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中国纳米水性油墨的研发与创新技术

引言

纳米技术（nanotechnology）是一个含义极其丰富的术语。它的基本涵义是在纳米尺寸尺度空间内认识和改造自然，研究潜江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。这意味着人们可以生产出极纯的材料、丰富多样的新产品，并且能大大提高机器效率。纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究与应用的一门综合性的技术体系，其最终目的是操纵与控制原子、分子制备成人工功能材料。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于材料生产（超微粉、镀膜等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热、及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术[1]。

我国一位著名的科学家指出：“在信息科学、生物工程、纳米科学这三大代表科技未来发展趋势的‘领导型’学科中，纳米科学是我国与发达国家差距最小的学科，也是我国最有可能与发达国家保持同步发展的学科”。世纪之交，新华社2000年8月29日一篇题为《决战纳米时代―记高科技术领域的一场世界性角逐》的综述，使纳米迅速得到了社会的认同。

纳米技术将成为今后二三十年科学发展的主导技术。纳米技术应用的最重要领域，是制造具有特异物理、化学性质的新型功能材料。最典型的应用是将两种不同性质的材料制成纳米复合颗粒。欧盟早在1995年就发表报告称：预测在今后20年内纳米技术的开发将仅次于芯片制造业，成为世界第二大制造业。纳米技术未来的应用远远超过计算机工业。根据历史经验和最新的科技发展，世界各国的很多科学家都认定：纳米技术正昭示着产业革命的曙光，其影响将如同20世纪后叶微电子技术引发了信息革命。

纳米科学技术的发展有十分重要的意义。首先它将改观人类传统的生产模式，空前地提高社会生产力，并有可能从根本上解决目前人类所面临的环境污染，生态平衡破坏、原材料与能源消耗等诸多严重的问题，同时，纳米科技能够开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上。

本世纪的技术革新，很大程度上是靠弄清更加微观的现象和据此发展操作技术来支撑的。但是，这种传统的技术开发，在很多领域将遭遇极限。如果没有与传统根本不同的新发现，就无法登上新的台阶。纳米技术就是发现这种效果与人工的独特的结构技术，人们正是充分掌握和利用先进的现代科学技术使对纳米技术的预言和研究成为可能。

众所周知，普通油墨是一种复杂的高分子组成物，它具有特定的黏度和优良的印刷适性。其中主要成分是颜料（染料）、高分子黏结剂、溶剂和少量添加剂等组合而成。成墨时，人们将上述各组分按一定比例，放入专用设备中，经充分分散，制得均匀的有一定黏度和触变性的印刷油墨。

纳米油墨的组成和制造方法与普通油墨没有什么不同。如果有差别的话，那仅仅是这两种油墨所采用的“颜料”粒子，在粒径方面有很大差异。普通油墨的颜料粒径为微米（μm）级，而纳米油墨的“颜料”粒径是纳米级。两者大小相差约1000倍。有特异性能的纳米“颜料”的引入，会给其油墨制造工艺带来某些环节的适度改变，这一点人们也是可以理解的。

纳米油墨和普通油墨虽然都用于产品的印刷，但是，前者主要是侧重于特种功能方面的应用，而后者往往用于单色或彩色印刷物万用表的印刷。

最近，纳米油墨虽上周然刚刚崭露头角，然而，它在电子部件的加工与安装、高档产品的装饰与装潢、医药方面的除菌与检测以及特种产品的防伪印刷等领域，已初步显现出了优异的性能和巨大的吸引力[2]。

1.纳米水性油墨特性与纳米粉体对油墨的改进

1959年物理学家暨诺贝尔奖得主查德?费曼（RichardFeynman）最早提出纳米技术的构想之后，纳米技术即逐渐被人所重视，并广泛的运用到各个领域当中。1994年，美国的马萨诸塞州XMX公司已成功获得一项用于制造油墨用的纳米级均匀微粒原料的专利。由于纳米金属微粒能对光波全部吸收而使自身呈现黑色，同时对光又有散射作用。因此，利用这些特性，可把纳米金属微粒添加到黑色油墨中，制造纳米油墨，以提高其纯度和密度。半导体纳米粒子由于存在显著的量子尺寸效应和表面效应，因而对光的吸收表现出一定的特性。

随着对印刷质量要求的不断提高，顾客对印品的要求不但要质量优良，且要符合环保、防伪等多种特殊需要，因此对油墨也提出了更高的要求。油墨的细度和纯度，对印刷品质量有很大的影响。要印刷出高质量的产品，必须要有细度、纯度高的油墨作保证。油墨的细度与颜料、填充料的性质和颗粒的大小有直接的关系，而油墨的细度就是指油墨中的颜料(包括填充料)颗粒的大小与颜料、填充料分布于连结料中的均匀自行生产、装配度，它既反映到印品的质量，同时又影响到印版的耐印率。

纳米科技为新兴之科学技术，其目前主要的研究对象又以纳米材料为主，如今纳米材料已渗透到各个领域，印刷产业亦然。当纳米技术与印刷油墨结合，即能轴承钢球创造出粒子小（粒子小于100nm）、细度高的油墨。而油墨的颗粒愈细，颜料颗粒手动阀与连结料接触面就愈大，印刷的性能也就愈好、愈稳定，其点也愈显得清晰饱满，此即为“纳米油墨”。

因纳米油墨的色彩较为饱和、艳丽，因此以纳米油墨所制成的四原色墨比传统的印刷四原色墨在印刷迭印中所得的色域要高。此外，纳米油墨尚具有耐水、耐磨、穿透性佳金属丝的局部断裂破坏其实不意味着全部构件的终究失效等优点，可谓是不仅保留了传统油墨的优点，更结合了纳米技术的优势[3、10]。

1.1纳米水性油墨特性与特点

1.1.1纳米水性油墨组成[4、5]

纳米水性油墨是由有色体、连接料、体质颜料、助剂等物质组成的均匀浆状胶黏体，能进行印刷，并在被印刷物体上干燥。纳米水性油墨的主剂由作为分散相的颜料和作为连续相的连接料组成。颜料赋予水墨以颜色，连接料提供水墨必要的转移性能。纳米水性油墨的组成如图1所示。

1.1.1.1连接料

连接料是纳米水墨的流体部分，能使着色料即颜料在分散设备上轧细、分散均匀；在承印物上附着牢固，而且使油墨具有必要的光泽、干燥性能和印刷转移性能。纳米水墨连接料一般按溶解性能命名。

1.1.1.2颜料

颜料在纳米水墨中是为水墨提供颜色和各种耐(久)性，对水墨的流变性能(流动性、黏度等)也有较大的影响。

1.1.1.3助剂

助剂(辅助剂)是纳米水墨制造以及印刷使用中为改善水墨本身性能而附加的一些材料。按基本组成配制的水墨，在某些特性方面仍不能满足印刷使用上的要求，或者由于条件的变化而不能满足印刷使用上的要求时，必须加入少量辅助材料来解决。纳米水墨的助剂种类较多，主要有以下几种：偶联剂、中和剂、溶剂(共溶剂)、增稠剂、防沉降剂、防霉剂、润湿剂和分散剂、消泡剂等。

1.1.2纳米水性油墨干燥机理[6、8、11]

1.1.2.1水稀释型连结料的干燥

水稀释型连结料的干燥原理如下：水稀释型连结料之所以能够在水中溶解，是因为这些高分子树脂中含有一COOH(羧基)、一OH(羟基)、一NH2(氨基)、一C一NH2和一C一，这些基团是亲水的。

经过一定的工艺，把高分子树脂制成有机胺盐类，就可以完全溶解于水了。因此，现在可以利用羧基和氨基的反应形成能溶于水的黏滞状液体。如：

RC00H+NH2CH2CH2OH→RCONHCH2CH20H+H20

在水中，上述产物会形成：RCO-N+HCH2CH20H，该产物具有良好的亲水性。由于水的蒸发潜热较大，会减缓水墨的干燥速度，同时，由于胺盐遇热不稳定发生分解反应，所以以挥发干燥为主，兼反应性凝固干燥，一经干燥，墨膜就成为水不复溶的了。干燥过程如下：

1.1.2.2水分散型连结料的干燥过程

水分。型乳液连结料的干燥过程可以用一个三阶段的干燥模型来描述：①水从湿膜的表面挥发，墨膜整体体积缩小，分散的聚合物颗粒逐渐浓缩；②聚合物颗粒开始相互接触；③颗粒发生凝聚，形成干燥的墨膜。如图2所示。

1.1.3纳米水性油墨特性与特点

纳米半导体粒子表面经化学修饰后，粒子周围的介质可强烈影响其光学性质，表现为吸收光谱发生红移或蓝移。实验证明，Cds纳米微粒的光吸收边有明显的蓝移，TiO2纳米微粒吸收边出现较大幅度的红移。如果把它们分别加到黄色和青色油墨中制成纳米油墨，便可提高其纯度。用添加了特定纳米微粒的纳米油墨来印刷彩色印刷品，层次会更丰富，图像细节表现能力亦会大增在颜料上给油墨制造业带来一个巨大的变革，它不再依赖于化学颜料，而是选择适当体积的纳米微粒来呈现不同的颜色。因为有些物质处在纳米级时，粒度不同颜色也不同，或不同物质不同颜色，如TiO2、SiO2在纳米粒子是白色，Cr2O3是绿色，Fe2O3是褐色。据此，纳米金属微粒可吸收全部光波而使自身呈黑色，同时对光亦有散射作用。将纳米金属微粒添加到黑色油墨中，可提高黑色油墨的纯度和密度(图3纳米颜料的特性)。

在颜料纳米化的实际验证上，纳米化颜料外观颜色远比次微米的颜料更为深黑，其主要原因为颜料的粒子大，光线透过会打碎，因而光线散射出光来，少部分的光则穿透过去。而纳米颜