纳米防伪

【论文摘要】纳米防伪技术是一项前沿科学技术。本文就纳米防伪的形式、功能、特点的研究，表明其在包装印刷中的应用与前景。[summary]nanoanti-counterfeitingtechnologyisaadvancedsciencetechnology.Thisarticledrawaforegroundofnanlanti-counterfeitingtechnologyapplyinginprintingindustrybytheresearchnanoanti-counterfeitingtechnology'smode,functionandcharacteristic.[keyword]nanoantu-counterfeitingfunctionandcharacteristicapplicationforeground前言造假与贩毒、走私同列为世界的三大公害。不法分子为了牟取暴利，不惜争取一切手段造假售假、不仅给生产厂家带来的损失，也造成了国家税收的大量流失。防伪问题对包装提出了新的要求，即包装要有防伪功能。包装防伪一般有三种形式。一种是包装本身防伪,比如BOPP激光防伪收缩膜包装和透视全息介质包装；另一种是在产品包装外面加贴防伪标识。目前，这是防伪的主流；而纳米防伪技术是一项前沿科学技术。纳米防伪的概念及其科学界定（一）、纳米材料的界定量子物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：如果对物体微小规模上的排列加以某种控制，就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，会看到材料的性能产生丰富的变化。在宏观和微观领域之间存在一块近年来才引起人们极大兴趣和开拓的处女地，即所谓介观领域（50nm-500nm）。这个领域包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸（从几到几百个原子以上尺寸）的范围。1981年德国学者格莱特首次提出了纳米材料的概念。英国学者阿尔培特·佛朗将纳米材料定义为在0.1nm～100nm尺度范围内起关键作用的科学技术领域。因此，人们习惯上把纳米材料定义为在尺度上小于100nm的材料，但这种界定在实际应用中会出现概念不清的问题。例如两种纳米硅灰石他们都是由几纳米的微晶团聚形成的纳米颗粒，一种团聚颗粒尺度为1000nm，另一种团聚颗粒尺度为70nm，但他们都有纳米尺寸效应，因此不应以团聚的尺度计算材料的大小。所以，界定纳米材料的主要条件是：第一、具有0.1nm～100nm尺度的微晶；第二、具有相应的纳米效应。因此，我们认为纳米材料的提法也不完善，纳米材料应改为--纳米效应材料。我国首席纳米科学家白春礼院士认为，要规范纳米概念，对于应用性功能材料，只要有新内容，能强化功能就行，至于叫不叫纳米无所谓。（二）、纳米防伪技术的科学界定纳米防伪即应用纳米技术在纳米尺度范围内分子原子水平上提高包装材料、包装印刷工艺的防伪性能的高新技术。纳米包装材料，就是用晶粒尺寸为0.1～100（nm）单晶体或多晶体材料与其他包装材料复合制成的纳米复合包装材料。纳米技术和纳米材料是目前国外在包装领域应用最多的高技术。美国应用纳米技术研制包装材料，使其具备了多种超高物理化学性能，对提高包装功能具有划时代意义。1989年美国IBM公司成功地实现了世界上最小的纳米级商标图案，1992年，我国一家开发研究院为纳米包装技术、隐形条码研制成功。纳米图像辨别名酒真伪，既快又准确。因而可以把白酒的纳米图像理解为它们的基因图谱。1994年美国的马萨诸塞州XMX公司获得一项生产用于印刷油墨的、颗粒均匀的纳米微粒的专利。在颜料上纳米技术也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材料来呈现不同的颜色。因为有些物质在纳米级时，粒度不同颜色也不同，或不同物质不同颜色，如Tio2、Sio2纳米粒子是白色，Cr2O3是绿色，Fe2O3J是褐色。20世纪90年代，高保真印刷悄然向我们走来，它的网点大约在10－20?ｍ之间，这表明印刷的材料离纳米层次已经不远了。二、纳米防伪技术的形式、功能与特点（一）纳米光学防伪技术1.新型纳米发光材料经几分钟的光照就能在黑暗中自行发光，用于印刷、工艺制品等诸多领域，如发光油墨、发光塑料、发光印花浆，发光化纤等。发光颜料可作为一种添加剂，均匀分布在各种透明介质中，如油墨、涂料、塑料、橡胶、纸、胶片、印花浆、陶瓷轴料、玻璃、化纤、皮革等，实现介质的自发光功能，并可显示出本材料所具有的明亮色彩。其突出特点是对波长450纳米以下的短波可见光具有很强的吸收能力，吸收储存各种可见光（日光、荧光、紫外光、灯光等）后，在暗外发光12－24小时以上，其发光强度和维持时间是传统荧光材料的30倍以上，且材料本身元毒、无害、不含任何放射性元素，其稳定性和耐候性优良。并可无限次循环使用。2.稀土光致显色剂，是由醇溶性树脂、氯化稀土、氨基羧酸钠、酒精络合而成，在日光及可见光下无色，在紫外光下放射出550纳米－580纳米光波，而不同的络合方法又将呈现不尽相同的色光，保密性高。本发明配方合理，工艺简单，可用于防伪产品包装的标志、标识上，防伪效果显著。3.1997年，加拿大也制成发红光的Inp量子点激光器，科学家普遍认为；量子点阵列激光器进入市场已为时不远了，最有前途的制备方法是通过自组织设计纳米结构，形成规则阵列的量子点激光器，它不需要平版印刷，也不需要通过腐刻来获得，可以代替价格昂贵的外延生长技术，大大降低激光器的成本。可以预计它将发展成为制造下一代激光器的主导技术。并为激光全息防伪印刷的应用开拓了新领域。4.光材料由于纳米复合材料可达到分子水平相容，且相尺寸小于光波长，因而纳米复合材料较纯，聚合物透明性好。用溶胶凝胶法制得的材料一般是高度透明的，选择Fe2O2、V2O5作无机组分或WO2、M0O3片层无机物，会得到超导、光致变色、电致变色材料。5.德国一家公司最近研制出一种新型防伪标签系统，利用激光束把数据信息以微米大小的光点形式打入标签里，通过识别光点形成的全息图，鉴别产品的真伪。新系统结合了全息摄影和聚合材料薄膜的数据存储技术的优点，通过激光束将随机数量的光点烙在一片仅有二万分之一米厚的聚合材料薄膜上，每平方毫米薄膜可以烙一百万個光點，這些光點可形成一個三維全息圖，代表一个图像、数字代码或是企业标识。此外，光点中还可以储存一千倍以上。使用时，通过特殊的读识装置和激光束，再现全息图，并读出光点储存的产品信息。标签防伪系统采用随机产生的光点，使得每标签的全息图都各不相同，加之光点本身还储存有特定的信息，使得对伪劣产品的鉴别更加准确、便捷。6.利用纳米硅灰石材料研制荧光陶瓷和荧光油漆，可制成夜光杯等工艺荧光陶瓷。由于硅灰石本身即为上佳陶瓷材料，纳米尺寸的陶瓷材料具有更好的机械加工性能，故可制成薄胎荧光陶瓷，其工艺性能同时得到本质性的提高。此外，纳米硅灰石也可以制成荧光油漆等防伪产品，兼具装饰、防伪两种功能，是一种新型的功能结构一体化材料。7.纳米有机光致变色材料，光致变色有机化合物的合成方法和材料配方，分三种类型：⑴变色前后，两种状态都可长期稳定、光趋动双稳型；⑵光致变色后，在数分钟内可以热消色；⑶超快速变色体系，在纳秒至微秒变色。生产条件：一般有机合成和有机化工设备。应用范围：变色油墨和颜料、变色涂料、防伪商标，光变色防伪纸等。8.粒子全息镭射技術，镭射全息防僞技術是利用鐳射光学原理，制造传统的印刷术无法伪造的效果例如：二维／三维立体，微缩图元，暗藏标记，彩虹色反光，多层动感图像等。所以全息防伪是目前最受推祟及最有效的防伪方法。粒子全息镭射技术是由法国全息防伪工业公司独家发明和拥有。粒子全息镭射技术和其他全息镭射技术的最大区别，是它的解象度高达3600dpi，而一般的全息鐳射技术只有1200dpi，因而能够制作极其精细的图元，确保了防伪技术上的优势。粒子全息镭射技术的杰出性能除了具高度光度，二维／三维主体，解象度（3600dpi）外，还具有微缩图片及微缩暗藏标记。9.纳米激光防伪在计算机技术、激光全息技术、数字图像处理技术、精密光学控制技术、衍射光学制造技术和工艺发展的基础上，激光无油墨印刷技术有了突破性的发展，产生了纳米激光防伪包装印刷这一新技术，在包装、印刷和防伪行业有巨大的发展空间。10、三维真彩色模压全息。三维真彩色模压全息图是全息显示居于当前国际最高水平。该项目拍摄三维真彩色模压全息可以利用已有的拍摄一般3D模压全息图的通用设备，无需新的投资。它的特点是根据全息图的原理，除了横向编码外，特别具有纵向编码。发明再现位置重合的位置编码方法，创造性地拍摄以能够同时颜色编码和位置编码的主全息图，有创造性和新颖性，达到国际同类产品水平。该项目同时研究出三维模压全息图的光刻胶板过程如同拍摄二维彩色的光刻胶板一样方便，与一步彩虹相比较，相当于省去一个大孔径的相对孔径1：1的消色差透镜。并且也具有其他方法制造全息图相同的视场角和观察范围。在有价证券、商品标识、信用卡、文化教育等方面的应用，会产生较大的经济效益。11、珠光颜料是一种具有随角异色效应的颜料。它处于光线的反射角时呈现最强的干涉色，偏高反射角时呈现珍珠白或其他颜色。珠光颜料之所以具有珠光效应以及无毒、不导电、耐热、耐候、耐化学腐蚀等特性，是由于本身的层状结构所致。云母钛珠光颜料是微米级(10-15um))片状的云母粉表面包覆纳米以及(30-150)TIO2粒子而成，比表面积较大(BET=15um)其高折射率的透明状结构可多次反射入射光。从而产生珠光效应。通过控制云母晶片的粒径可以产生不同闪烁效果：40-60nm、60-80、80-100、100-140、120-160nm经实验表明，云母比表面积较大，即粒度细，有利于云母表面镜珠光的表现，我们对珠光颜料表面纳米级的显微观察，可以发现分布有许多极微细的毛细管结构，并由此导致相对大的表面能。12、北京大学防伪研究小组，目前已成功开发出红外防伪发光材料，红外防伪油墨，特别是红外防伪激光鉴别器开发成功，有力地支持了红外防伪技术的高速发展。红外发光材料属于无机稀土发光材料，是在红外照射下，发出刺眼的鲜艳的绿、红二种颜色的可见光，该红外材料主要工作阶段在780nm～1200nm。该类发光材料优点为：正常日光下，具有极白的外观，极易细化颗粒，是制作防伪产品的特种原料。智能防伪鉴别仪是利用一种新的光谱分析技术与计算机技术相结合的高科技产品，其优良的防伪性能和使用的便利，能满足最高层次防伪方面的需要，居国际领先水平。（二）纳米油墨防伪技术所谓纳米防伪油墨，是在油墨连结料中加入特殊性能的纳米防伪材料，还可用加密手段经特殊工艺加工而成的特种印刷油墨。如光致变色、热致变色及紫外光油墨等。或称为油墨防伪的纳米化。1、耐晒性、耐酸性和粘附性是油墨产品的重要技术指标。纳米油墨兼容各方面性能超常，由于SiO2、TiO2在纳米尺度时表现出很强的抗紫外光和催化性能，经特殊工艺化学反应合成的纳米防性油墨，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，可制成环保油墨。加入热敏，光敏等材料，还可制成防伪油墨。2、用添加了特定纳米微粒的纳米油墨来复制印刷彩色印刷品，层次会更丰富，阶调会更鲜明，图像细节的表现能力亦大增。如今借助高新技术，可将油墨中的各种成分(如树脂、颜料、填料等)制成纳米级的原材料。这样由于它的高度微细而具有很好的流动与润滑性，可达到更好的分散悬浮和稳定，颜料用量少，遮盖力高，光泽好，树脂粒度细腻、成膜连续、均匀光滑，膜层薄，印刷图像更清晰。若用于UV油墨中，可加速其固化速度，同时由于填料的细微均匀散而消除墨膜的收缩起皱现象。在玻璃陶瓷的印墨中，若无机原料构成为纳米级的细度，将能节省大量原料并印出更精更美更高质量的图像。这为油墨制造业带来巨大变革，使它不再依赖於化学颜料，而是选择适当体积的纳米微粒来呈现不同的颜色。3、纳米级碳墨具有导电性，对静电具有很好的屏蔽作用，防止电讯信号受到外部静电的干扰，若把它加入油墨，可制成导电油墨，用于大容量集成电路、现代接触式面板开关等。另外，在导电油墨中如将Ag制成纳米级而代替微米级Ag，可节