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三、纳米技术对包装印刷业的影响与应用前景
（一）、纳米包装材料，纳米包装材料指分散相尺寸为1~100nm粉体与其他包装材料合成或添加，或对传统包装材料进行纳米化改性后制成的新型包装材料，也指纳米材料中可用于包装产品的部分，它们可分别称为纳米复合包装材料、纳米改性包装材料和纯纳米化包装材料。就是用晶粒尺寸为1-100（nm）的单晶体或多晶体材料与其他包装材料复合制成的纳米复合包装材料。由于纳米级晶粒比常规材料的晶粒细小，因而其晶界上的原子数多于晶粒内部的原子数，形成浓度晶界，从而赋予纳米材料以许多不同常规材料的特殊性能，诸如高强度、高硬度、高电阻率、高韧性、高阻隔性、高降解、高抗菌能力，低热导率、低弹性模量、低密度等等。这些固有的特性决定了它将有着十分广泛的应用前景。 随着21世纪包装对特种功能需求的增加，诸如防殉爆包装、迷彩包装、隐身包装、防雷达包装等要求的出现，促进了纳米包装技术的发展。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。世界上每年消耗的包装材料用去大量的资源，为此，提高包装材料性能的同时，努力寻求降低材料消耗和减少加工成本，始终是包装印刷制造行业追求的目标。 纳米材料具有与传统包装材料明显不同的特征，是早期纳米技术在包装工业中最先突破和最有前景的领域。研究人员发现，在某种条件下，具有不同甚至是相反的理化性质的纳米相区，可以实现相互间的协同作用。也就是说，利用特殊的纳米技术对传统的材料进行处理，形成相互交错混杂的具有相反特性的二维纳米相区。使原来无法兼容的特性，通过它们的相互协同作用表现出来。在传统相图中根本不共溶的2种元素或化合物，在纳米状态则可形成共溶体，制造成新材料或复合材料，为此，纳米体系大大丰富了21世纪包装印刷材料的改造和制造出新型的包装材料的应用研究范围。 纳米技术在材料和制造方面的应用包括：使用同时具有染料和颜料最好性能的纳米粒子，提高彩色印刷水平；纳米材料的颜色随粒径尺寸不同而改变，粒径越小，则颜色越深，为此，可选择体积适当且粒径均匀的纳米材料制备各种颜色的印刷油墨，以代替传统的化学颜料配色工艺，纳米级活性碳酸钙可用于高档油墨，可以提高油墨随着力，适于高速印刷；将纳米尺度粘接和涂覆的碳化物材料和纳米涂层用于切割工具及电子、化工等方面；建立纳米测量新标准；在芯片上进行具有较高复杂性和功能化的纳米加工等。 （二）、在传统的包装印刷行业中，可以预见纳米技术将会有广泛的应用。 出现新材料的印刷。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”在纳米尺寸存在时，就会是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450-650（nm）。可以想象纳米技术对PS版的性能影响是多大。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，从而大大拓展包装材料的用途。 （三）、在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修的特点。以新的原理和新结构在纳米层次上构筑物性的材料或自然界不存在的材料，实现材料破坏过程中纳米级损伤的修复。国外现今用于包装的新型高分子纳米复合包装材料已有多种，国内也在积极研制。由于纳米对包装材料的改进，从而必然带来包装印刷工艺和技术的变革。 目前纳米技术已经渗透到某些传统产业中，如染料、涂料、食品、印刷材料、包装材料等。通过对纳米材料的研究，在化纤制品中加入纳米微粒，可以除味，杀菌，通过纳米技术的运用，使涂层材料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到1万多次，老化时间也延长了两倍多。这种对传统材料进行纳米改性的技术，企业应用的投入不大，而且市场前景广阔。 （四）、纳米对包装印刷机械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，进而来稳定印刷传递条件。同样利用纳米材料可以提高印刷橡皮布质量，进而来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。印刷机上安装了那么细的传感器--传动装置，这种装置，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。机械精度的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。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。 （五）就包装领域而言，近几年，国外研究最多的纳米复合材料是聚合物基纳米复合材料（PNMC，即PolymericNano-MeteredComposites的简写）常用的聚合物有PA、PP、PVC、PET、LCP等。常用的纳米材料有金属、无机物聚合物等无机系和有机系成分。高分子纳米复合材料包括分子复合材料体系和无机超微粒子复合体系二大类，前者是把刚性高分子如LCP以分子水平（10纳米数量级）分散在柔性高分子集体中，后者是把无机超微粒子以单层片状或层状形态分散在柔性高分子基体中。最终制成纳米复合包装材料。纳米复合塑料包装的可塑性、耐磨性、硬度、强度都有明显的提高和增强。 无疑通过纳米技术，我们可以开发出纳米包装系统。进入纳米技术领域后，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。 四、纳米包装的命题与范畴 （一）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”。有人预言：未来任何一次工业革命都将与纳米技术有着密切的联系，纳米科技带来的是人类社会的第五次产业革命。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，现又进入了“数与网”的时代。二十年前，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、推出了数码印刷系统，告别了纸和笔，迎来了数与网。为我国包装印刷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10-20μm之间，这表明包装印刷的材料离纳米层次已经不远了。 用纳米材料制造包装印刷材料或把纳米材料添加到包装印刷材料中去，制成纳米油墨、纳米纸张、纳米印刷机以及其他的各种纳米包装印刷辅助材料，可以大大提高包装产品质量，或者产生有特殊功能的印刷品，能给包装印刷行业带来继光与电之后的又一次技术革命。 纳米世界中已经涌现出了二条途径打造纳米结构的方法，“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”。“自下而上法”实际是一种分子构造术。“自上而下”的方法采用了类似于雕刻的过程，所有各种光学印刷术都属于这一类，从上到下的纳米制造方法-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，无疑用扫描探针显微术可进行原子级印刷，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，纳米包装印刷也概不能外。 （二）纳米包装建立在纳米科学实践上 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，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，但不是简单的处伸，在0.1纳米到100纳米之间度量单位上，物质的质量和结构特性都发生了从量变到质的变化，纳米科学就是建立在这一微小度量区间的技术。 （三）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，它的理论基础是：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：（1）纳米材料；（2）纳米器件；（3）纳米检测与表征。3、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0维（纳米粉体）、一维（纳米纤维）、二维（纳米块状）、三维（纳米块状固体材料）其中纳米粉体开发时间最长，技术最成熟，是生产其他三类产品的基础体系，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。4、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：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。纳米材料呈现出特殊性能：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。表面活性剂覆盖改性）；（2）高能量表面改性；（3）外层膜改性；（4）局部活性改5、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。6、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。 （四）、纳米包装材料制备的关键技术 1、纳米材料的制备方法包括：物理法和化学法。（1）物理制备方法主要涉及到蒸发、熔融、凝固、形变和粒径缩减等物理变化过程，具体包括粉碎法、发凝聚法、离子溅射法、冷冻干燥法、电火花放电法、爆炸烧结法等。（2）化学制备纳米微粒的过程通常包含着基本的化学反应，在反应过程中物质之间的原子进行组织排列，决定着物质的存在形态。化学法主要有气相化学反应法、沉淀法、水热合成法，喷雾热导法、溶胶-凝胶法、射线辐照法、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、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；（7）树状高分子；（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。 |
