纳米技术在包装印刷领域的应用研究
详细内容
摘 要：揭示了纳米包装的定义、要素及研究对象，综述了纳米包装材料的主要制备方法，提出了纳米技术在包装印刷领域的应用与发展前景。
关键词：纳米包装 制备方法 应用技术
一、纳米技术概述
纳米（nanometer,nm)是一种计量物质的长度单位，为10-9m，用符号表示为nm，纳米等于十亿分之一米，千分之一微米，大约是三四个原子的宽度。从微米科技到纳米科技，是科学发展的必然结果，但不是简单的延伸，在0.1纳米到100纳米之间度量单位上，物质的物理和结构特性都发生了从量变到质变的变化，纳米科学就是建立在这一微小度量区间的技术。
纳米技术（nanotenology)是一个含义极其丰富的术语。它的基本涵义是在纳米尺寸（10-10～10-7m）尺度空间内认识和改造自然，研究通过直接操作和安排原子、分子运动规律和特性，创造新物质。
二、纳米包装材料的发展简史
人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到1000多年前，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。
1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。此后，这种介于原子、分子和宏观物质之间的纳米技术研究便成为世界科技的热点。洛依是二十世纪末期最著名的材料专家，他的纳米理论开创了包装材料的纳米新时代——纳米包装。在纳米理论的指导下，1990年日本首先研究成功纳米复合包装材料PA6/Mt。不久纳米液晶（nmLCP）复合的PET聚酯材料在美国问世，它的性能比层状复全包装材料优异，其包装应用指日可待。
三、纳米结构与纳米材料的四大效应
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。
纳米材料（nanomaterial)一般是指尺寸在1-100nm之间的料子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。将普通材料制成纳米量级后，纳米材料具有卓越的光、力、声、电、热、磁、投射、吸收等敏感的特殊功能，它就会出现极其特有的四大效应：①小尺寸效应或称体积效应；②表面效应与界面效应；③量子尺寸效应；④宏观量子隧道效应。由于以上四个效应，纳米材料呈现如下性能：①高强度和高韧性；②高热膨胀系数、高比热和低熔点；③异常的导电率和磁化率；④极强的吸波性；⑤高扩散性。
四、纳米材料的制备
1、纳米材料制备方法：包括物理法和化学法。物理方法主要有蒸发冷凝法、物理粉碎法、机械球磨法、电爆炸烧结法、等离子物理气相合成法、蒸气膨胀法、自由喷射膨胀法等。化学方法主要有气相化学法、沉淀法、自由喷射膨胀法等。化学方法主要有气相化学法、沉淀法、水热合成法、溶胶—凝胶法、溶剂蒸发法（喷雾法三种）、微乳液法、电解法、聚合物法、相转移法等。
2、纳米复合材料的制备方法：（1）高能球磨法；（2）燃烧合成法；（3）化学气相沉积法（CVD）；（4）熔融共混法；（5）扦入法（扦层复合技术）。
3、采用直接合成纳米结构的方法是目前获得合成纳米材料的可行方法：（1）纳米扦层聚合；（2）相分离嵌段聚合物；（3）杂化材料；（4）组装合成纳米相；（5）仿丝成纤技术；（6）聚合反应合成超支化或树状高分子；（7）纺丝成纤技术；（8）生物体内组装纳米相结构物质（称仿生纳米合成）。
4、纳米材料的表面改性大致可分为六种：（1）表面覆盖改性（表面活动性剂覆盖改性）；（2）高能量表面改性；（3）外层膜改性；（4）局部活性改性；（5）机械化学改性；（6）利用沉淀反应进行改性。
6、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。纳米计测技术归纳起来有以下四种技术手段：（1）扫描控针微技术；（2）光外差干涉技术；（3）X射线干涉显微技术；（4）基于F－D标准的微微技术。
五、关于纳米包装印刷的命题及必要性
纳米技术和纳米材料的应用和开发，为中国包装界提供了一个千载难逢的大好时机，开展纳米技术在包装印刷领域的应用研究；虽然纳米技术是21世纪最具前途的技术领域，但是我国的纳米技术在包装印刷中的应用还刚刚起步。
1、纳米包装的定义：尽管目前尚无纳米包装的准确定义，但从纳米科学的角度出发，纳米包装是指使用纳米材料、纳米技术对包装产品进行纳米合成、纳米添加、纳米改性，使其具备纳米结构、尺度、特异功能的包装信息要素。
2、纳米包装具备四个要素：纳米包装材料要素、纳米包装容器要素、纳米包装技术要素、纳米包装信息。
3、纳米包装材料：就是分散相尺寸为1-100nm纳米颗粒或晶体与其他包装材料合成或添加制成的纳米复合包装材料的体系。
4、纳米包装的研究对象和任务是：研究纳米包装物在物流过程中的运动状态和规律，纳米包装物的物性功能变化的规律与制备技术；研究纳米包装与多学科的关系，从而，提出全新的包装概念，改进和创造新的包装技术，包装技术和装璜技术，缩短现有包装企业与纳米包装的工程化，产业化和商品化和进程。
六、纳米包装印刷的应用和研究
1、纳米复合包装材料
随着21世纪包装对特种功能需求的增加，诸如防殉爆包装、防电磁包装、迷彩包装、高阻包装技术的发展。由纳米材料复合而成的纳米包装材料就成了我们所需要的一类高新材料，它不仅大提高了原材料的性能并赋予新的功能，而且亦拓展了原材料的应用范围和美好前景，亦节省了稀缺资源。
2、纳米型抗菌包装材料
抗菌包装材料已成为热门话题。日本在包装材料中添加一种新型无机抗菌剂，在聚烯烃薄膜中加入抗菌剂和增效剂制成的。目前应用较广的是抗菌薄膜。纯天然的基础材料在纳米技术的改造下，能够发挥出惊人的杀菌效果，抗菌、无菌包装，能使菌体变发型或沉淀，一旦遇到水，便会对细菌发挥更强的杀伤力，且吸附能力强，渗透力也很强，多次洗涤后也还有较强的抗菌作用。
3、纳米功能（智能）包装材料
目前研制的智能包装材料，通常是用光电、温敏、湿敏等功能材料与包装材料复合制成的，它可以识别和指示包装空间的温度、湿度、压力以及密封的程度、时间等一些重要参数，这是一种很有发展前景的功能包装材料，有防止变色型、防锈型、防霉型、保鲜型、且部分采用复合功能材料比全部使用复合功能包装材料好，为了使用方便，通常制成功能袋或片材。
4、纳米包装材料的改性技术
纳米粒子添加到塑料中不仅起到补强作用，而且具有许多新的特性。纳米SiO2因其透光、粒度小、可使塑料变得致密，从而使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能都大大提高，因此可作为特殊用途的高级塑料包装薄膜。
有的国家把纳米氧化铝加入到橡胶中，从而大幅度地提高了橡胶的耐磨性和介电特性，使用寿命明显延长，性能大为提高。日本还试验把氧化铝AL2O3纳米颗粒加入到普通玻璃中既不影响透明度又提高了高温冲击韧性；半导体纳米微粒（砷化镓、锗、硅）放入玻璃中或有机高聚物中，提高了三价非线性系数。
5、纳米涂层材料
二元协同纳米界面材料是力求将二元协同推广到纳米界面，研讨新型界面物性，超双疏界面物性材料，（或称超双亲纳米材料）其基本原理是在特定的表面上建造纳米尺寸几何形状互补的（如凸与凹相间）界面结构，其低凹的表面可使吸附气体原子、分子稳定存在，在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油或水无法与材料的表面直接接触，从而使材料的表面呈现超常的双疏性。这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值。在包装材料领域，纸张制品、纸箱、薄膜等也都获得奇异的超疏油效果。
完全的纳米涂覆材料现已在军事上有所应用，借助于传统的涂覆技术添加少量的纳米材料或线形成纳米颗粒，可使传统的涂层的功能得到升级，添入纳米材料可提高硬度、减少摩擦形成的自润化性，并提高耐高温、抗氧化和抗老化性。还可产生抗菌、保洁效果。
6、纳米粘合剂和密封胶
粘合剂和密封胶是包装领域中的重要产品，使用范围很广。国外已将纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大提高，其作用机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性。
7、纳米磁性材料
纳米液体材料是十分典型的纳米颗粒的应用，是由超顺磁性的纳米微粒包覆一层长键的有机表面活性剂高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。其饱和磁化强度可比前者高4倍。磁性液体的可能应用面十分广。如射流印刷用的磁性墨水、X射线造影剂（代替钡剂）、定位润滑剂等。磁性液体还有其他许多用途、如仪器表中的阻尼器，无声快速的磁印刷，医疗中的造影剂等等。
8、纳米基板包装材料
饮料罐所用铁板已经经历了马口铁（镀锡）、无锡钢板（TES）的发展历程，目前已发展历程，目前发展到所谓第三代纳米级材料，为了改善TES的焊接密封性能，如今研制成功的第3代超微米锡TES板材，纳米锡粒直径为100nm，镀锡量100mg/m2，体积率〈12%，镀锡体积和用量大为减少，新板材既安全且性能又好，容易加工成型，操作参数范围放宽，特别是焊接密封性提高，使其成为高级金属罐板材。例如焊接电流范围宽达300～600A，更适于制作饮料包装容器。
9、纳米发光材料与防伪印刷：
新型纳米发光材料，经几分钟的光照就能在黑暗中自行发光12-24小时以上，其发光强度和维持时间是传统荧光材料的30倍以上，且材料本身无毒、无害、不含任何放射性元素，其稳定性和耐候性优良。并可无限次循环使用。
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