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电子纸技术及其在包装领域的应用展望

2022-04-29 来源:晋江市农业机械网

电子纸技术及其在包装领域的应用展望

2O世纪末科学家就预测,作为信息的载体电子纸将替代传统的纸张。电子纸的使用不仅让人们的阅读更加便利,实现交互式阅读,而且可以有效地保护环境,因为人类不使用传统的纸张,就会减少对制作纸张的树木的砍伐,大大降低了人类对森林的消费需求。随着技术的不断发展,超薄型的柔性显示媒介:电子纸正在逐步成为现实,电子纸在包装领域的应用,也开始提上议事日程。本文旨在探讨电子纸显示信息的各种原理技术,并展望电子纸在包装领域的应用。

1 电子纸技术

电子纸,又称为数字纸或智能纸,是一种使用柔性材料制作,同时具备纸张和电子显示器件特性的新型媒体。目前已经发表的原理型电子纸可以粗略地分为两大类。一类形态类似纸张,可以通过非接触型打印等方式,重复用于不同信息的显示和消除;另一类形态类似便携式薄膜显示器,内置CPU和储存器,用于文字和图像信息的显示。原理技术主要有:电泳显示、胆甾液晶显示,色粉显示板、双色性染料液晶、旋转球显示(Gyricon)等。

1.1 电泳显示电子纸

电泳影像,包括激光静电复印和电泳影像显示技术(Eleetrophoretie Imaging Display,简称EPID)。EPID由日本松下公司于1973年首先发表,随后,PHILIP,XEROX,东京大学也相继开展了该技术在光学显示影像系统的应用研究。本文作者一直在进行电子纸产业化技术研究,获得的电子纸柔性显示影像曾经保持数月不变。

电泳显示电子纸的原理是,荷电微粒子分散在悬浮液体中,当对该分散系施加电场时,带电粒子就在悬浮液体中发生电泳,实现显示。由于分散体系中悬浮液和带电颗粒的比重非常接近,当电压撤除时,电泳粒子能够在原位保持一定时间,这一特点,称为电子纸的双稳态(bistable),它使电泳显示器件具备一定的存储功能。按照电泳材料的不同和实现颜色变化的原理,电泳显示电子纸包括普通颗粒分散液体系电泳显示器、纳米粒子电泳显示器、微胶囊电泳显示器和色粉显示板等。

显然,柔性材料电极是各种电子纸制作不可或缺的材料。世界上第一批印刷高分子半导体晶体管由贝尔实验室制造,第一批电泳显示电子纸原理型产品,也是由朗讯一贝尔联合E—INK公司制造。鲍哲南等 介绍,使用可溶性聚合物半导体材料,例如3一己基噻吩,可以制作薄膜晶体管(T丌)分子器件电极,这些聚合物半导体的场效应迁移率,至少是10 cm ·Vs-1。导电聚合物的发明者之一Heeger等 也研究了各种金属掺杂聚合物,包括聚乙炔、聚噻吩、聚吡啶、聚苯胺、聚苯酚等的聚合物薄膜晶体管制作。柔性薄膜晶体管制作的技术关键是微印刷 ,即类似“橡皮图章 的印刷方法。这种橡皮图章由二甲基硅烷聚合物制备,它可以使单层有机物分子透过,到达支持体上,获得单分子层EI]BU电路。

1.2 旋转球显示电子纸(Gyricon)

由美国施乐(Xerox)公司发明的Gyricon(旋转成象)反射型电子纸,也称旋转球显示器(twisting.ball display,rotary balldisplay)、偶极微粒(电子)光阀。最早的旋转球电子纸概念是由Nick Shefidon于1973年提出,是典型的电子纸。其基本构成是,在两层透明塑料电极的密封腔体中,充满油性液体,液体中分散着黑白间半的两色球微粒,白色半球反射光,黑色半球则吸收光。在脉冲电压的作用下,由于双色球偶极子的扭矩力,小球在液体中发生转动实现显示。这种原理的电子纸通常应用于室内设计装饰光电子控制屏幕,如电子窗帘,电子活动百叶窗,室内电子屏风等。这些都有可能在包装材料领域得到应用。

1.3 液晶显示电子纸技术

从1888年奥地利人Reinitzer发现液晶,到1972年液晶手表和液晶计算器的实用化,目前,液晶显示技术已经在平板显示领域占据了主导地位,胆甾液晶和碟状液晶也开始在电子纸技术中得到应用。照片质量的液晶显示器(UXGA T丌一LCD)的开发,有望应用电子纸显示照片质量画面,具体的系统有胆甾液晶电子纸显示器 ,双色性染料/液晶复合膜 等。尽管液晶显示对环境因素要求比较高,但仍有可能在包装领域获得应用。

1.4 电致显示电子纸(ECD)

在2002年的SID年会上,SONY公司首次报道了一种屏4英寸、象素320 X 240,解象力loppi、反差20:1的电子纸,而且反射亮度达73%(一般EPID是40% ,TN—LCD是5% ,报纸50— 6o%),控制电压小于5V,响应时间lOOms。该电子纸是将一层白色胶体夹在两个电极之间,通过电化学反应使银溶解或者析出,当银离子析出为原子状态B寸,就可以在透明电极一侧看到黑色显示,加上反向电压,会使银原子氧化成为物色状态,此时只能看到白色胶体。因此,从原理上看,这种电子纸实际上按照氧化还原机制进行工作。

1.5 其他电子纸及应用技术

其他电子纸技术,如,聚合物胶体显示材料 、有机电致发光薄膜 、隐色染料型电子纸(LDD) 、电致润湿变化(Electrowetting)等也得到深入研究。贝尔实验室的S.Jin等发现了一种透光的导电复合材料,有可能应用在视频通讯仪器、电子纸和触摸屏方面 J。菲利普公司开发的柔性发光显示器,由编织物与电致发光材料组合而成,以织物的每一个交叉点为象素,样品长度达3m、有望广泛应用于手机、PC显示器、电视、壁挂式照片和工艺美术挂毯等。

无墨水EDBU电子纸是重要的应用方向。有人发明了一种电泳显示打印头,在打印头上安装一个与电子纸的背电极配合的前电极,在这个前电极上预先制作显示控制系统,当打印头扫描过电子纸,电子纸就会实现或者消除显示,这就是电子纸无墨EDBU。

2 电子纸在包装领域应用

包装材料和包装方式千变万化,电子纸在包装领域的应用,主要着眼于包装的功能提升,即在满足普通包装材料要求的基础上,使用户通过包装,方便快捷地获得更多信息。从该角度考虑,许多类型的电子纸,都可能应用于包装领域。例如,将电子纸的显示功能于RFID智能标签结合,在保持无接触数据读取、传输和处理的同时,还可以显示必要的信息,供视觉确认。

2.1 导电高分子材料电子纸

导电聚合物在包装中有广泛应用,可以用做防静电,用作防腐涂料和防静电涂料。日本制得的透明PPY、PAN防静电涂层,用于电脑软盘、防静电包装、静电屏蔽等效果非常好。我国洛阳船舶研究所用Pan防腐防污防静电多功能涂料用于船体涂装,在海水中即使涂料部分脱落,船体材料依然光亮如新。

保护功能相当好。防电磁导电高聚物作为防电磁材料下在方兴未艾。美国UNIX公司通过溶液共混制备出了性能优异的透明导电涂层,透光率约80% ,表面电阻率只有190Q,有望在防电磁透明包装中使用。利用导电聚合物吸收微波的特性,美国开发了隐身飞机,隐身洲际导弹,法国已研制了隐形潜艇等等;美国还将用作远距离加热材料,用于航天飞机中的塑料焊接与维修。更重要的是,导电聚合物可以进一步制作成为电子纸,并在包装方面获得用途。

1)观察窗:导电聚合物中,PrrP、PPY、PAN等高聚物的性能稳定、变色效果显著,可作为智能观察窗使用。日本的丰田公司和美国Chronar公司都采用聚苯胺试制了智能窗。丰田公司的PAN/W03复合智能窗响应时间约Is,变色循环次数达lO 万次,光线透过度可高达80%。而Chronar公司的聚苯胺智能窗光学响应时间低于1s,循环变色次数亦达几万次。美军Natick研究所有关人士指出,如果能够进一步地提高导电聚合物的响应速度及循环寿命,导电聚合物智能窗将会更快进入军用阶段。这对国防军品的长期包装贮存是十分有利的,将会节省许多清查仓贮的人力、物力和时间。

2)柔电池:导电聚合物中特别是聚苯胺有良好的氧化还原逆性,用得最多的是制作二次电池。以聚苯胺作正极的全塑电池是近几年的一个研究热点。聚苯胺作为二次电池的材料的研究始于1970年,研究表明全塑电池的比能量可高达560Wh/kg,是现有聚合活性物中最高的。

2001年美国包装业巨头— —国际造纸公司推出一种智能新包装,使商品包装装潢变得活灵活现,也给整个包装业带来革命。这种新包装采用以色列能量纸公司开发出来的一种用导电聚合物制成的超薄柔软电池,这种新型电池可像油墨一样被“印刷 在产品的包装上。设计制造类似闪烁改变画面的牛奶包装,或者将带有丰富信息的电子纸复合在药品包装上,定时提醒病人服药。总之,可让制造商更有效地通过产品包装来吸引消费者,增强商品竞争力。

3)聚合物发光二极管电子纸:1990年以后,有机发光二极管一直是科学家奋斗的目标,导电高聚物为实现这一目标创造了条件。1992年,美国的UNIX公司制成了柔韧可弯曲的导电聚合物发光二极管。该二极管的第一层是聚对苯二甲酸乙脂PET,第二层为聚苯胺PAN薄膜(正电极);第三层是发光薄膜(MEH—PPV)以及上层的钙膜负电极。如此制得的发光二极管在2—3V电压下可发出桔黄色光。若采用不同的发光层(PPV)还可获得不同颜色的光,光亮度适中,在通常室内光线下很容易观察到。为发光包装标识或特殊指示如数量、时间创造了条件。

4)包装光学器件与防伪包装:除导电外,导电聚合物还有优良的光电特性。例如聚苯胺受光辐射时可产生光电流,具有显著的光电转换特性。利用它们的光电特性制作成为电子纸,超市包装条码的信息处理将发生巨大的变革。

总之,导电聚合物具有诸多优良性能及广泛的应用前景。现今虽然在包装领域有了一些典型的应用,但离广泛推广应用还有不少距离,正如纳米技术一样,仍需科学家和包装工作者共同

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