纳米技术在包装工业中的应用
     [摘要] 文章阐述了纳米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塑料成品、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)纳米涂料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橡胶的补强剂和抗老化剂;用纳米氧化铝大幅度提高
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    收录时间:2013年09月27日 11:51:01 来源:jdzj.com 作者:匿名
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