性能。特别是纳米金粉，根据尺度不同会呈现出桔黄、紫色、红色或黛绿色。在某种意义上讲，第一个纳米工艺师实际上是中世纪的锻造炉前的玻璃工艺师，而不是现代半导体厂的灵巧的工人。显然，上釉工人并不理解为什么他们对金子的处理会使金子呈现不同的颜色，但我们现在已十分清楚其中的奥妙。 纳米技术的研究和开发，形成了一个介于化学、物理学、生物学和电子工程之间的新科技领域，是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物，将使原有领域的研究和应用发生革命性的变化，又将引发一系列新的科学技术，几乎在当代科技的全部分支里都融合了纳米技术。无疑，纳米包装印刷术也概不例外。纳米技术在印刷行业中的应用 新材料的印刷。当采取某种特殊的表面加工处理后，在介质上能形成交错混合的两种性质不同的二维表面，而每个相面的表面积，以及两相构造的“界面”是纳米尺寸存在时，就会产生超亲水性和超亲油性界面。可以想象，今后的印刷品的分辨率将会更高。 由于印版的发展，对油墨的要求也必然会相应提高。目前，用直流电弧等离子方法生产超细金属材料“纳米金属微粉”的技术已经实现，纳米材料工程从金属、半导体领域发展到纷繁多样的有机领域是一个必然的趋势。当建立了超细材料的有效制备方法，并解决了有机材料中普遍存在的稳定性问题后，油墨的性能必定会有一个飞跃。包装印刷材料主要是指PS板、纸张、油墨。由于纳米技术的特性，将极大地改变它们的印刷适性，更好地与印刷条件相匹配。众所周知，PS板的最佳粗糙度范围是450-650nm。可以想象纳米技术对PS版的性能影响有多大。印刷存在的耐印力不高、粗糙度不匀不细、感光液的性能等问题都会随着纳米技术的应用迎刃而解。纳米科技是“创造”高性能、高效比、高功能等新包装的最新技术，因此纳米复合包材有着强劲的发展动力和广阔的应用前景。例如在高分子聚合物中加入10%的纳米（热致液晶聚合物）就会使材料的拉伸强度提高到476Mpa，从而大大拓展了包装材料的用途。 纳米包装印刷术的理论基础 纳米包装印刷术是纳米技术与包装印刷科学交叉与融合的一门新学科，它的理论基础包括：（1）纳米技术必须具备二个条件：一是纳米尺寸；二是自然界里所没有的新物性。（2）纳米科技中功用性最强的研究领域有三类，即纳米材料、纳米器件、纳米检测与表征。（3）纳米材料。将普通材料制成纳米量级后，出现了极其特有的四大效应，即小尺寸效应或称体积效应、表面效应与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。（4）纳米技术路线与纳米制造是实现纳米态的关键技术。其途径有两条：一是自上而上（Top-down）另一条是自下而上（bottom-up）的过程。（5）纳米材料科学与纳米加工学是包装印刷术在纳米诸学科中关系最紧密的两个基础学科。 纳米包装印刷术的基本概念 纳米包装印刷的定义：尽管目前尚无纳米包装印刷的准确定义，但从纳米科学的角度出发，纳米包装印刷是指使用纳米材料、纳米技术对包装印刷产品进行纳米合成、纳米添加、纳米改性，使其具备纳米结构、尺度、特异功能的包装印刷新物性的总称。 纳米包装印刷具备的四个要素：纳米包装印刷材料要素、纳米包装容器与印刷载体要素、纳米包装印刷技术要素、纳米包装印刷信息要素。 纳米包装印刷材料：是指分散相尺寸为1-100NM的颗粒或晶体与其他包装印刷材料合成或添加制成的纳米复合包装印刷材料的体系。 纳米包装印刷的研究对象和任务：纳米包装印刷研究的内容是：纳米包装印刷技术（制备方法）、纳米包装印刷材料、纳米包装印刷结构、纳米包装印刷机械、纳米包装印刷测试、纳米包装印刷理论、纳米包装印刷市场等。研究纳米包装印刷物在物流过程中的运动状态和规律，纳米包装印刷物的物性功能变化的规律与制备技术；研究纳米包装印刷与多学科的关系，从而提出全新的包装印刷概念，改进和创造新的包装印刷技术，包装技术和装潢技术，缩短现有包装印刷企业与纳米包装印刷的工程化、产业化和商品化的进程。 纳米技术对包装印刷设备的影响 印刷机的供墨系统是保证正常印刷的重要部件。墨辊作用是向印版表面传递油墨。因此，墨辊材料的选择对印刷质量的影响是十分重要的。利用纳米材料可以改变墨辊的弹塑性、耐油性、耐酸性、耐溶剂性、抗衰老化性和亲墨性、传递性、耐磨性，进而稳定印刷传递条件。同样，利用纳米材料可以提高印刷橡皮布质量，进而稳定印刷的压印条件，提高印刷质量。 纳米技术在传动上也将得到应用。如极小的微电机系统（MEMS），微电子系统能在一个硅晶片上放置100万个微型机器，每台机器都有电子控制系统。美国德克萨斯公司已使用MEMS技术开发显示视频图像的芯片。印刷机上安装了那么细的传感器传动装置，就可以十分精确地对压力、速度、位置等进行调控。 印刷设备的主要问题是机械精度问题。一是在制造过程中由于制造技术水平而产生的固有缺陷；二是在印刷生产过程中由于机械磨损而产生的故障。印刷设备中易磨损的主要部件有：齿轮、凸轮、滚筒的轴颈与轴套（或偏心套）等部件。随着纳米技术的运用，可以大幅度提高这些关键部件的精度和耐磨损程度，降低维修成本，提高印刷产品的印刷质量。通过采用纳米技术，可以开发出纳米包装系统。把微米级的各种不同类型的添加剂制成纳米级的产品，就会使传统的包装印刷产品更新换代。同时，纳米技术产业将通过纳米粉末和薄膜的制造和应用，把精密制造技术推广到整个包装印刷产业中去。 纳米包装印刷产业化的目标展望 包装印刷行业在国民经济中的份额已排在第十四位，年产值超过3000亿元，年增长15%左右。无疑，我国已是世界包装大国，但还不是包装强国。环保、IT技术与纳米技术相结合将是本学科发展的方向。 纳米包装产业的重点是包装材料与包装技术。就目前的情况而言，纳米技术在包装中的研究及应用基本上还刚起步，然而，纳米技术必将成为世界包装领域的“制高点”。过去，我国包装工业的一些先进设备、先进材料、先进技术，大多是依靠进口。纳米技术的出现，将为我国包装工业发展和技术创新带来机遇，我们必须加快技术创新的进程，力争走在世界的前列。纳米，将圆我包装强国之梦。 与任何技术产生后的影响一样，市场对纳米技术非常关注。目前，全球纳米技术营业额已经超过500亿美元/年。纳米科技将彻底改变目前的产业结构，并孕育着巨大的商机。根据斯坦福商业信息咨询公司的纳米技术报告，到2010年全世界纳米材料的市场规模预计将超过2000亿美元，很快就将展现给人们一个多梦的时代。 尽管科学界与企业界都做了大量努力，但两者的接触渠道还不够通畅，企业界对纳米科技的认识还有待逐步提高。纳米技术毕竟是高科技，在转化到产业的过程中需要成熟的技术，对这些在材料合成和材料添加方面的成熟技术，需要与企业工艺流程相吻合。于是，一个新的产业纳米产业已经产生。 对细微处显神奇的纳米技术，在制造行业里，有人把纳米称为“工业味精”。因为，把纳米颗粒撒入许多传统材料中，可以改进或获得一系列的新功能，出现令人叫绝的旧貌换新颜，这种改进并不见得昂贵，但却使产品更具有市场竞争力。 要用纳米技术改变包装印刷企业的原有产品和制造技术是非常不易的。实际上，作为制造技术，纳米技术可以制造出许多出人意料、具有全新特性、全新功能的产品。比如，以“白垩和贝壳”为例，这两种东西质地相同，都是碳酸钙，但是在硬度上一个脆，一个非常硬，具有完全不同的性质。从这种考虑出发，利用纳米技术制造工艺，就有可能提高它们的质地。所以，纳米技术不仅仅只是提高质地的手段，而且可以作为重要的制造技术，这也是今后企业发展的重要课题之一。从日本关西地区的成功企业来看，几乎都与研究或使用纳米技术有关，所以对日本企业来说，纳米技术的应用与否是使企业间产生差别的非常有效的手段。日本有位科学家甚至说：“今后与纳米技术毫无关联的企业，必定会走向崩溃。” 为了使我国包装界在21世纪的纳米技术产业化中占有一席之地，从前沿性、战略性、基础性来考虑，当前要继续做好基础研究与应用研究的衔接和成果的转化，研究纳米合成、纳米添加对传统包装印刷材料改性和技术