امروزه استفاده از فناوری نانو در صنایع مختلف در حال افزایش است. اساس فناوری نانو درک خواص و رفتار جدید مواد با اندازهٔ کمتر از ۱۰۰ نانومتر و استفاده از آن در صنایع مختلف است. استفاده از مواد نانوساختار در صنایع مختلف منجر به تغییر و تحولات شگرفی در خواص سیستمهای مورداستفاده شده است. بهعنوان مثال با استفاده از نانولولههای کربنی در ساختار فلزات و سرامیکها، استحکام و رسانایی الکتریکی مواد به شدت افزایش مییابد. دلیل تغییر خواص مواد در مقیاس نانو، افزایش خیلی زیاد نسبت سطح به حجم و در نتیجه افزایش کسر حجمی اتمهای سطحی است [۱]. دستاوردها و چشماندازههای علوم و فناوری نانو، در واقع یک مرحلهٔ جدیدی از پیشرفت علمی و فنی را تعیین میکند که صنعت چاپ و بستهبندی نیز از این قاعده مستثنی نیست و تحت تأثیر این دستاوردها قرار دارد.
فناوری نانو در صنایع بستهبندی به دنبال اهدافی از جمله افزایش ماندگاری مواد غذایی و همچنین بهبود کیفیت ضدمیکروبی است. همچنین در صنعت چاپ، با استفاده از فناوری نانو از جوهر چاپ گرفته تا فرایندهای چاپ، بهبودهای قابلملاحظهای یافتهاند. چاپ لیتوگرافی در حال حاضر یکی از روشهای مرسوم برای تولید مواد نانوساختار است. تأثیر فناوری نانو در لیتوگرافی و بهبود روشهایی مانند فوتولیتوگرافی[1] چشمگیر بوده است [۱]. در ادامه این گزارش به بررسی این موارد پرداخته میشود.
تاریخچه:
فرایند چاپ کلاسیک در چین و کره در پایان هزاره اول پس از مسیح آغاز شد و صفحات چاپی در ابتدا چوب و رس و آلیاژهایی از فلز بودند. در سال ۱۴۴۰ گوتنبرگ بدون اطلاع از کار چینیها، به آلیاژی مناسب از سرب و آنتیموان برای ریختهگری حروف دست یافت اما به علت هزینه بسیار زیاد، استقبال چندانی از آن نشد. ۳۰۰ سال بعد الوئیس زنه فلدر، چاپ سنگی یا لیتوگرافی مسطح را در سال ۱۷۹۶ میلادی اختراع کرد. تفاوت در ویژگیهای سطح عناصر سنگ، ویژگی اصلی لیتوگرافی بود. تغییرات اصلی در هنر گرافیک از اواسط قرن نوزدهم با اختراع فرایندهای عکاسی یا فوتوگرافیک برای ثبت اطلاعات صورت گرفت [۱ و ۲].
حدوداً در سال ۱۲۴۲ قمری چاپ سربی وارد ایران شد. تقریباً ۸ سال بعد، چاپ سنگی را برای نخستین بار در سال ۱۲۵۰ قمری میرزا صالح شیرازی در تبریز راهاندازی کرد و با ورود چاپ سنگی، چاپ سربی تقریباً کنار گذاشته شد و بیش از ۵۰ سال تنها روش چاپ در ایران، چاپ سنگی بود؛ اما در اواخر دوره قاجار حروف چینی سربی دوباره رونق یافت. در این روش کاغذ بر روی صفحهای متشکل از حروف برجسته سربی و آغشته به مرکب فشرده میشد و حروف بر صفحه کاغذ که فشرده میشد، نقش میبست. بدین ترتیب با پیشرفت فناوری کمکم دستگاه سربی کنار گذاشته شد و جای خود را به دستگاه الکترونیکی داد [۳].
بستهبندیها با توجه به نوع کالای بهکار رفته در آن (کاغذ، شیشـه، فلـز، پلاستیک) دارای تاریخچه متفاوتی هستند امـا تحقیقـات نشانگر آن است که از ۸ قرن پیش از میلاد مسیح، کالاها با استفاده از بستهبندی پارچهای یا در ظروف گلی و شیشـهای زمخـت حمـل و جابهجا میشدند.
کشور ایران به لحاظ موقعیت استراتژیکی که در منطقه دارد از دیرباز سابقه مراودات تجاری داشته و کالاها و محصولات خود را بهصورت کاروانهای حـاوی پارچه، ادویه و مصنوعات دستی به دیگر ممالک ارسال نموده است. بستهبندی این نوع کالاها نوعاً از بستهبندیهای کیسهای همانند گـونی و بستهبندیهای چـوبی مانند صندوقهای مکعب مستطیل که برای مسیرهای طولانی مناسـب بـوده، تشکیل شده است. صنعت بستهبندی در ایران کمتر از نیم قرن سابقه دارد. صنعت بستهبندی در ایران با ساخت قوطی فلزی توسـط شخصـی به نـام «درخشان» در سال ۱۳۰۹ هجری شمسی آغاز و تاریخچه بستهبندی مـواد غذایی را نیز با همین تاریخ مقارن میدانیم و همچنین اولین کارخانـه کاغذسازی در سال ۱۳۲۸ در کهریزک احداث شد که کاغذهای باطله را برای تولید کاغذ و مقوا استفاده مینماید. بعد از آن تعدادی واحد تولیدی دیگر در سـایر نقاط ایران به وجود آمد. اساس صنعت کاغذسازی در کشور بر اساس تولیـد خمیر و کاغذ شکل گرفت و سپس روزبهروز کاملتر شد. در سال ۱۳۳۰ اولین قوطی فلزی جهت بستهبندی روغن نباتی جامد بهوسیله دستگاههای مدرن ساخته شد و در سال ۱۳۴۴ سیستم لاکزنی اتوماتیک در ایران نصب و مورد بهرهبرداری قرار گرفت. در حال حاضر صنایع داخلی قادر به ساخت لایه بیرونی کارتن، کاغـذهـای مورداستفاده در جعبه و کاغذهای حفاظت شده، لایههـای پلیمـری بـرای محصولات پاستوریزه و استرلیزه است. اولین کارخانه مدرن ایران در سال ۱۳۴۹ در هفت تپه خوزستان برای تولید کاغذهای تحریر با استفاده از تفاله نیشکر احداث شد. متعاقب آن کارخانه چوب و کاغذ ایـران (چوکـا) بـا اسـتفاده از خمیرهـای وارداتی و خمیرهای داخلی، کاغذهای کرافت[2] و بستهبندی را تولید نمود [۴ و ۵].
- فناوری نانو در صنعت چاپ
در سالهای اخیر، فناوری نانو در صنعت چاپ در حوزههای مختلف از جوهر چاپ گرفته تا فرایندهای چاپ باعث بهبود کیفیت محصولات شده است. بهعنوان مثال در فناوری چاپ میتوان به مواردی مانند جوهر جت[3]، گراور[4]، فلکسو و دیگر سیستمهایی با پایهٔ هنرهای گرافیکی برای به دست آوردن وضوح بالاتر اشاره کرد. در بسیاری از موارد از خواص منحصربهفرد نانومواد بهعنوان اجزای ضروری در جوهر و پوشش استفاده میشود. در ادامه به زمینههای کلیدی در صنعت چاپ که در آن از فناوری نانو استفاده میشود، پرداخته میشود:
۱-پوششهای چاپی مشابه لاک با خواصی مقاوم در برابر خراش
۲- جوهرهایی حاوی مواد نانوساختار که خواصی مانند رسانایی الکتریکی و چسبندگی بالاتر دارد و در فرایندهایی مانند چاپ مدارهای الکتریکی استفاده میشود [۶].
۳-ساخت جوهر پایه آبی همراه با نانوساختارهایی مانند نانوذرات نقره برای چاپگرهای جوهرافشان که باعث دوام رنگدانهها میشوند. معمولاً ترکیب ۵% وزنی نانوذرات در جوهر میتواند ترکیب مناسبی برای دستیابی به بهترین خواص باشد.
۴- مواد نانوساختار جوهرافشان مورداستفاده در چاپ برای اثرات ویژهای مانند الکتروکرومیک[5] و فوتوکرومیک[6]، ماژیکهای رسانای گرافیتی و بلورهای مایع [۶].
۶- استفاده از نانوذرات در جوهرهای سنتی و جوهرافشانها برای جلوگیری از جعل و حفظ امنیت نامهای تجاری [۷]
۸- استفاده از مواد نانوساختار در هدهای چاپ دیجیتالی، با بهکارگیری مواد نانوساختار در هد دستگاه چاپ دیجیتال میتوان قلمهایی با نوک تیز و سختی بالا تولید کرد که منجر به تولید تصاویری با کیفیت و وضوح بالا میشود [۸].
۱۲- استفاده از نانومواد بهعنوان مواد چاپی در چاپگرهای سهبعدی، نانومواد میتوانند خواص مکانیکی را افزایش دهند و بر روی هدایت حرارتی و الکتریکی تأثیرگذار باشند [۹]
۱۳- کاربرد فناوری نانو در چاپ لیتوگرافی مورداستفاده در چاپ افست [۱۰]،
- فناوری نانو در صنعت بستهبندی
امروزه مهمترین چالشهای صنعت بستهبندی مواردی مانند جلوگیری از فساد و افزایش طول عمر مواد غذایی و همچنین جلوگیری از تخریب محیطزیست توسط بستهبندیهای دور ریخته شده مواد غذایی است. مواد غذایی حساسی مانند مواد پروتئینی، لبنیات، کیک و نان وجود دارند که در اثر نور و نفوذ اکسیژن، دچار فساد میشوند و این امر مانع از نقلوانتقال آنها به مکانهای دور و صادرات میشود. در این موارد کیفیت بستهبندی از اهمیت بیشتری برخوردار است.
یکی از راهحلهایی که در این زمینه با استفاده از فناوری نانو مطرح میشود، استفاده از نانوذراتی مانند خاک رس در مواد پلیمری سازنده پلاستیکهای بستهبندی مواد غذایی است. حضور مواد نانوساختار و قرارگیری آنها بین لایههای مواد پلیمری باعث ایجاد ساختاری میشود که مانع نفوذ اکسیژن است. همچنین استفاده از پوششهای نانوساختار (پوششهایی با ضخامت نانومتری روی بستهبندیهای مواد غذایی) نیز کاربرد بسیاری پیدا کرده است.
پوششهایی با فیبر سلولزی که از منابع تجدیدپذیری مانند نشاسته، سلولز، کیتوزان ساخته شدهاند، میتوانند جایگزین مناسبی برای پلاستیک و پاکتهای تجدیدناپذیر نفتی باشند. استفاده از این بستهبندی مواد غذایی، به علت سازگاری با محیطزیست و مقرونبهصرفه بودن و محافظت بیشتر از فساد و افزایش عمر مواد غذایی در طول سالهای اخیر گسترش یافته است. همچنین این نوع پوششها، نفوذپذیری هوا را به طور قابلتوجهی کاهش داده است اما آبدوستی یکی از عیوبی است که میتوان برای پوشش سلولزی دانست و در صورت وجود بخارآب، مشکلاتی را به وجود میآورد. برای غلبه بر این موضوع استراتژیهای مختلفی شامل اصلاحات شیمیایی و افزودن مواد آبگریز موردبررسی قرار گرفته است [۱۱-۱۴].
یکی دیگر از روشهای پوششدهی، پوشش با استفاده از کاغذهای آنتیباکتریال است که در حوزه بستهبندی بسیار موردتوجه قرار دارد. این نوع پوششها زمینه را برای ساخت سطوح فوقآبگریز و فوقجاذب فراهم میکنند. نوع دیگری از روکشها، روکشهای نانوکامپوزیتی است، در این نوع روکشها از نانوذرات خاک رس برای آبگریزی و مقاومت در برابر چربی و گازها، استفاده میشود. علاوه بر خواص ذکر شده، این پوششها، خواص ضدخراش بودن و افزایش مقاومت مکانیکی را نیز دارند. با استفاده از نانوذراتی مانند دیاکسید تیتانیوم یا اکسیدروی میتوان روکشهایی مقاوم در برابر پرتوی فرابنفش ایجاد کرد. این نوع بستهبندیها، معمولاً برای تولید بطریهای مائشعیر استفاده میشوند زیرا خروج گاز را به حداقل میرسانند و از نفوذ مولکولهای اکسیژن به درون نوشیدنی جلوگیری میکنند. از دیگر کاربردهای نانوپوششها میتوان به پوششهای بازتابکننده نور و حرارت اشاره کرد که برای نگهداری مواد لبنی خصوصاً بستنی مورداستفاده قرار میگیرند [۱۴].
یکی دیگر از کاربردهای فناوری نانو در صنعت بستهبندی، سنسورهای تشخیص فساد و تخریب مواد شیمیایی است. بستهبندیهای هوشمند با استفاده از نانوحسگرهایی از جنس نانولولههای کربنی که وظیفهٔ تشخیص میکروبها و مواد شیمیایی مضر و سمی و همچنین فساد غذا را بر عهده دارند. این نانوحسگرها نسبت به گازهای سمی آزاد شده از مواد غذایی حساس بوده و سریع تغییر رنگ میدهند و استفادهکننده را بهمحض ورد اولین قارچ یا مولکول فاسد مطلع میکنند [۱۵].
–
- شرکتهای تولیدکننده نانوپوششها در صنایع چاپ
- شرکت داخلی:
- شرکت توسعه فناوری ریزمقیاس آژینه[7]
دستگاه لیتوگرافی رومیزی:
دستگاه لیتوگرافی رومیزی شرکت ریزمقیاس دستگاهی مبتنی بر روش لیتوگرافی نوری است که ابزاری کارآمد برای انتقال طرح و الگوهای پیچیده از ماسک به نمونه با دقت بسیار بالا است. لیتوگرافی نوری در واقع تعمیم یافتهٔ عکاسی است و در صنایع چاپ استفاده میشود. این سیستم قابلیت ایجاد الگوهای نانویی و ساختارهای نانو با کیفیت و دقت ابعادی مناسب را دارد. البته در این سیستم برای تولید ساختارهایی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر نیاز به ارتقای فناوری بوده که بسیار پرهزینه و دشوار است [۱۶].
شکل (۳) دستگاه لیتوگرافی رومیزی ساخت شرکت توسعه فناوری ریزمقیاس آژینه
مشخصات فنی دستگاه:
| مدل دستگاه | DEX-365 |
| ابعاد نمونه | ۱ و ۲ و ۳ اینچ |
| ابعاد ماسک | ۱ و ۲ و ۳ اینچ |
| منبع نور | طولموج: ۴۰۰-۳۶۵ نانومتر
توان: ۱۰۰- UV ابعاد بیم: ۴ اینچ |
| Minimum Feature size | ۲ میکرومتر |
| مکانیزم نگهداری ماسک/نمونه | خودکار |
| ابعاد نگهدارنده نمونه | ۱ و ۲ و ۴ اینچ |
| فرایند لیتوگرافی | نیمهاتوماتیک |
——————————————–
[1] Photolithography
[2] Kraft paper
[3] Jet ink
[4] Gravure
[5] Electrochromic
[6] Photochromic
[7] www.azhineh.ir
- شرکتهای خارجی:
- شرکت Degussa AG[1]:
شرکت Degussa AG بهعنوان یک مرکز تحقیقاتی «نانوترونیک در بیزنس یا کسبوکار» معرفی میشود. پروفسور Utz-Hellmuth Felcht هیئتمدیره این شرکت در سال ۲۰۰۵ شرکت Degussa AG را افتتاح کرد. این شرکت با بسیاری از شرکتهای نوآورانه صنعت چاپی که در آنها نانومواد نقش مهمی دارد، همکاری میکند. این شرکت با استفاده از فناوری نانو، ذرات خود را بهمنظور توسعه محدودهای از رنگدانههای کوچک توسعه داده است تا پایداری رنگ را بر روی سطوح را با این ذرات افزایش دهد [۱۷].
- شرکت [2]NanoPaper, LLC:
Nano paper,LLC یک شرکت تخصصی بوده که به تولید پیشرفته کاغذ میپردازد. یکی از کاربردهای کاغذهای تولید شده در این شرکت، در صنعت بستهبندی است. این شرکت با اعمال فرایندهای شیمیایی پیشرفته در پلیمرها و میکروذرات، از آنها برای بهبود بهرهوری محصولات جدید خود استفاده میکند. این کار با کاهش هزینه، کاهش مصرف درختان (آسیب کمتر به محیطزیست) و افزایش پایداری در فرایند کاغذسازی استفاده همراه است. در تهیه این نوع کاغذها از الیاف باقی مانده و یا از مواد بازیافتی استفاده میشود [۱۹].
- شرکت [3]Suhou BYBK Materials Technology:
شرکت Suhou BYBK یک شرکت چینی در زمینه تولید محصولات پلاستیکی ضدمیکروبی و لیوانهای کاغذی ضدباکتریال است. این شرکت با استفاده از نانوذرات دیاکسید تیتانیوم به تولید پلاستیکهای آنتیباکتریال جهت بستهبندی مواد غذایی و لیوانهای کاغذی ضدمیکروبی میپردازد [۲۰].
- شرکت Danaflex nano[4]:
- روکشهای بستهبندی
شرکت روسی Danaflex nano به تولید پلاستیکها و کاغذهایی نانویی جهت نگهداری و بستهبندی مواد غذایی و محصولات دارویی بهصورت عمده میپردازد، این نوع بستهبندیها بهصورت کامپوزیتی با پایهٔ کاغذ و یک لایه پلیمر تشکیل شده است. این نوع روکش مانع خراشیدگی و بسته به نوع مواد در ضخامتهای مختلف تولید میشود همچنین در برابر رطوبت و دما نسبت به کاغذهای معمولی مقاومتر است [۲۲].
- لایه نازک پلیاتیلن مورداستفاده در روکشها و چاپ
از دیگر تولیدات شرکت Danaflex nano روکشهای نازک پلیاتیلن است. این نوع روکشها تهیه شده از پلیاتیلنC2H4)n ) و نانولایهها جهت بستهبندی مواد غذایی خانگی و مواد شیمیایی خانگی، بستهبندی غذای حیوانات خانگی، خاک و کودهای شیمیایی مورداستفاده قرار میگیرند. از جمله ویژگیهای این روکشها، مقاوم در برابر یخزدگی، عملکرد فیزیکی و مکانیکی مطلوب (زیبا، فعالیت سطحی بهینه، پذیرش بالای چسب، قدرت جوش بالا و ضدضربه است.) بستهبندیهای ۳، ۵ و یا ۹ لایه DANFILM PE از پلیاتیلن با چگالی کم (LDPE) در رنگهای سفید، شفاف و آبی روشن تولید میشوند. البته رنگهای دیگر قابل سفارش است [۲۲].
- شرکت Landa nanography[5]:
فرایند چاپ دیجیتالی جدید مبتنی بر فناوری نانو توسط شرکت لاندا در سال ۲۰۱۲ معرفی شد. لاندا در فرایند چاپ از ذرات رنگدانهای کوچک که در حدود ده نانومتر است، استفاده میکند و تقریباً برای هر ماده میتواند چاپ شود.
از نوآوریهای دیگر این شرکت میتوان به نانوچاپگر دیجیتالی اشاره کرد. فرایند نانوچاپگر ترکیبی از چندمنظوره دیجیتال با سرعت و کیفیت و دارای چاپ افست است. هردوی این نوع چاپگرها با محیطزیست سازگار و بهصرفه در مصرف انرژی است. طبق گفته لاندا، نانوچاپگرهای دیجیتالی قادر به تولید تصاویر دیجیتالی با هزینهٔ کم و در هر صفحه چاپ شده تا ۸ رنگ با سرعت بالای ۱۱۰۰ برگ در ساعت و رزولوشن ۶۰۰ یا 1200 dpi است [۲۳].
نانوچاپگر دیجیتالی ساخت شرکت Landa nanography[۲۳]
——————————–
[1] corporate.evonik.com
[2] soanelabs.com
[3]bybktech.com
[4] danaflexnano.ru
[5] landanano.com
خلاصه
با توجه به اهمیت روزافزون مسائل بهداشتی و کنترل کیفی مطلوب محصولات نهایی پس از بستهبندی، استفاده از یک فناوری نوین که بتواند مشکلات مربوط به صنعت بستهبندی مواد غذایی را کم کند، ضروری است. امروزه با پیشرفت فناوری نانو میتوان با بهکارگیری نانوذرات ماندگاری و ارزش غذایی مواد غذایی را افزایش داد. همچنین فناوری نانو در تولید نسل جدید جوهرها و فرایندهای چاپ، نقش بهسزایی داشته است که منجر به چسبندگی و کیفیت بالاتر و قدرت تفکیک بهتر در صنعت چاپ شده است؛ بنابراین فناوری نانو در زمینهٔ صنایع چاپ و بستهبندی در مقیاس صنعتی بهصورت مفید و کارآمد مورداستفاده قرار میگیرد اما چالشهای متعددی در سطح جهانی برای آن وجود دارد. بزرگترین نگرانی، تأثیر آن بر سلامت و ایمنی است. یکی دیگر از چالشهای این صنعت هزینههای مرتبط با توسعه فناوری نانو در صنعت است، اما همچنان استفاده از نانوذرات در صنایع چاپ و بستهبندی مواد غذایی را میتوان راهگشای این صنعت دانست.
————————————————-
مراجع:
[1] Oksana Gumeniuk, Valentyn Sherstyuk, “Nanotechnologies in Printing and Packaging.” science and technology
[2] Kosar J. Light-Sensitive Systems.John Wiley and Sons, Inc., N.Y.- L.-S, 1965.
[3] کتاب ماه تاریخ و جغرافیا، دکتر سید ابوالفضل رضوی، ۱۳۸۷، صفحه ۲۲ -۲۶
[4] ماهنامه بررسیهای بازرگانی، ویژهنامه بستهبندی، ناشر موسسه مطالعات و پژوهشهای بازرگانی، ۱۳۷۵، ش ۱۱۱، ص 36
[5] ماهنامه چاپ و بستهبندی، تاریخچه بستهبندی، ۱۳۷۲، ش ۳۰، ص ۶
[6] Schmid, Heinz, et al. “Preparation of metallic films on elastomeric stamps and their application for contact processing and contact printing.” Advanced Functional Materials 13.2 (2003): 145-153.
[7] Griffits, John. “Electronic sock sorting and mating system.” U.S. Patent Application No. 10/598,165.
[8] Chang, Qibing, et al. “Application of ceramic microfiltration membrane modified by nano-TiO2 coating in separation of a stable oil-in-water emulsion.” Journal of Membrane Science 456 (2014): 128-133.
[9] Campbell, Thomas A., and Olga S. Ivanova. “3D printing of multifunctional nanocomposites.” Nano Today 8.2 (2013): 119-120.
[10] Rolland J.P., Maynor B.W., Euliss L.E., Exner A. E., Denison G.M., DeSi- mone J.M. Direct Fabrication and Harvesting of Monodisperse, Shape- Specific Nanobiomaterials. J.Am.Chem.Soc., 2005, 127,No. 28, p.p. 10096 – 10100.
[11] S.V.Sreenivasan, C.Grant Willson, D.J.Resnick. Nanotechnology small print. Mecganical Engineering, 2004. (www.memagazine.org).
[12] Bill Faulkner, Nano Materials in Printed Electronics, 2006. (www.tms. org/Meetings/nano06).
[13] Shestopalov A.A., Clark R.L., Toon E.J. Inkless Microcontact Printing on Self-Assembled Monolayers of Fmoc-Protected Aminothiols. J.Am.Chem.Soc., 2007, 129,No. 45, p.p. 13818- 13819.
[14] Kirdar, Seval Sevgi. “Current and future applications of nanotechnology in the food industry.” Conference paper, ISITES2015, Valencia-Spain. 2015.
[15] www.nano.ir
[16] www.azhineh.ir
[18] www.product.statnano.com
[19] www.soanelabs.com
[20] www. bybktech.com
[21] www.toppan.co.
[22] danaflexnano.ru
[23] www. landanano.com
———————————————————————————-
گروه صنعتی کاربردهای فناوری نانو در صنعت برق و انرژی
ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)
همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.
====================================================================================
