六、印刷技術中界面問題舉例

1．平版印刷和凸版印刷工藝中的接觸壓力

通過打印的方式來表達圖像元素，就必須要有力的作用。印刷過程就是使印版受到外力的擠壓，將印版上的油墨轉移到承印物上的過程，當外部力量作用于彈性體時，使圖文部分受力，但在圖文區域之外的非圖文區域同樣受到外力的作用，即力作用于整個接觸面上。為了表示印刷過程中壓力的作用效果，必須引入壓強p的概念，即在一個表面積為A的表面有一個壓力F。則單位面積上受到的壓力稱為壓強，有：壓強的國際單位為帕斯卡（帕），符號為Pa。1 Pa=1 N/m2圖4-7為相同壓力作用于不同印刷內容上。

在印刷中，人們常采用印刷壓強為300N/cm2，相當于每個印刷文字單元有8kN的力。其中一個印刷文字為線條稿，它由10條線組成，每條線的長度為10cm，寬為1mm，而另一字體則為滿版印刷相當于10cm寬（注：該字體為正方形），我們來對以上兩種情況進行計算：

（1）線條稿

F=8 kN

A=10cm×0.1cm×10

p=F/A=8000 N/10cm2=800N/cm2

（2）實地

F=8 kN

A=10cm×10cm

p=F/A=8000 N/100cm2=80N/cm2

由以上的分析我們可以知道，同一作用力作用于不同的作用面積下，其產生的效果可能完全不一樣。

根據胡克定理F=-kx可知，在滿足彈性變形x一定的情況下，我們應該盡量施加大的壓力。但我們也要根據具體的情況而定：我們適當加強印刷暗調印品時的壓力，適當減小亮調印品的印刷壓力。在以紙張為承印材料的印刷內容為文字的凸版印刷中，印刷壓強的設置為300～800N/cm2，在膠印中大約為100～250N/cm2。

2．表面張力（自由能）及其對膠印的意義

在前一小節中，我們研究了固體物質相互接觸的問題，它們雖然具有共同的界面，但其界面處分子間的作用力不必考慮，這是由于這些固體分子形成的表面具有一定粗糙度，因此它們沒有處在力的有效作用范圍內。

在這一章節中，我們將要討論膠印過程中有關界面擴散的問題。在膠印中的潤版液通過水輥將其傳遞到印版的空白部分，同時也使油墨只能附著在圖文部分。但是在這當中我們如何控制潤版液或油墨，以使潤版液恰好在它應該處的位置，不會向內縮小或向外擴大呢？為此需要考慮油墨、潤版液和印版三者之間的表面張力（表面能）之間的關系。

（1）氣-液界面

通常，由于環境不同，處于界面的分子與處于相本體內的分子所受力是不同的。在水內部的一個水分子受到周圍其他水分子的作用力的合力為0，但在表面的一個水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對它的吸引力小于內部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內部，結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力。將水分散成霧滴，即擴大其表面，有許多內部水分子移到表面，就必須克服這種力對體系做功——表面功。顯然這樣的分散體系儲存著較多的表面能。

表面張力是物質的特性，其大小與溫度和界面兩相物質的性質有關。

20℃時，水的表面張力為72.75×10-3N·m-1，乙醇的為22.32×10-3N·m-1，正丁醇的為24.6×10-3N·m-1，而水-正丁醇（4.1‰）的界面張力為34×10-3N·m-1。

（2）液-固界面

固體表面與液體接觸時，原來的固相-氣相界面消失，形成新的固相-液相界面，這種現象叫潤濕。潤濕能力就是液體在固體表面鋪展的能力。

液體在固體表面能鋪展，接觸面有擴大的趨勢，就是潤濕，潤濕就是液體對固體表面的附著力大于其內聚力。

液體在固體表面不能鋪展，接觸面有收縮成球形的趨勢，就是不潤濕，不潤濕就是液體對固體表面的附著力小于其內聚力。

以上我們討論了物理學中有關表面張力、界面和潤濕的問題，當然在此還有其他的影響因素，如電偶極矩，pH值，緩沖溶液和水的硬度都是需要討論的重要問題。

3．潤版液中純凈水的表面張力

如果在液體表面上任意畫一條分界線MN把液面分成a、b兩部分，如圖4-8所示。F表示a部分表面層中的分子對b部分的吸引力，F′ 表示右部分表面層中的分子對a部分的吸引力，這兩部分的力一定大小相等、方向相反。這種表面層中任何兩部分間的相互牽引力，促使了液體表面層具有收縮的趨勢，由于表面張力的作用，液體表面總是趨向于盡可能縮小，因此空氣中的小液滴往往呈圓球形狀。

表面張力F的大小跟分界線MN的長度成正比。可寫成：

比值σ叫做表面張力系數，它的單位常用N/m。在數值上表面張力系數就等于液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。

液膜表面張力系數=液膜的表面能/液膜面積=表面張力/（2×所取線段長）。

表面張力系數與液體性質有關，與液面大小無關。

如果我們需要減少膠印中純凈水的表面張力，可以適當增加其他物質，以使內部對水面液體分子的向內的凝聚力減少，從而減少成球形的趨勢。與原有水滴不同，此時在相同的數量下能潤濕比以前更大的范圍。這種承擔分離工作的物質稱為潤濕劑，目前在膠印中通常由異丙醇來承擔。圖4-9所示曲線表示的是隨著在純凈水中添加的酒精量的增加，其表面張力不斷降低的情況。因此在純凈水中添加這種添加劑后能節約用水。

前面我們僅觀察了水的表面張力，類似的情況也存在于目前的大多數油墨中。不過目前大多數油墨的表面張力，并沒有太大的差別，因為在油墨中添加的添加劑只為顆粒之間能夠相互分布均勻，并且能保證和潤版液之間有一定的隔離作用。

4．界面與膠印潤濕

20℃時雨水的表面張力大約為70×10-5N/cm。受此作用，其表面會收縮趨于球形。在印刷過程中需要的是薄且均勻分布的膜層，因此降低表面張力是必要的。同時表面張力的降低也縮小了潤濕液與油墨的界面張力，使潤版液降低了排斥油墨的效果，形成了穩定的乳液，即發生了固液之間的潤濕。

流體在不同固體表面潤濕的情況不一樣。當一滴水滴到印版的親油墨的位置，在滴落到其表面后，在空中呈球體的水滴的形狀會發生略微的變化。而如果將這滴水滴到親水物質的位置上，將會發現它能鋪展開而成一個較大面積的水膜。出現以上現象是因為固體表面能不同，也就是我們所說的潤濕角不同。潤濕角用符號β表示（見圖4-10）。我們得出的結論是：潤濕角越小，潤濕效果越好。當潤濕角大于90°時為不潤濕，只有當潤濕角小于90°物體表面才能起到潤濕作用。

圖4-11所示為液體鋪展于固體表面的相關界面問題。

表4-2列出了常用幾種物質的界面張力。

以下為水（γ1）、植物油（γ2）和空氣（γ3）

將油滴于水中，油將擴散于水面。這說明水不能溶解油，因此將這兩種物質同時置于固體表面也將不能混溶。這也就是在平版印刷中兩種液體（即潤版液和印刷油墨）物質所具有的性質，由于這兩種物質具有不同的表面張力和界面張力，相互之間不混溶，為了能使它們在印版上有各自正確的位置，因此采用在固體表面上有相對高的表面能，來影響水墨的分離。當這樣的相對位置形成后，在平版中出現水進入油中的現象，這是由于含有酒精的潤版液物質滲透到油墨中形成乳液，這在印刷中被稱為“乳化”。

5．黏度

將流動著的液體看做許多相互平行移動的液層，若各層速度不同，則形成速度梯度（v/d）。由于速度梯度的存在，流動較慢的液層阻滯較快液層的流動，因此，流動液體內部產生運動阻力。

牛頓以圖4-12的模型來定義流體的黏度。兩個不同平面上相互平行的流體，具有相同的面積A，相隔距離為x，各自以不同流速V1和V2向相同方向流動，牛頓假設保持此不同流速的力τ正比于流體的相對速度或速度梯度，即：

式中η——與材料性質有關，稱為黏度。

黏度定義：將兩塊面積為1m2的板浸于液體中，兩板距離為1m，若加1 N的切應力，使兩板之間的相對速率為1m/s，則此液體的黏度為1Pa·s。

流體表層粒子形成一個最上面的表面，之后向下將整個流體分成若干個層，每層流體依次向下速度越來越小，直至最下面一層為零（見圖4-12）。

可見，一般流體內部摩擦的情況，取決于以下幾個因素：

（1）流體的黏度η；

（2）不同層間流體的表面積A；

（3）流體層間的速度差與距離差的比值，即速度梯度v/d。

在一臺印刷機的墨輥機構中，當加入油墨后，在轉動的墨輥間和機器的潤滑液中都存在這樣的摩擦。也就通過油墨內部摩擦的過程解釋了油墨觸變性的過程。

除此之外，在輥筒和滾子軸承間的潤滑油膜、油墨在印刷墨輥間的分裂現象等都與流體的黏度有關。

實踐中，力在材料物理性質的認知，解釋，測量和技術評價中都是非常重要的因素。因此掌握一定的力學知識，對于深入學習印刷專業知識就顯得尤為重要了。總的來說，我們學習的這部分專業內容從框架上來說是較為零亂，對于要解決的具體問題將在今后相關的專業課中做進一步詳細論述。

【操作訓練】

訓練：探究作用力與反作用力的關系

把A、B兩個彈簧測力計連接在一起，B的一端固定，用手拉彈簧測力計A。如圖4-13所示，可以看到兩個彈簧測力計的指針同時移動。這時，彈簧測力計A受到B的拉力F′ 彈簧測力計B則受到A的拉力F。F和F′ 的關系是否有變化？