生物塑料包装材料的可堆肥性
在美国，7,881万吨包装废物占全部城市固体废物（MSW）的31.6％，2005年在欧洲有5630万吨包装废物占城市固体废物的25％，2004年330万吨包装废物占澳大利亚MSW的10％。目前，在美国，包装废物处理的主要方法是填埋，然后是回收，焚烧和堆肥。但由于垃圾填埋场占据宝贵的空间并导致温室气体和污染物的产生，国家鼓励采用回收的方法，如再利用，回收利用和堆肥，作为减少包装废物处理的方法。如包装中使用的大多数普通材料（钢，铝，玻璃，纸，纸板，塑料和木材）可以通过再循环有效地回收;然而，如果包装材料被食物或其他生物物质污染，则这些材料的物理再循环就变得不太实际。因此，堆肥这些包装材料中的一部分是减少MSW的有前途的方法。 只要工业，政府和消费者鼓励和拥抱该替代方案，那么随着生物聚合物被开发并且越来越多地用于诸如食品，药品和消费品包装的应用中，堆肥完全可以成为处理包装废弃物的主要方法之一。
堆肥是一种自然过程，通过该过程有机材料被分解成土壤样物质，称为腐殖质，土壤调节剂。分解主要由微生物（嗜温和嗜热）进行，包括细菌，真菌和放线菌，这些微生物使用有机物质碳，氮，水和氧作为其食物来源，产生CO2，并且产生腐殖质作为最终产物。微生物使用碳作为能源，氮用于建筑细胞结构。嗜热微生物的繁殖对于30：1的碳氮比（C：N）是最理想的，并且使得堆肥过程更快。堆肥过程经历两个主要阶段，活性堆肥阶段和固化阶段。
图1堆肥过程
在第一阶段，温度持续升高的同时提供氧气，可导致强烈的微生物活性。在后期，温度降低，但材料以较慢的速率继续堆肥。堆肥过程不在特定点停止; 而是缓慢地继续，直到最后剩余的营养物被剩余的微生物消耗并且几乎所有的碳已经转化为二氧化碳。堆肥需氧在氧气存在下进行; 如果缺氧，则该过程变为厌氧消化。厌氧消化也是一种自然发生的分解和衰变过程，有机物通过它分解成简单的化学成分，产生生物气和消化物（类似于堆肥的相对稳定的土壤残留物）。沼气是气体的混合物，主要是甲烷，可用于生产热和电，以及二氧化碳。消化物可用作土壤改良剂，尤其像腐殖质可以用于农业或园林绿化等应用。
用于食品和医疗包装应用的大多数包装材料直接通过填埋进行处理，其它部分是难以分离的污染物并且可能在再循环中产生复杂性。2003年美国产生了1190万吨塑料包装，其中只有106万吨（8.9％）通过回收利用回收。可见堆肥通过回收废物包将其返回大自然提供了可行的选择。
根据美国测试与材料协会（ASTM）研究得出：生物可降解塑料是由于天然存在的微生物例如细菌，真菌和藻类的作用而降解的塑料。生物可降解塑料和可堆肥塑料之间有一定区别， 可堆肥塑料是在堆肥期间通过生物过程降解得到的塑料，与其他已知的可堆肥材料一致的速率来产生以二氧化碳，水，无机化合物和生物质，并且没有留下视觉上可分辨的或有毒的残余物。 因此，所有可堆肥的塑料都是可生物降解的，但相反的情况是不正确的。
现在有不同的聚合物生物降解机制。一种常见的机理是水解，是指其中酯基的随机非酶链断裂导致分子量的降低。如前所述，塑料的生物降解取决于环境因素,即温度，湿度，氧气，pH值和聚合物的化学结构。生物可降解聚合物通常在聚合物主链中含有酯，酰胺或碳酸酯可水解键。这些可水解官能团的存在增加了对生物降解的敏感性。其它影响生物降解性的因素是结晶度，分子量，在共聚物的情况下，则是受共聚物的组成影响。
目前ASTM和ISO（国际标准组织）已经开发了用于评估聚合物在不同环境（例如堆肥，厌氧消化和废水处理）中的生物降解性的标准。根据ASTM标准D6400规定，如果通过控制实验室规模的堆肥裂解，生物降解和陆地与水生安全性的测试，则该产品是可堆肥的。
由美国堆肥委员会认证的可生物降解袋将在旧金山运输到堆肥设施处并与其他材料一起堆肥。每年生产的约650万吨后消毒纸和纸产品，可能比再循环更适合堆肥。 这包括造纸袋，打蜡的瓦楞纸箱，牛奶盒，纸板，杯子，餐巾和毛巾。在塑料的情况下，不可生物降解的塑料仍然是包装应用的主导，因此消除了堆肥的选择。
正在使用的可堆肥聚合物对环境是有益的，特别是它们可以源自可再生资源并通过有机再循环回收。为了评价生物基产品的环境性能，已经开发了一种标准实践，并且在ASTM D707512和ISO 14000中使用生命周期进行评估（LCA）。 LCA是一种用于评估产品（或过程）制造，使用和处置（或回收）的分析工具。如果通过堆肥处理并且堆肥用于农业，则由于可持续农业实践中的堆肥的价值，可以产生显著的排放和能量，这可以进一步提高该生物基聚合物的可持续性。
Kale Gaurav , Kijchavengkul Thitisilp , Auras Rafael.[J].Macromolecular Bioscience, 2007, Vol.7 (3), pp.255-77PubMed
利用3D聚合物印刷和喷墨Ag纳米颗粒印刷的组合进行先进封装
概要：
研究由3D光聚合物印刷和Ag纳米颗粒印刷组成的快速先进的包装概念，用于构建具有集成声表面波应答器（SAW）的简单射频识别（RFID）封装，丙烯酸酯型SAW封装壳体印有多喷射3D打印机，并且用于无线读取的相应天线通过Ag纳米颗粒油墨的喷墨印刷制造。在光子烧结处理后，相应的Ag结构的厚度约为2mu;m，薄层电阻为250mOmega;sq- 1。为了将天线结构连接到芯片焊盘，引进了芯片和倒装芯片的封装概念。倒装芯片配置中的SAW封装原型通过在中等距离3cm处的天线桥接射频链路显示出大约30dB的显着信噪比（SNR）。
图形概要：
图1概要简图
关键词：
添加剂制造，喷墨打印，快速先进的包装，SAW包装。
1.介绍:
诸如微机电系统（MEMS），微光电机械系统（MOEMS），微电子产品及其小型化趋势的微型产品的快速发展已经迫切需要改进微米和/或纳米制造技术,并结合新的制造平台。目前的许多微型制造技术已经显示出对各种应用领域的有希望的解决方案，尽管当新材料和复杂的3D结构的新型微结构必须部署到现代技术和功能应用（如生物芯片，MEMS，微流体， 等等)[1]。在所有当前的技术中，添加剂制造被认为是复杂3D结构的快速，精确和适应性微细加工的有效替代方案。该过程使用逐层处理来使用计算机辅助设计形成3D对象，并且可以应用于各种聚合物，陶瓷和甚至金属[2]。
喷墨打印是已知的30多年的成熟技术。 这种添加剂制造技术使用自由飞散的液滴的精确生成和沉积，系统地控制液滴体积，液滴产生的时间以及行进的速度和方向。最常见的处理是需求模式喷墨技术，其中压电换能器在传播以从喷嘴产生液滴的流体中产生速度波。只有在需要时才可以产生液滴，将该方法称为按需滴定（DOD）。打印机功能和墨水开发方面的最新进展允许为诸如电子/光学（液态金属，光致抗蚀剂，有机金属等），生物学（DNA，细胞，蛋白质等）的许多不同应用分支沉积若干功能材料，和3D印刷（光聚合物，陶瓷纳米颗粒悬浮液等）。由具有特定功能的几种材料组成的混合原型可以以最小的材料损失，低的故障成本和快速的定制来制造。例如，将层厚度降至16mu;m的光聚合物的喷墨沉积可用于构建具有高分辨率的复杂3D结构。此外，使用与聚合物结构表面相容的功能油墨可以容易地将附加的功能添加到结构中[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8],[9]。
在过去十年中，电子包装的概念已经彻底改变了其意义，走向了全新的道路。以前将包装称为具有预先定义的电气连接的标准化部件，没有任何可能性的。具有更高功能性的新半导体芯片的快速发展已经将当今的封装推向一个新的巅峰，在这一巅峰上，必须针对具体应用设计，制造和定制封装。他们必须包括许多不同形状的焊盘，必须允许3D互连，其设计和生产必须具有成本效益[10]。仅有少数出版物报道了使用喷墨处理的半导体芯片的封装。Mauml;ntysalo和Mansikkamauml;ki已经成功地在环氧树脂模制衬底上印刷了电介质和Ag纳米颗粒，用于在系统级封装（SiP）中集成主动和无源部件[11]。在他们的第二次出版中，Mauml;ntysaloet al显示了SiP应用的喷墨印刷多层电路板设计[12]。Hayes et al 已经使用高温喷墨处理来印刷通孔，介电涂层和用于芯片尺寸封装（CSP）的粘合剂[13]。此外，Mengel和Nikitin的研究报道了使用电介质层的多次印刷在诸如芯片边缘的地形结构上的喷墨印刷的第一示例[14]。
根据现有文献，先进的包装技术是有效利用DOD过程的主要候选者之一。3D结构的3D光聚合物印刷的灵活性以及通过喷墨工艺在3D结构之上进行无掩模的导电部件（线，接触垫，电极）的无掩模沉积使得能够创建完全新颖的包装概念，即快速高级包装（RAP ）。RAP的概念，如图2所示。展示了功能包装设计的关键步骤，包括在第一步中使用喷墨光敏聚合物和金属纳米粒子印刷的组合构建原型，在第二步中使用集成芯片审查原型的功能，在第三步设计一个新的原型。所提出的技术具有高度灵活性和适应性，需要较短的加工时间并具有较低的制造成本。
图2RAP概念图
在我们的研究中，使用提出的RAP处理设计并制造了具有集成声表面波（SAW）传感器芯片的简单射频识别（RFID）封装。因此使用光聚合物多喷墨打印机以高清晰度和超高清晰度模式打印3D打印的封装壳体。将SAW传感器芯片固定到芯片空腔中，并且使用纳米颗粒Ag墨将天线结构印刷在聚合物封装上。天线在使用光子烧结装置的烧结工艺之后获得了其功能。天线和SAW芯片之间的电气连接采用直接印刷，传统引线接合或使用低温Ag胶的倒装芯片方法完成。SAW封装通过使用连续波形雷达读取器单元的天线询问显示出显着的无线响应。
2.实验：
2.1 喷墨制造
2.1.1 聚合物3D打印
使用高性能多喷射3D打印机（ProJet 3510 HDPlus，3D系统）打印SAW包装外壳。使用半透明丙烯酸酯类聚合物（VisiJet M3 Crystal）以三种不同的印刷模式印刷尺寸为17times;7times;2mm和芯片空腔（8.25times;3.1times;0.45mm）的外壳，即高清晰度（HD;分辨率： 375times;375times;790 dpi），超高清（UHD;分辨率：750times;750times;890 dpi）和极高清（XHD;分辨率：750times;750times;1600 dpi）。打印过程进行了面朝上（空腔打开），印刷结构的表面用蒸馏水（dH2O），异丙醇或光进行处理，以确保干净的表面进行进一步处理。用HD印刷的样品显示粗糙和非均匀的表面形态，并使用P级2000砂纸进一步抛光。以HD和UHD模式打印10个SAW封装外壳以及打印头的预热不到2小时，而XHD分辨率的打印将周转时间增加到3小时左右。使用光纤干涉仪（MSA-500 Micro System Analyzer，Polytec）测量所有三种不同分辨率印刷的外壳的表面粗糙度。算术粗糙度平均值（Ra）的测量在样品的三个不同位置进行，平均值显示在结果部分。
采用具有铝叉指换能器和6个反射器的铌酸锂（LN，LiNbO 3）单晶（8times;3times;0.35mm）作为SAW芯片。为了将芯片安装在3D打印壳体中，研究了板上芯片和倒装芯片技术。在芯片上的芯片技术中，使用超级胶将芯片固定在SAW腔中。倒装芯片技术利用首先分配在天线焊盘上的银填充导电膏（Polytec PT）（在Ag喷墨印刷之后），并且芯片被翻转并且芯片焊盘与相应的外壳焊盘。然后将银填充的糊剂在室温下固化4小时。
2.1.2 喷墨Ag纳米颗粒印刷
采用先进的R＆D喷墨打印机（PiXDRO LP50，Meyer Burger Technology AG），配有工业喷墨打印头（31mm长和200mu;m宽的天线结构）在3D打印的外壳的表面上喷墨打印， SM-128 Spectra S级，Fujifilm Dimatix公司），其直径为50微米，校准液滴尺寸为50 pL。 以100V的工作喷射电压，500Hz的打印频率和在500Hz的打印频率下沉积具有50重量％金属负载和115nm（d90）的平均粒径的纳米颗粒Ag墨（Sycris I50TNG4.3-2，PV Nanocell） 仔细调整喷射脉冲持续时间。打印头在室温下作为衬底台进行喷射，并将S
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