奈米粒子於數位印刷的應用

數位紡織品印刷商持續在尋找如何透過科技突顯其設備相對於傳統印刷所具有的優勢。其中一個方法是研究奈米粒子在化學加工劑中的作用：透過創新以提升數位印刷設備在設計和永續性方面目前擁有的競爭優勢。

將奈米粒子摻入紡織染料和塗料的好處已經廣為人知，同時也是全球正在進行技術研究的焦點。

2018年，位於孟加拉的全球紡織樞紐──Tangail，一所名為Mawlana Bhashani的科技大學，其研究人員針對該主題進行了評論，並強調奈米科技有著廣泛的應用。在標題為《奈米科技在現代紡織品中的應用：綜述》的報告中，研究人員針對正在進行的研究進行說明，包含在化學加工劑中使用奈米粒子來增強抗皺性、疏水性、導電性、抗菌性，和抗紫外線機能等等。

另外，比利時根特大學的材料、紡織品和化學工程學系的教授Paul Kiekens在2019年6月，於Crossroads舉行的第19屆世界紡織品研討會上表示：「奈米科技正在用驚人的方式，改變紡織品和消費產品的特性，這可能會產生巨大的經濟影響。」

嘗試利用奈米科技在紗線和織物上進行數位印刷的研究人員，包括參與ConText專案的科學家，該專案是由一個德國人工智慧研究中心所領導的財團領導，於2019年7月啟動。 ConText的內容涵蓋智慧紡織品的開發，利用紡織品讓居家空間中的牆壁和地板，可以使用電纜以達成電流供應和通信功能。這將有助於建立物聯網（IoT）結構，透過該結構可以為家庭的IoT設備供電並互相連接，使用者可以將感測器貼片貼在紡織品表面的任何位置，以通過觸摸來操作和進行裝置設定。

ConText財團其中有個Fraunhofer製造技術與先進材料研究所，該研究所的機能印刷專家Ingo Wirth解釋：「我們透過數位印刷機將含有奈米級或微米級金屬粒子的油墨進行印刷，來達成導電性。」

他補充：「最終使用者的系統成本會相對高昂​​，但是我期待它能提升附加價值，讓它在幾年之內更加具有商業上的吸引力。」

同樣地，倫敦帝國學院2D材料和穿戴式電子產品的講師Felice Torrisi也一直在開發一種油墨應用，該應用是使用奈米（和大於奈米）的微小粒子對電子紡織品進行數位印刷。

該技術需要使用只有原子薄度的材料來製造印刷油墨，例如石墨烯、氮化硼和二硫化鉬，分別用作電極、絕緣體和半導體，它們是電子裝置的基礎元件，然後再將不同的油墨逐層直接施加到織物上，賦予通常由剛性電子裝置所提供的功能。他表示，這種技術的一個重要優點是，此類印刷的導電層會比其他導電印刷油墨更穩定、環境友善且更具經濟性。

Torrisi表示：「我們可以將這些墨水用於織物，以達到心電圖檢查或散熱的功能。我們還可以製造出功能類似電池的織物，這對於時尚品牌來說可能是有用的，因為儲存的能量可以用來驅動新潮的織物圖案。」

染色技術的一些奈米創新可以被應用在更多的加工劑，同時它也讓數位印刷能夠幫助我們創作出精緻的設計，以及有效率地創造智慧和電子紡織品。

隨著時間過去，這種奈米創新也持續在發展。例如，總部位於土耳其伊斯坦堡的紡織印刷輔助化學品製造商Uras Chemical，自2010年以來一直在研究奈米科技的油墨和染料，並且自2018年以來，奈米科技也已經應用在該公司全系列的產品。該公司表示其產品基於奈米級大小的聚合物、矽酮、固體有機顏料和二氧化鈦，能夠讓染色過的布料具有更高的防水性和更強的色牢度。據Uras Chemical的說明，由於其染料中的粒子尺寸較小，在印刷表面上可以得到更好的光滑度和彈性，這是它另外的優點。

亞利桑那州立大學知識型企業發展辦公室（OKED）的學術和藝術總監Michael Northrop也持續在美國為一系列加工劑研究奈米油墨和染料的用途。他進行研究評估奈米粒子染料與一般化學成分的染料，是否有更好的印刷性能，並指出奈米噴墨印刷的速度是傳統噴墨印刷的兩倍。

Northrop表示：「當奈米油墨印在織物上時，細節非常出眾，這可能讓時尚界對這項技術感興趣。」話雖如此，他也警告，與標準尺寸的粒子相比，奈米油墨在不同材質下會具有不同色調，他表示：「因此需對化學物質進行微調，以控制這種作用的影響。」

以色列的Landa則是另一家以奈米科技數位印刷領域掀起波瀾的公司，該公司開發了具有奈米粒子的油墨，並通過它的印刷工法進行應用，此工法將油墨噴射到加熱的覆蓋層上以形成印刷圖像，並將其轉移到要印的物品上。 Landa發言人表示，這種Landa Nanographic印刷工法已被全球的印刷公司採用，但是「尚沒有針對紡織品市場或紡織品應用的產品」。當然，它可以用於紡織品包裝，該公司表示，印刷機經過設計，可一次生產大約1,000到10,000件產品，達成目前使用數位或光刻技術無法盈利的規模。

根據位於杜拜的印刷機公司Liberty Printing Press的一份報告顯示，奈米印刷有著重要的優勢。奈米顏料和油墨「可提供深而豐富的色彩重現」，並且與其他印刷方法相比，印刷殘留物的厚度薄了2-10倍，因此可節省油墨成本。

同時，對奈米染料的高端研究仍在繼續，有論文定期在學術期刊上發表。學術期刊《先進功能材料》上有一篇10月（2019年）發表的論文，該論文指出，用二氧化矽奈米粒子在脂肪醇中製備IQA（indenoquinacridone）溶液，能夠讓染料和染過的織物，在加熱或冷卻時展現出即時且可逆的鮮明色彩變化，和高對比度的螢光，這有著廣大範圍智慧紡織品的應用潛力。

此外，去年11月（2019年）在《 3 Biotech》期刊上發表的一項研究指出，使用銀、氧化銅（1價）或氧化鋅奈米粒子與小檗屬植物根莖的汁液混合成染劑，來對羊毛染色，就算經過10個重複的清洗循環後，仍可保持很高的色牢度和抗氧化抗菌特性（大於84％）。

埃及也有學者在2020年1月於《 Coating》學術期刊上發布研究報告，在含有酸性或鹼性染料的聚乳酸當中，加入二氧化鈦、氧化鎂和氧化鋅奈米粒子製成染劑，將其用於印刷天然羊毛和合成丙烯酸纖維，比較處理前後的差異。這些奈米粒子能夠在上塗層的過程中，為布料上的染料顯著提高色度，效果的強弱取決於所使用奈米金屬氧化物的類型和密度。這些奈米粒子還可提供良好的抗菌活性、高紫外線抗性、光催化自清潔特性以及提升色牢度。他們得出結論：「這些結果顯示，這些金屬氧化物奈米粒子，可以為服裝添上美好的多功能印花。」

至於直接針對數位紡織品應用的染料，去年（2019年）7月在葡萄牙Porto舉行的第4屆天然纖維國際研討會：智慧永續解決方案上，有篇論文針對此項做了研究，該研究使用經奈米銀粒子處理過的基材，可擁有持久的抗菌防護力，並且能夠透過數位紡織印刷技術進行輸送。克羅埃西亞Zagreb大學的研究人員得出的結論是，該技術若用在經過等離子體預處理過的紡織品，效果將會更好，能夠讓織物有更多孔隙並吸收染料，進而「提高了色度和色牢度」，並且有更好的抗菌防護力。

另一方面，也有奈米科技和染料研究聚焦在如何用奈米粒子處理廢棄的紡織品加工劑（加工劑暴露於紫外線下，混合物會被破壞使得有毒元素釋出），從而使工廠污染能夠更安全地釋放到環境中。

去年12月（2019年）在學術期刊《環境科學與技術》的《關鍵評論》中有一篇論文認為，該技術可以顯著降低每年排放的50,000噸染料對環境的衝擊。其作者進行了實驗，在經過紫外線處理過的廢棄染料當中添加金、銀、鉑、鈀、氧化鋅、氧化銅、氧化鐵、 二氧化鈦、氧化鈰（4價）、氧化錫（4價）和氧化鎳（2價）的奈米粒子，實驗結果是「污染物被降解」，且加工廠商無需支付大量額外成本。

去年（2019年）2月發表在《環境化學工程期刊》上的另一項研究指出，磁性奈米粒子與過氧化酶的混合物，可以去除顏色不佳的廢棄染料，可用於廢棄染料的環保處理。此外，2019年7月的《應用生物學研究》期刊中有報告顯示，合成銀奈米粒子與細菌bacillus siralis strain UMBS1.1能夠去除4種紡織品染料的毒素：剛果紅、尼古丁、結晶紫和酚紅。

因此，學者發表的當代研究論文顯示出奈米科技在紡織加工中的應用，能為數位印刷機及油墨和塗料供應商提供有潛力的突破性創新，提高他們在市場上的競爭地位。

資料來源：Jens Kastner、Joe Charlaff、Keith Nuthall (2020/04), “Digital printing with nanoparticles”, WTiN