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纳米技术在包装工业中的应用

时间: 2011-07-08 08:01 来源: 作者: 武汉工业学院 毛中彦 张峻岭点击:
[摘要] 文章阐述了技术的基本概念及研究内容、纳米粒子的特性及纳米技术在包装工业领域中的应用。
[关键词] 纳米技术;纳米粒子;包装工业

纳米技术是21世纪科技发展的制高点,是新工业革命的主导技术,它将引起一场各个领域生产方式的变革,也将改变未来人们的生活方式和工作方式。

纳米技术基本概念

纳米技术是以纳米科学为基础,研究结构尺度在0.1~100nm范围内材料的性质及其应用,制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为基础,以当代精密仪器和先进的分析技术为手段,是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物。在纳米领域,各传统学科之间的界限变得模糊,各学科高度交叉和融合。

纳米技术研究的内容主要有纳米材料学(研究由纳米结构单元构成的任何类型的材料,通过改变纳米结构单元的大小,控制内部和表面的化学性质,控制它们的组合,设计材料的特性和功能);纳米动力学(研究微机械和微电机,采用一种类似于集成电路设计和制造的新工艺,将传感器、电动机和各种处理器都放在一个硅芯片上形成一个系统);纳米生物学和纳米医药学(研究生物分子之间的相互作用,研究磷脂、脂肪酸双层平面生物膜和DNA的精细结构等,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料);纳米电子学(包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光性质与电性质、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装)等。

纳米粒子性质

纳米粒子一般是指尺寸在0.1~100nm之间的粒子,具有下述效应,并由此派生出传统固体不具有的许多特性。

(1)表面效应:材料粒子直径减少到纳米级,表面原子数迅速增加,化学活性增高,纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。

(2)体积效应(小尺寸效应):当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化。

(3)量子尺寸效应:纳米粒子尺寸下降到一定值时,费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立能级的现象,使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。

(4)宏观量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒能力的效应。

(5)光学效应:当金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级时,其颜色大都变成黑色,且粒径越小,颜色越深,表明纳米粒子的吸光能力很强。

(6)电磁性质:金属材料中的原子间距会随粒径的减小而变小,当金属晶粒处于纳米范畴时,其密度随之增加,导致电导率降低;磁性材料的磁有序状态也发生根本的改变,粗晶状态下为铁磁性的材料,当粒径小于某一临界值时可以转变为超顺磁状态。

(7)化学和催化性能:纳米材料由于其粒径的减小,表面原子数所占比例很大,吸附力强,具有较高的化学反应活性。

(8)H-P关系:当晶粒减小到纳米级时,材料的强度和硬度随粒径的减小而增大,近似遵从经典的Hall-Petch关系式。

(9)热性质:当组成相的尺寸足够减小时,由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化,平衡相的关系将被改变。固体物质超微化后,熔点降低;纳米材料的比热容也大于同类粗晶材料。

(10)其他性质:金属通常是延展的,当晶体尺寸减少到其本身的应力不能再开动位错源时,就变得相当坚硬,在这种情况的临界长度下,打开这个位错源的应力变得比已知金属的屈服应力大。

纳米技术在包装工业中的应用

由于纳米粒子具有许多特殊性能,因此纳米技术在包装工业中正从各个方面发挥着巨大的作用:

1.包装材料方面

(1)在包装材料中加入纳米二氧化钛等微粒,能产生消除异味、杀菌消毒的作用,提高包装品质和延长货架寿命。纳米层状银系无机抗菌材料可用于抗菌除味成品、抗菌纸杯等许多产品。将30~40nm的二氧化钛分散到树脂中制成对光有强烈吸收能力的紫外线吸收薄膜,可用于食品杀菌袋和保鲜袋。

(2)纳米具有变化的光学性能,它的光学透射谱可从紫外波段一直延伸到远红外波段。纳米多层复合涂料经处理后在可见光范围内出现荧光,在各种标牌表面施以纳米材料涂层,成为发光、反光标牌;改变纳米涂层的组成和特性,产生光致变色、温致变色、电致变色等效应,是特殊的防伪、识别手段。

(3)纳米二氧化钛、纳米碳酸钙等纳米材料能使塑料改性。通过对塑料进行填充改性,可以提高塑料的力学性能,还可以开发各种功能塑料,如导电塑料、磁性塑料、抗降解塑料、抗紫外耐老化塑料等。在塑料中均匀分散无机纳米材料所制成的纳米塑料具有优异的物理力学性能、强度高、耐热性好、密度较低,良好的透明度和较高的光泽度。

(4)用纳米氧化硅系列微粒作为的补强剂和抗老化剂;用纳米氧化铝大幅度提高橡胶的耐磨性和介电特性,使其使用寿命明显延长,性能大为提高。

(5)以廉价的硅基化合物为原料,使异常细小的悬胶体粒子(溶胶)连接在一起(凝胶),从而由液体变为固体,并生成出溶胶-凝胶玻璃,此玻璃的质量仅为普通玻璃的一半;80nm的氧化钇可作为红外屏蔽涂层,反射热的效率很高,在诸如玻璃等产品表面上涂纳米材料涂层,可以达到减少光的透射和热传递效果,产生隔热作用。

(6)由于材料通常呈脆性,由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料却有良好的韧性;将陶瓷加工成纳米粉末,只需不高的温度即可将其熔化并烧结面耐高温的元件;纳米氧化铝添加到陶瓷中,起增强和增韧作用,从而提高陶瓷材料的可靠性;另外,还有高热导率的陶瓷如金刚石及氮化铝等。

(7)纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3~5倍。纳米铁材料由纳米铁晶体压制面成,较之普通铁强度提高12倍,硬度提高2~3个数量级。利用纳米铁材料可制成高强度、高韧性的特殊钢材。金属—陶瓷等则可在更大的范围内改变材料的力学性质。

(8)两种性质不同的材料做到纳米尺度时,在特定的条件下有协同作用。在玻璃、瓷砖等表面采用超双亲性界面材料后,实现自清洁及防雾效果;在纸张制品、纸箱薄膜等经超双疏性界面物性材料技术处理后也都获得超疏水及超疏油效果;在金属加工领域,各种金属表面经超双疏性界面物性材料技术处理后,能提高金属的防腐效果。

(9)中空纳米材料属无机化合物纳米材料,中空棱状,可在高聚物的单体或单体之一中先加入本纳米材料1%~4%,再聚(缩)合,使高聚物的线形分子穿过纳米材料的晶隙,增加纳米材料与高聚物之间的极性键力,并且此纳米材料构型与刚玉一样,对塑料、橡胶、化纤等高分子材料进行改性后,其强度、韧性、耐磨性等的提高大大高于实心纳米材料。

(10)另外,由于纳米材料具有较小的颗粒尺寸,且纳米微粒表面形态随着粒径的减小,表面光滑程度变差,形成了凹凸不平的原子台阶,催化作用增强。纳米二氧化钛在光照条件下能将有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸,能净化空气,改善空气质量。

2.包装机械方面

(1)由纳米微晶磁阻抗材料制成的纳米磁敏开关和传感器,由于具有灵敏度高、线性度好及稳定性好等特性,在包装机械中应用将使自动控制系统提高到一个新水平。另外,纳米材料涂层的光学特性,也可用于传感器等光学应用器件。

(2)由于纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性,可用于制造刀具、包装机械的密封环及轴承等,以提高其耐磨性、耐蚀性,也可用于制作包装输送机械和沸腾干燥床关键部件的表面涂层。

(3)以纳米材料制成的特种不污染耐磨透明涂料,涂在玻璃、塑料等物体上,在光的照射下,由于纳米微粒的催化作用,使表面上的物质包括油污、细菌等进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质,具有防污、防尘、耐刮、耐磨及防火功能,可用于食品包装机械上与食品直接接触的零部件的表面涂层,或用于制作包装容器,机械箱体和生产车间等。

(4)纳米二氧化钛和纳米二氧化锡制成多层干涉膜能提高透光率,而且红外反射能力很强,可节省电能,适用于包装机械的红外干燥和红外杀菌设备上。

(5)用纳米金属粉末制成的微孔气体分离膜,可用于气体同位素、混合气体、高分子、有机物的浓缩和分离,可应用于纯净水、软饮料等膜过滤和杀菌设备上。

(6)在高硬度的耐磨涂料中加入纳米相,可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能,防止金属材料的腐蚀和延缓复合材料的老化,并保持较高的韧性。将纳米颗粒加入到表面涂层中,可达到减小磨擦系数的效果,形成自润滑材料;如将碳化钨加入到铁、钴、镍中,可形成硬质合金材料,具有高的硬度、耐磨性能,同时又有更低的脆性。对包装机械关键零部件进行金属表面纳米涂层处理,可提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。

(7)包装机械对润滑剂要求较高,而通常润滑剂易损耗、易污染环境,而纳米磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10nm,不会损坏轴承,而基液亦可用,只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位,能保证机器的正常运转并能显著降低高频噪音、抑制温升、减少材料的耗损。

(8)橡胶和塑料是包装机械应用较多的原材料,但通常的橡胶是靠加入炭黑来提高其强度、耐磨性和抗老化性,制品为黑色,不适宜用在食品包装机械上。新的纳米改性橡胶各项指标均有大幅度提高,尤其抗老化性能提高3倍,使用寿命长达30年以上,且色彩艳丽,保色效果优异。

(9)金属焊接通常都是在高于金属熔点的高温下进行,但是,对于包装机械焊接很困难的部位,为了保证相关仪表及传感器不受影响,可采用纳米焊接。一方面随着纳米颗粒尺寸的减小,纳米材料的熔点(液相烧结温度)会随之降低,另一方面随着颗粒比表面积的提高,扩散速率大幅度上升,使纳米颗粒的熔点通常低于粗晶粒物体。

(10)另外,随着改进的等离子技术、表面淬火技术和激光表面热处理技术应用于结构材料表面纳米化,包装机械上的轴承、齿轮、丝杠、硬质合金刀具表面纳米化处理也有明显的效果。

3.包装印刷方面

(1)金属纳米微粒具有消除静电的特殊功能。将金属纳米微粒加入包装与印刷材料表面,以减轻或消除在高速全自动包装机或印刷机上输送包装与印刷材料所产生的静电,提高包装与印刷速度和效果;另外,由于静电的消除,包装材料表面不再吸附灰尘,使得材料表面不再因沾有灰尘而增加磨擦导致擦伤,提高印刷质量。

(2)选择适宜的既有颜料又有染料双重功能的纳米微粒和纳米粉体材料得到各种颜料,以生产高级印刷油墨,可导致包装印刷全面升级。新型纳米级透明氧化铁颜料具有分散性好、结晶性好、耐候性好、透明度高及着色力强等特点,用于制造纳米油墨、纳米水性油墨和纳米水性涂层材料;纳米级碳酸钙是一种轻质碳酸钙,一种重要的无机颜料,具有比表面积较高、活性高、填补和增韧性强等特性,添加到油墨产品及其他产品(如纸张,塑料制品等)中能有效地提高这些产品的性能,目前主要用于高档油墨及专用纸张等;气相法白炭黑是由硅或有机硅的氯化物高温水解生成的带有表面羟基和吸附水的超微细二氧化硅粉末,具有粒径小、比表面积大、化学纯度高、分散性能好等特点,以其优越的稳定性、补强性、粘稠性和触变性等在粘合剂、密封剂及特种油墨等方面得到广泛应用。

目前,由于工业技术水平还不足以在分子量级上进行操作,纳米产品成本太高,商业化产品难以大规模推广应用,随着新的更为高级的工业技术的发展,纳米技术在包装工业中的应用与开发将会有广泛的应用前景和无限的商机。

[参考文献]
[1] 张立德著.第四次浪潮——纳米冲击波.中国经济出版社,2003.
[2] 朱屯等.国外纳米材料技术进展与应用.化学工业出版社,2003.
[3] 刘吉平等.纳米科学与技术.科学出版社,2002.(end)

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