纳米技术对包装印刷业的影响

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改造，扩大纳米材料在包装印刷的应用范围，提升高新技术含量，抢占产业先机，实现跨越式的发展。很明显，谁要在21世纪站在世界最高新技术领域的前沿，谁就应该在纳米科技领域领先一步。

    目前在我国，纳米包装印刷材料的改性更贴近于应用，要找到纳米技术的应用与现实技术体系的结合点，使纳米技术得到尽快的应用。国家973纳米领域首席科学家说：“纳米塑料将是我国最有希望实现产业化的纳米技术之一。”在包装印刷领域有：纳米油墨、纳米颜料、纳米纸、纳米薄膜、聚合物基纳米复合材料、纳米发光材料、纳米抗菌包装、纳米黏合剂、纳米防伪印刷、纳米军品防护包装、纳米绿色包装、纳米光刻印刷技术、纳米磁印刷等都已经获得突破，有些已经初步产业化，纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，已达到20世纪90年代末的国际先进水平。

    为此，下一步必须加快引进、消化、吸收与创新相结合，以重点示范企业为突破口，推动纳米产业发展，重点建设若干推广示范企业，引进若干纳米新技术和新产品，寻找若干纳米技术依托研究单位。由从事纳米技术包装印刷应用研究的高等院校、研究机构的专家及开发纳米技术、纳米材料包装印刷应用的企业家，共同组建“全国纳米技术包装应用研究会”，隶属于中国包装联合会，承担全国范围的纳米技术包装印刷应用研究的咨询、规划、技术培训、研究课题及纳米包装印刷产业化的协调指导等工作。要不失时机地导入纳米技术，率先打开纳米级包装印刷领域的大门。

    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，机不可失，时不再来。对于行使全国包装行业管理职能的中国包装联合会来说，责无旁贷，必须紧紧抓住这次机遇，坚持“有所为，有所不为”的原则，突出重点，强化支持，狠抓数年，必有成效。

    “试看明日之包装，竟是纳米的天下。”

    西方有句格言：“机遇永远落在有准备的人们头上。”一位纳米科技专家的至理名言：“发达国家尚处在纳米科技产业化的前夜，我国存在跨越式的发展机遇。”面对我们国家处于跨越式的纳米科技产业化的发展机遇时，中国包装印刷界准备好了吗？这是一项意义深远的战略，必将承载着历史重任，实现中华民族的伟大复兴。