纳米技术在瓦楞纸箱中的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 1 瓦楞纸箱/纸包装展厅 牛皮纸, 瓦楞纸箱, 美纹纸, 纸袋, 纸箱抗压试验机, ... ［摘要］ 纳米技术和纳米材料在瓦楞纸箱的应用，开辟出一个包装技术崭新的领域，其优异特性及功能，为瓦楞纸箱工业的发展，提供了新的途径。 ［关键词］ 纳米技术 瓦楞纸箱应用 特异功能 一、纳米材料对传统包装产业的冲击 粒度小于38μm（400目）的粉料通常被称为超细粉体材料，而纳米材料一般是指粒径在1nm~100 nm间的粒子，它处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，既非典型的微观系统，是一种典型的介观系统，又接近于分子或原子的临界状态。由于纳米粒子具有表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应，所以纳米材料表现出传统固体不具有的许多特异性质，如特异的化学性能、机械性能、电子性能、磁学性能及光学性能。纳米材料可广泛应用于化纤、塑料、橡胶、陶瓷、搪瓷、化妆品、油漆、涂料、纸张等方面，以改善产品档次，实现产品的某些特殊性能；可以实现和聚合物基体及无机填料在纳米尺度上的复合，使复合材料具有优异的力学性能和耐热性、阻隔性、耐候性等，比如在尼龙6中加入纳米材料后其热变形温度提高70~90℃，热分解温度、拉伸强度、弯曲强性模量等都有很大提高。纳米材料可达到分子水平相容，且尺度小于光波长，透明性好，可得超导、光致变色、电致变色材料。 纳米材料由结构走向功能；由单一的从大到小的粉体制备，走向组装、阵列与结构裁剪的控制制备；由直接制备纳米颗粒，走向制备各种形态的前驱体技术。纳米材料的迅猛发展对传统产业的冲击将是显著的。目前的情况是产品的费效比看好，具有较高的净回收率。总之，纳米尺寸的产品在中期发展中可以在高度专业化的市场上找到自己的位置。 纳米技术在未来得以广泛应用的一个决定性因素是对该项技术的改进，使其在数量和成本方面具有与成熟技术相抗衡的竞争优势。 包装产业的重点是包装材料与包装技术。在包装领域更多的是应用纳米技术，开发纳米包装与纳米包装材料。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刚起步，然而，纳米技术必将成为世界包装领域的“制高点”。凡事预则立，不预则废。过去我们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，将为我国的包装工业和技术创新及瓦楞纸箱包装带来机遇。我国加入WTO后，我们必须加快技术创新的进程，力争走在世界的前列。 二、瓦楞纸箱原辅材料应用的纳米技术 （一）纳米纸张与纸板　 纳米纸张最大的特点是在纸成型之时就已经具备了相应的纳米功能，是在瓦楞纸箱包装技术中效果最好、成本最低的一种技术，其应用前景相当乐观。 1.利用超疏水纳米结构，涂层技术，提高了纸张疏水性和表面强度，工艺简单。超疏水纳米结构涂层技术及其在纸产品的应用属国内首创。这种纳米纸除纸张原有的书写、复印等功能外，还具有普通纸所不具备的超级疏水和防潮性和提高印刷表面强度、降低伸缩率的特殊性能，倒上水会象在荷叶上一样自由滚动。且其增加的成本仅为普通纸成本的10%左右。 2.二元协同纳米界面材料是力求将二元协同推广到纳米界面，研讨新型界面物性，超双疏界面物性材料（或称超双亲纳米材料），其基本原理是在特定的表面上建造纳米尺寸几何形状互补的（如凸与凹相间）界面结构，其低凹的表面可使吸附气体原子、分子稳定存在，在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油或水无法与材料的表面直接接触，从而使材料的表面呈现超常的双疏性。这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值。在包装材料领域，纸张制品、纸箱、薄膜等也都获得奇异的超疏水、超疏油效果。 3.聚酰胺水溶性高分子，它和日本住友sumj-rca636、美国的Nopchel1616是同类产品。该产品可广泛应用于各种涂布纸的涂料配方中，能有效地改善成纸的湿粘附强度、湿耐磨强度及油墨接受性；并可改善防起泡性能及提供优良的光泽和遮盖性能；印刷表面强度明显提高，特别适用于含缎白和轻质碳酸钙的高PH值涂布体系，使用效果是氨基树脂抗水剂的两倍。 （二）纳米油墨与UV纳米光油的应用 在包装印刷行业中，纳米微粒扮演着越来越重要的作用。纳米油墨兼容各方面性能。由于SiO2（二氧化硅）、TiO2（二氧化钛）在纳米尺度时表现出很强的抗紫外光和催化性能，经特殊加工化学反应合成的纳米改性油墨，其耐晒性一般可提高2~3个等级，耐热性和附着牢度均有明显提高。调整配方，可制成环保型油墨；加入热敏、光敏等材料，还可制成防伪油墨。 纳米微粒还可以替代化学颜料来制作印刷油墨。这套生产系统采用了颗粒均匀的纳米微粒印刷油墨。制得的油墨色彩鲜艳，色相纯正，无毒无味。纳米油墨在胶印、凹印、柔印制作彩色纸箱、纸盒的应用前景十分看好。 纳米UV上光油：纸包装制品，表面光泽处理的技术正逐步向紫外线固化UV上光方向发展，纳米级UV上光油使彩色瓦楞纸箱具耐磨擦、耐指划、防潮、高光泽度等性能。纳米UV上光油主要由纳米齐聚物（如环氧丙烯酸等）、活性稀释剂、光引发剂及其他助剂组成。UV上光的方式很多，可上光机与印刷机上光、辊涂上光或印刷上光。 （三）纳米粘合剂的应用 1.粘合剂和密封胶是包装领域中的重要产品，使用范围很广。国外已将纳米TiO2作为添加剂添加到粘合剂和密封胶中，使其性能大大提高。其作用机理是，在纳米TiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将其添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米TiO2形成网络结构、提高粘接效果。另外由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。 2.纳米粘和剂由于在树脂中加入了50~70nm的橡胶微粒，不仅提高了封合强度、剪切强度和耐热老化等物理化学指标，而且极大地拓展了它的应用领域，号称21世纪“万用粘合剂”，是粘合技术的一大硕果。 3.纳米级防伪胶水。调整小牛胸腺DNA浓度为600ng/μl，琼脂糖电泳检测提取防伪DNA的浓度，取18μl小牛胸腺DNA，加入2μl防伪DNA，依次梯度稀释，加入0.1g胶水中。使胶水中小牛胸腺DNA浓度为100μl/μl，防伪DNA浓度10倍递减，细铁丝搅拌混匀，取2μl浓于100μl超纯水，涡旋混匀。取2μl作模板，20μlPCR反应体系检测。最高检测极限为10-11g/μl。将胶水均匀涂于纸上，自然晾干后，用锋利刀片切取10mm2，置于20μl反应体系检测，最高检测极限为10-11g/μl胶水。用大头针划取涂有胶水的纸片，加50μl超纯水，65℃浸泡100min，离心后取上清液为模板，PCR反应表明，最高检测极限也为10-11g/清1胶水。 （四）其他方面的应用 1.纳米微粒对紫外线有吸收能力。塑料包装制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料包装材料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层，这种涂层在300~400nm范围有很强的紫外线吸收性能，这样就可以防止塑料包装的老化，从而大大增加塑料包装的用途（如外包装、大型设备的裹包及瓦楞纸箱打包薄膜等）和寿命。 目前对紫外线吸收好的包装材料有两种，一种是30~40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；另一种是Fe2O3纳米微粒的含醇树脂膜。前者对400nm波长以内的紫外线光有极强的吸收能力，后者对600nm波长以内的紫外线光有良好的吸收能力。利用纳米技术制作的这种光吸收材料将成为传统包装材料的替代产品，为包装材料的改性和功能保护创造了技术条件。 2.日本利用油墨开发可生物降解塑料。这种聚乳酸塑料片材能以可控速率生物降解。其可降解塑料薄膜可以应用在彩色纸箱、纸盒表纸印刷的复膜，提高外观效果，又适于环保。生物可降解聚合物材料，可以通过把纳米级微粒融合到聚合物晶格结构中的方法，可提高阻隔性，使生物可降解包装材料的应用范围得以扩大。 3.美国应用纳米拒水剂涂覆在纸箱内层，可以把啤酒放入带冰的纸箱，使用拒水剂的纸箱表面与水不粘连，环保，防潮。 三、纳米技术对瓦楞纸箱印刷的影响 （一）将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩，用于化学成分探测器及作为高效率的热交换隔板材料等。 金属纳米微粒具有消除静电的特殊功能。利用纳米技术，将金属纳米微粒涂覆在包装与印刷材料的表面，以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时所产生的静电，从而大大提高包装与印刷速度；另外，由于静电的消除，使得包装与印刷材料表面不再吸引灰尘，材料表面不再因灰尘增加摩擦而导致擦伤，提高印刷效果。 防静电瓦楞纸板。电子元件、集成电路和电子引信的防静电包装是十分重要的。在瓦楞纸板表面涂布纳米级碳粉、层合铝箔、在箱纸板生产过程中加入金属纤维或碳素纤维，都可制造防静电的瓦楞纸板。 此外还有防臭、防滑等瓦楞纸板，适用于包装有关商品。 （二）纳米技术的应用催生了新材料印版。当进行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。当一块材料亲水性和亲油性两相同以纳米尺寸存在时，就会具有超亲水性和超亲油性界面。可以想象，今后的纸箱印刷的分辨率将会更高。 麦德美公司最近推出的感光树脂版，经过短紫外的去粘曝光，版材表面比一般固体版光滑。非常适用于瓦楞纸箱印刷。经过纳米技术处理的版材，其耐磨力、伸张力、耐印力、韧性及版材储存寿命都有大幅度提高。激光雕版机、橡胶版相对于树脂而言，成本低廉，效率也成倍提高。 四、纳米技术提升瓦楞纸箱的功能 （一）瓦楞纸箱保鲜技术。 现有保鲜技术和工艺十分复杂，且保鲜包装效果不佳，在包装操作和贮运过程中相对成本较高。采用纳米技术后，这些问题将迎刃而解。 1.纳米晶体与较大的分子，如聚合物分子混合能使材料性能发生巨大变化。纳米微粒能起成核位置作用，使聚合物分子在它周围取向，在尼龙6中引入纳米粘土片能改善材料的力学和流变学性能。美国新泽西州Honeywell lntemational公司推出一系列尼龙6纳米复合产品增强了氧化屏蔽能力和除气能力，并使拉伸模具、变曲模具和抗弯强度增加30%~50%，耐热性能提高1倍。Honey-well的一种名为Aegis NC的产品，可阻止O2和CO2渗透，聚合过程中加入的纳米晶粒可在固化的尼龙中形成一种能够阻挡气体分子移动的屏障。与普通尼龙6相比，纳米复合材料抗O2和CO2透过的能力提高6倍。 Aegis NC适用于涂覆包装果类冰冻食品用的硬纸箱。Honey-well还推出一种适用于塑料瓶的Aegis OC尼龙树脂，该树脂含有纳米尺寸的化学活性有机O2清除剂和粘土纳米微粒。在PET层之间夹入这种纳米复合材料，可制得与玻璃瓶一样能隔离氧和保持啤酒、软饮料中CO2的轻质塑料瓶。用这种瓶子盛放的食品保存期可达48个月。 2.日本一家造纸公司生产了一种水果保鲜包装箱。它是在瓦纸箱的瓦楞纸衬纸上，加一层聚乙烯膜，然后再涂上一层含有微量水果消毒剂的防水蜡涂层，以防止水果水分蒸发并抑制呼吸达到保鲜目的。这种包装箱可使水果在一个月内保持新鲜。 3.美国一家公司发明了一种在包装箱里减少氧含量、增加氮含量，以使果蔬保鲜的新方法。该方法在运输中使用具有气调性能的新型包装箱，这种包装有一层特制的薄膜，能够吸收氧分子，而让氮气通过。这样在空气通过薄膜进入包装箱后，箱内的氮气含量可高达98%以上，从而使果蔬的呼吸作用减慢，达到较长时间保鲜目的。 4.保鲜瓦楞纸箱是一种特殊的包装，也是一种技术创新产品。它是借助于现代科学和技术与包装工程交叉结合的产物，体现了现代包装技术的发展方向。保鲜瓦楞纸箱的关键是对传统瓦楞纸板进行纳米改性和对传统瓦楞纸箱结构进行保鲜设计和创新。 保鲜瓦楞纸板 保持水果、蔬菜新鲜的方法是减少失水、抑制生物呼吸和细菌生长，同时除去促使它们老化、熟化的乙烯气体，保鲜瓦楞纸板正是从这些方面入手进行加工。 复合型——将镀铝保鲜膜层合在瓦楞纸板的内表面，这种复合膜具有吸收乙烯气体功能，镀铝膜（1μ）既可防止水分蒸发，又有反射辐射线，防止箱内温度上升，起到保鲜作用； 混合型——在瓦楞纸箱内面纸制造过程中加入纳米级多孔型乙烯气体吸收粉剂，防止催熟；也可在原纸上涂布能发出6~14μm波长红外线的特种陶瓷粉末。这种粉末在常温下就能发射红外线，不仅能使果品中有关分子活化，提高抵抗微生物侵蚀的能力，而且还可使酶活化，提高果品甜度，用于桃、葡萄、杨梅等保鲜包装效果好。 保鲜瓦楞纸箱 抗菌保鲜瓦楞纸板与纸箱。抗菌保鲜瓦楞纸板是在纸板里衬纸的表面敷有一层纳米抗菌防腐剂，这种防腐对食品卫生没有影响。 二氧化硅混合衬纸瓦楞纸板与纸箱。保鲜性能良好，纸板的加工制作与普通的瓦楞纸板完全一样，无需在衬纸与瓦楞之间夹加任何材料。它的保鲜作用是由于纸板的里衬中含有能够吸收乙烯气体的纳米粉剂。纳米粉剂是用白硅石为原料制成的以二氧化硅为主要成分的多孔型粉剂，由于白硅石对于吸附乙烯气体的性能比活性碳、稀土锆以及沸石都要好，所以用纳米白硅石粉剂的纸张作为瓦楞纸板的里衬纸更具很好的保鲜效果。 （二）纸箱包装中的纳米技术 1.纳米材料用于纸箱的防伪包装。一般金属微粒呈黑色，具有吸收红外线等特点，而且表面积大，表面活性高，对周围环境敏感（温、热、光、湿度等）。把具有这些特性的纳米微粒加入包装材料中，或制成涂料或上光剂涂布于材料表面，用于产品包装箱，人们在选择商品时便可通过热度、光线或温度加以鉴别，从而达到防伪目的。也就是说利用纳米技术可实现色彩防伪、理化效应防伪等目的，从而提高防伪技术水平。 2.传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。比如，将微型传感器装在包装箱内，可通过全球定位系统，对贵重物品的运输过程实施跟踪监督；在食品工业领域，这种微型传感器可用来监测食物是否变质，比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状况等。 （三）纳米生物技术应用于纸箱防伪 DNA作为一种生物大分子，是生物遗传物质的基础，现代基因工程技术的核心内容即是DNA的分子操作或分子克隆。目前DNA的非生物学方面的广泛应用，如生物计算机、纳米生物学及DNA用于商品防伪。DNA用于商品防伪以Le Page和Slater为首创（Lepage和Slater1987），基本过程为在特定商品上加上一段长度为1~10KB的DNA作为信号分子，利用DNA的双链互补特性再获得一个探针DNA分子，根据同位素或非同位素标记探针DNA 分子与信号DNA分子的杂交信号，揭示信号分子的存在，并因而判定商品的真伪。 以1：（10~20）和1：（10~9）的比例将密码标志DNA掺入水及低度酒（酒精含量低于40%）中，直接取1ul液体样品，PCR检测也能给出正确结果。现正在尝试在包装用纸箱生产过程中加入标志DNA以便于纸箱的防伪。 （四）纳米瓦楞纸箱的其他方面的应用 1.美国开发了一种叫做Repelkote的涂料，解决了产品在储运过程中常受到害虫侵袭的难题。Repelkote涂料能够防止害虫在大米、玉米粉、面粉、食用面糊、干谷类、烘烤混合料、饼干、干燥宠物食品、速食食品混合料、纺织品、水果鲜花和蔬菜等包装产品中孳生。 Repelkote通过天然成份（冬青油）提炼而成，在转换操作中被作为压贴土层用于折叠纸箱、波纹箱和多层纸袋。该产品通常用于包装材料的外层或多层纸袋的内层。 Repekote在转换操作中作为一种压贴涂层而被用于可折叠纸箱、波纹纸箱和多层牛皮纸袋。 在北美，卡罗斯塔公司每年销售带有Repelkote涂层的可折叠纸箱、多层牛皮纸袋、波纹纸箱，价值3千万美元。据了解，此项技术能将香精油纳入涂层溶液中，将其用于底层，通过活性成份的受控释放来驱赶害虫，从而不会再有因样品受污染所导致的退货，而且还降低了成本。 2.香气包装　美国Mecormick公司推出新型香气包装材料，为无铝箔Perfrma纸板，含有特殊涂料，能使香气保持3年，并且有防紫外线照射功能，用作包装板料。 3.防伪密封　纸加拿大蒙特利尔造纸厂开发生产自行粘合密封纸，用于包装食品，避免包装时用线绳捆绑装订的麻烦。这种纸的外层是牛皮纸，可供书写印刷。内层为特殊聚丙烯发泡材料，坚韧无毒性，有保湿、保温等功能，被包装食品的汁液、风味、气味不会外泄。一拆封就失去粘性，有一定防伪功能。 4.可测病菌包装材料 加拿大Tox-inAlert公司研制开发出可测病原菌的新包装材料。利用以蛋白质为基础的抗体检验系统，可检测出沙门氏菌、弯曲杆菌、大肠杆菌0157、李斯特菌四种病原菌。当包材接触到受污染食品时即发生变色反应。该包材还可用于检测害虫或基因工程食品的蛋白特性。这种包材可加工成任何形状，适合不同产品需要。组成成分80%为聚合薄膜，其他是金属箔与纸板板材。 5.抗菌保鲜包装盒　日本仙台包装公司开发出有抗菌保鲜功能的无纺布，用其制成防菌保鲜包装盒盛装鱼肉等食品。这种包装盒内会产生微弱能量，使鱼肉组织酶活化，阻止食品内部水分游离，防止食品腐败。 6.电子束杀菌是美国开发的新技术，以取代双氧水和蒸汽杀菌，电子束杀菌具有成本低、效率高、特别是容器内壁杀菌效果等特点，California公司在包装印刷机上装有电子束发生器，可在印刷的同时进行杀菌处理。 纳米技术在瓦楞纸箱的应用远不止这些，几乎涉及瓦楞纸箱及纸板制造的方方面面。浙江已经研制成功的“纳米瓦楞纸箱”也仅仅是一个先例。在21世纪，纳米科技是创造高性能、高效率、高功能等高新包装的最新技术。可以预见：在传统的包装印刷与瓦楞纸箱业，纳米技术与纳米材料将会有着强劲的发展动力和广阔的应用前景。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/4/2005)