【云展览 微科普】8、纳米绿色印刷技术及应用

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走进中国科学院创新成果展

（八）纳米绿色印刷技术及应用

纳米材料异军突起
促进了“纳米+”技术的转型升级纳米绿色印刷技术有望带来印刷业的社会变革
“云展览 微科普”系列专题本期为您讲述纳米绿色印刷技术众多应用与成果赶快来一探究竟吧！

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，也给古老的印刷技术带来了新的机遇。印刷过程简单来说就是利用模板将油墨转移到承印物表面，形成特定的文字、图案或图形。从活字印刷到激光照排，印刷术为文明的传承和发展做出了巨大贡献，但如今也面临环保和电子出版的巨大挑战。近年来，基于纳米材料的创新研究，中国科学院化学研究所的科研人员提出和发展了纳米绿色印刷制造技术。纳米绿色印刷制造的核心理念是将纳米材料和印刷技术相结合，实现印刷产业的绿色化、功能化、立体化和器件化，以期从源头消除污染、推动印刷产业的可持续发展。

技术突破

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传统印刷产业链主要存在印刷版材、制版和油墨等环节的污染。纳米材料的创新研究和应用，系统解决了印刷产业链的污染问题，还突破了传统印刷技术精度的极限，将印刷技术拓展应用于功能器件制备领域，形成印刷电子、印刷光子等新的发展方向。

01

 纳米绿色印刷版材与绿色制版

印刷版材是印刷的关键。传统基于感光成像的预涂感光板（Pre-Sensitized Plate，英文缩写为PS）及计算机直接制版（Computer to Plate，英文缩写为CTP）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。类似传统的胶卷照像过程，需要避光，并造成材料的浪费，同时产生显影和大量冲洗废液(图1)。

图1 传统制版技术工艺示意图

(a)PS 版制版技术；(b)CTP 版制版技术

纳米材料绿色制版技术则以“加法原理”实现快速环保的制版过程。该技术将特制的纳米复合转印材料精确打印在具有微纳米结构的超亲水版材上，在版材表面形成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)。如同数码照相代替胶卷照像，完全避免了传统感光冲洗工艺的污染。

图2 纳米材料绿色制版技术示意图

传统的印刷版材和纳米绿色印刷版材（Nano Green-printing Plate，NPG）的生产工艺如图3所示。传统电化学处理铝版材需要经过除油、电解、阳极氧化、封孔和涂布等复杂工序，能耗和废酸、废碱的排放量巨大。纳米绿色印刷版材的生产工艺只需要涂布工序，即将纳米涂层材料涂布在铝版材表面，烘干后就得到纳米绿色印刷版材。纳米绿色印刷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，推动印刷行业的绿色发展。

图3 (a)传统电化学处理铝版材和(b)纳米绿色印刷版材的生产工艺

纳米绿色制版技术要发展成为应用技术，还必须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，实现版材的超亲水性，并通过有效调控转印材料在版材表面的扩展和粘附行为，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 用于纳米绿色制版技术的无机纳米复合材料示意图及印刷的样品

02

 绿色油墨

油墨是印刷过程的关键材料之一。随着对环保性和油墨本身要求的提高，基于纳米材料的多种特性，在油墨中加入纳米材料不仅可以显著提高油墨的耐候性、着色性等，而且将极大地推动功能油墨的发展。而以发展水性油墨为代表的环保油墨的发展，从源头解决了包括塑料食品包装的VOC排放和食品安全问题，对绿色印刷产业链的形成具有深远的意义。

03 

印刷电子

印刷电子是利用喷墨打印、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制备，从而实现印刷制造电子电路及元器件。与传统基于曝光刻蚀的“减法”制备技术相比，印刷电子产品的基材广泛，且具有柔性化、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

04

 印刷光子

印刷光子是指利用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。

图6 直写技术制备的光波导结构

05

 3D打印技术

3D打印技术是近年来研究和先进制造领域的热点之一。在传统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，大大拓展了传统打印印刷技术的发展空间。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，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。

图7 3D打印技术及其应用

发展展望

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纳米绿色印刷技术以其绿色环保、工艺简捷及低成本等突出优势呈现出广阔的产业变革前景，不仅将彻底解决传统蚀刻工艺的高耗能和高污染问题，还将在物联网、高灵敏传感和检测器件等技术的发展中发挥重要作用。相信在不久的将来，印刷技术作为一种增材图案化的先进绿色制造技术，将在众多传统产业改造和战略新兴产业的发展中发挥重要作用，迎来印刷行业新的辉煌。

鸣谢

中国科学院科技促进发展局

中国科学院化学研究所

文章来源：“院史天地”公众号

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