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“印”出绿色新世界丨纳米材料与绿色印刷

科学出版社 更新日期:2018-03-22

纳米材料相关研究的兴起,不仅催生了许多新的学科与研究热点,对许多重要产业如印刷行业也产生很大的影响,也给印刷技术的发展带来了新的机遇。近年来纳米材料的创新研究和应用,不仅推动了绿色版材、绿色制版和绿色油墨的绿色印刷全产业链技术的形成, 而且大大促进了印刷电子、印刷光子和3D打印技术的发展。

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纳米绿色版材与绿色制版

 

印刷版材作为衔接印前和印刷的关键要素,是印刷制版工艺中的关键材料之一。目前国内外的制版技术主要是激光照排和计算机直接制版(Computer To Plate,CTP)。其中激光照排制版使用PS(Presensitized Plate)版,而计算机直接制版使用的版材有不同类型,它们都属于通过感光成像的印刷版材。无论是PS 版或CTP 版通常都是以铝板为基材,为了获得足够的耐印力与分辨率,都需要对铝版材进行电解粗化,后处理过程都需要经过曝光、显影的化学处理。版材的生产工艺包括清洗、除油、电解粗化、阳极氧化、封孔、涂布和烘干等诸多工序,会排放大量的废液和废渣,造成较大的能源消耗和环境污染。

 

传统的PS 版及CTP 版制版技术采用的是“减法原理”,即先在整个基材上涂覆一层感光材料,再通过制版机曝光后清洗掉多余的部分。这种工艺会造成材料的浪费,同时产生大量的废液(图1)。

图1 传统制版技术

(a)PS 版制版技术;(b)CTP 版制版技术

出于对节约资源、减少排放的考虑,中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室开发的纳米材料绿色制版技术反其道而行之,以“加法原理”实现高效快速、清洁环保的制版过程。简单来说,这种纳米材料绿色制版技术是以喷墨打印技术为基础,在亲水的空白基材上打印亲油墨的图文区域,即将特制的纳米复合转印材料通过直接制版设备精确打印在具有微纳米结构的超亲水版基上,利用纳米材料对界面性质的调控,在版材表面形成具有相反浸润性的微区(亲油的图文区和亲水的非图文区),从而实现直接制版印刷(图2)。

图2 纳米材料绿色制版技术

纳米绿色版材是将新型功能纳米材料通过特定工艺均匀涂布在未经电化学处理的基板表面,使金属版材在具有合适的粗糙度的同时,又具有良好的吸墨性和耐磨性,实现传统版材所具备的高耐印力和保水性等印刷要求,是真正意义上的绿色版材。

 

纳米绿色版材的生产工艺简单,将纳米涂布液涂布在铝版材表面,烘干后就得到纳米绿色版材。传统的电化学处理铝版材和纳米绿色版材的生产工艺如图3 所示。电化学处理铝版材需要经过除油、电解、阳极氧化、封孔和涂布五个关键工序,为了形成多重砂目,通常需要两次电解,能耗和废酸、废碱的排放量巨大。纳米绿色版材的生产工艺只需要涂布一道关键工序,成本优势和环保优势明显。纳米绿色版材完全摒弃了传统版材生产电化学腐蚀的原理,省去了电解氧化等诸多烦琐工序,工艺简捷、成本低廉且绿色环保。纳米绿色版材与纳米材料绿色制版技术的集成推广和应用,将彻底解决传统版材生产和印刷制版过程中由电解氧化和感光冲洗引起的环境污染和资源浪费问题,大幅提升我国印刷行业的技术水平和绿色化发展。

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图3 电化学处理铝版材(a)和纳米绿色版材(b)的生产工艺

纳米材料绿色制版技术要发展成为一项可行的应用技术,还必须考虑印版的实际应用要求,如分辨率、耐印力等。为满足印版高分辨率的要求,通过对印版表面进行纳米结构处理,实现了版材的超亲水性,并通过有效调控转印材料在超亲水版材表面的扩展和浸润行为,实现了图文区域浸润性从超亲水到超亲油的转变,从而保证印版图文区与非图文区形成清晰的界面,使印版具有很高的分辨率 (图4)。

图4 用于绿色打印制版技术的无机纳米复合材料示意图及印刷的样品

纳米油墨

 

油墨是印刷过程的关键材料之一,其各方面的性能会影响印刷品的质量,因而改善油墨性能对提高印刷效果具有重要作用。随着对环保性和油墨本身要求的提高,环保型油墨、高纯度和高细度油墨将得到长足的发展。基于纳米材料的多种特性,油墨中加入纳米粒子等纳米材料不仅可以不仅可以显著提高油墨的耐紫外性、耐候性、着色性等,而且将极大地推动功能油墨的发展,可望给油墨产业带来巨大的变革。而以水性油墨为代表的环保油墨的发展,更将对绿色印刷产业链的形成具有深远的意义。

 

由于纳米粒子具有很大的比表面积,能大大改善颜料的亲油性和可润湿性,并能保证整个油墨分散系的稳定。所以添加有纳米粒子的纳米油墨,其印刷适性会得以提高。纳米材料与印刷油墨结合,可制备粒径小、细度高的油墨。纳米颜料用量少、光泽好、成膜均匀、印刷图像清晰。此外,纳米油墨具有耐水、耐磨、穿透性佳等优点。例如,添加特定纳米粒子的纳米油墨来印刷彩色印刷品,印刷品层次会更丰富,图像细节表现能力也会大大提升。

印刷电子

印刷技术以其快速、大面积、精确可控等优点,成为制造电子产品的极具前景的重要发展方向。印刷电子是一种增材法电子制造技术,各类具有导电、介电或半导体电学特征的纳米材料,可以利用喷墨打印、丝网印刷、凹版和凸版印刷等技术,通过层层印刷的方式完成材料在不同基材表面的图案化甚至纳米精度阵列制备,进而实现印刷制造电子电路及元器件产品。与传统基于曝光刻蚀的 “减法”制备技术相比,印刷电子的基材广泛,既可是传统硅片、玻璃等硬基材。也可以用柔性聚合物薄膜等可延展基底,并可实现卷到卷的生产。此外,良好的可塑性将为电子产品节省更多空间,又可在外观上带来前所未有的设计突破。目前,智能电子产品市场日趋成熟,消费者对于有创造力的产品设计元素越来越看重,基于纳米材料的印刷电子技术以其产品柔性化、透明化、轻薄化以及可穿戴的特点,将大大突破传统印刷技术的内涵和外延,为各类“黑科技”产品的研发提供崭新的技术平台。

图5 印刷制备的复杂表情分析的高灵敏传感器

印刷光子

印刷光子是指利用各种印刷技术来制造光学器件和产品。印刷技术与纳米材料、光学薄膜器件及光学器件集成技术等学科的交叉和融合,极大地推动了纳米印刷光子技术研究的发展。印刷设备、光学油墨的多样化确保了各种光学材料在空间上和功能上的集成,从而在变革制造工艺、扩展光学器件性能的同时实现其应用领域的拓展。通过印刷技术精确制备光学微、纳米结构已成为可能,将显著降低多功能器件如发光显示、检测、防伪、光电探测与光波导等器件的制造成本;而基于光子晶体等纳米功能材料发展起来的印刷光子器件将为未来光子工业的发展奠定材料和技术基础。

图6 直写技术制备的光波导结构

3D打印技术

3D打印技术是近年来研究和工业领域的热点之一。在传统的平面打印技术基础上,通过逐层打印叠加的方式,可以便捷高效地得到各种材料的3D 结构。3D打印技术无需模具制造或机械加工,避免了传统减材制造工艺的材料与能源的浪费。同时,可以将计算机设计的图形数据直接生成各种具有三维结构的实体样品或产品,可以极大地缩短产品的研制周期,提高生产效率和降低生产成本,更可以提供便捷的个性化制造服务。在良好设计的基础上,利用三维打印技术可以大大简化生产制造过程,快速、有效且廉价地生产出单个物品,而且可以制造出传统生产技术难以实现的结构或产品。目前的3D 打印技术已经开始深度融合到现有的各个行业与应用领域,例如汽车与航天领域将3D 打印快速成型技术应用于模型模具的生产和新车型、机型的研发等;医疗健康方面,3D 打印制造的牙齿、假肢已经成功地应用于临床。以3D 数字模型、数据库、网络数字技术为基础的3D 个性化打印技术服务也在蓬勃发展。

图7 3D打印技术及其应用

《纳米材料与绿色印刷》

作者:宋延林 等

责任编辑:张淑晓,孙曼

北京:科学出版社,2018.3

ISBN:978-7-03-056577-8

印刷术在人类文明发展历史中发挥了重要作用。将纳米科技的创新研究成果与古老的印刷技术相结合,为印刷产业的绿色发展打开了一扇新的大门,将继续书写印刷术的传奇。《纳米材料与绿色印刷》主要介绍了纳米绿色印刷技术的发展及其应用,全书为全彩无光铜版纸印刷,以专业的视角和通俗易懂的语言,全面系统地阐述了“绿色制版、绿色版材、绿色油墨”的完整纳米绿色印刷原理与材料体系,归纳总结了印刷电子、印刷光子和3D打印印刷的最新进展。