第七章 印刷过程中的几个问题

第二节 油墨的渗透

　　纸张是由纤维交织成的多孔薄片，表面分布着许许多多大小不同、深浅不等的孔隙。印刷过程中，当纸张进入压印区(即印版滚筒与压印滚筒通过纸张相互接触的区域)时，油墨在印刷压力的作用下，被压入纸张的较大的孔隙中；当纸张通过压印区之后，油墨渗透明显地依赖于纸张毛细管作用，进行自由渗透。因此，油墨的渗透明显地依赖于纸张毛细管的尺度(孔径和长度)和分布情况。在油墨渗透过程中，有时会出现"滋墨"、"透印"、"粉化"等现象，印刷品的质量会因而下降。油墨渗透对非涂料纸和涂料纸各不相同，下面分别讨论。

一、非涂料纸的油墨渗透

　　油墨的渗透主要是指油墨中的连结料向纸张的渗透。渗透过程中油墨的连结料一般可以看作是牛顿流体。为了求出油墨在纸张孔隙中的渗透深度，先要了解牛顿流体在圆直管中的流动情况。


　　假设流体在圆管中作定常流动，即流场各点的流动参数，如速度、流量、压力等，均不随时间变化，且流动呈层流状态，则流量(通过圆管的流体V对时间t的变化率(dV/dt)有以下关系：


　　Q=dV/dt=（πr⁴·△P）/δηl　　　　　　　　　　　　　(7-2)


　　(7-2)式即所谓Poiseuille′公式。式中ι为圆管的长度，r为管半径，△P为圆管两端的压力差，η为液体的粘度。(7-2)式表明：通过圆管的流量与管径的4次方、圆管两端的压力差成正比，与管长、流体的粘度成反比。




图7-7 油墨的渗透


　　假定纸张毛细管为一圆直管，圆管半径为r。设想油墨中的连结料向纸张作自由渗透，即假定没有印刷压力，且忽略连结料本身的重力，则连结料仅靠管壁的吸附力，即毛细管作用力F，沿管渗透一定的深度h，如图7-7所示。若以γ表示油墨连结料的表面张力，θ表示油墨连结料对纸张毛细管壁的接触有，则有

F=2πrγcosθ　　　　　　　　　　(a)

Q=d/dt=（πr²h)=πr²dh/dt　　　　　　　　　(b)

△P=F/πr²=2πrγcosθ/πr²=2γcosθ/r　　　　　　(c)


　　把(b)、(c)式代入(7-2)式得

dh/dt=rγcosθ/4ηh


　　即　　　　　2hdh=rγcosθ/2η·dt　　　　(d)


　　积分(d)式，考虑到时间t对应的深度为h₁，则有

∫^h1₀2hdh=∫^t₀rγcosθ/2η·dt

h₁=rγcosθ/2η·t^1/2　　　　　(e)


　　又当纸张完全润湿时cosθ＝1，(e)式变作


　　　　　　　　　　　　　　(7-3)


　　(7-3)式表明，在没有印刷压力，或者印刷压力很小的情况下，如果纸张一定，且完全被油墨润湿，则油墨仅靠纸张的毛细管作用渗透，渗透的深度与渗透时间的平方根成正比，与油墨的粘度的平方根成反比。


　　如果印刷压力较高，因而不可忽略，则应对(7-3)式进行修正，设此时的印刷压力为ｐ渗透深度为h2，压力差为△P2，则有在高印刷压力下，有Pr》2rΥ·cosθ，上式可近似写作


　　(7-4)


　　(7-4)式称为奥尔森(Olsson)公式，公式表明，在高印刷压力的情况下，纸张一定，则油墨在纸张毛细管作用力和印刷压力的双重作用下进行渗透，其中印刷压力的作用是主导的。此时，油墨的渗透深度不仅与渗透时间的平方根成正比，与油墨的粘度的平方根成反比，而且与印刷压力的平方根成正比。




图7-8 渗透深度与压印时间的关系




图7-9 渗透深度与油墨粘度的关系


　　奥尔森公式的结论，已经被实验证实。图7-8所示的渗透深度(μm)和压印时间的关系，是在印刷压力为2.8×104Pa，粘度为5.3Pa·s的A油墨和粘度为2.6Pa·s的B油墨，改变压印时间印刷，测得压印时间和渗透深度的数据，拟合的关系曲线。曲线表明，油墨渗透的深度与压印时间的平方根成正比。


　　图7-9所示的油墨渗透深度(μm)和油墨粘度的关系曲线，是在压印时间为0.04s，印刷压力为1.4×104Pa。采用不同的粘度的油墨进行印刷，所得实验数据拟合而成的曲线。曲线表明油墨向纸张渗透的深度与油墨的粘度的平方根成反比。




图7-10 渗透深度与印刷压力的关系


　　图7-10所示的是油墨渗透深度和印刷压力的关系曲线。曲线表明，油墨的渗透深度和印刷压力的平方根基本是线性关系。


　　在印报用的高速轮转印刷机上，采用平均毛细管半径为0.26μm的新闻纸，粘度为0.6Pa·s的油墨进行印刷，印刷压力是4.9×106Pa,r·γ·cosθ为10-10N，油墨的加压渗透时间是0.002s，油墨自由渗透的时间是0.2s，则油墨的渗透深度为按(7-3)式和(7-4)式计算的h1与h2之和，即如果新闻纸的厚度是100μm，则油墨渗透深度约为纸厚的1/5，这与实验结果是符合的。


　　非涂料纸的表面平滑度都比较低，纸张的表面平滑度通常是用贝克平滑度仪测定，得到的叫贝克平滑度，国产新闻纸的贝克平滑度约为25～50s。为了增大纸张和油墨的接触面积，对于平滑度较低的非涂料纸，印刷中必须施加较高的压力，因此油墨的渗透是在高印刷压力的作用下进行的，油墨的渗透时间即是印刷压力作用的时间，亦即纸张通过压印区的时间。如．果油墨的渗透时间一定，则印刷压力愈大，油墨的渗透速度愈快，渗透深度愈大。因此，可用固定渗透时间测得的印刷压力，来表征油墨在高印刷压力的作用下对非涂料纸的渗透。


　　这样，的渗透因相当于印刷过程中油墨的渗透，所以叫油墨的印刷渗透。油墨的印刷渗透用P′值来表示，P′值在印刷适性试验机上测得。固定压印(即印刷渗透)的时间，改变印刷压力的大小，使体积为0.006cm3，粘度为0.0203Pa·s的1滴酞酸二丁酯染色液在纸面上辗布成一道油痕，量出油痕长度L，则P′值可表示为：


　　式中L的单位是mm，P′的单位是m-1。印刷压力愈大，油墨渗透愈多，形成的油痕长度愈短，P′值愈大；反之，印刷压力愈小，油墨渗透愈少，形成油墨长度愈长，P′值愈小。因此，P′值可以用来表示油墨的印刷渗透。表7-5所列的印刷渗透值，是在AIC2-5印刷适性试验机上，以0.2m/s的印刷速度，三种不等的印刷压力，按上述方法测得的，三种非涂料纸具有不同的贝克平滑度。


表7-5 油墨渗透(P′)值的实测数据

纸张平滑度(s)	印刷压力
	10.0N/m	4.0N/m	1.0N/m
	油墨渗透(P′值)
100g/m2开山屯胶版纸(65s)	21.32m-1	20.11m-1	19.30m-1
80g/m2日本胶版纸(65s)	23.26m-1	20.00m-1	17.54m-1
52g/m2丹东凸版纸(38s)	27.03m-1	23.35m-1	22.73m-1

　　表7-5所列的实验数据表明，同一种非涂料纸，油墨的印刷渗透随印刷压力的增高而加剧；在相同的印刷压力下，油墨的渗透随纸张表面不平度增大而加快。


　　书刊印刷中，使用的纸张大多数是平滑度较低的非涂料纸，若用圆压平的凸版印刷机印刷，采用定量为50～60g/m2的凸版纸或新闻纸时，由于纸张本身的吸油性较好，印刷机压印时间长，印刷压力大，容易发生滋墨和透印现象，所以使用粘度较大的油墨，对于防止油墨向纸张内部过分的渗透是有利的。

二、涂料纸的油墨渗透*

　　涂料纸由涂料层和纸基层构成，涂料层和纸基层有不同的毛细管结构。油墨在涂料纸中的渗透，不仅与涂料层和纸基层各自的毛细管结构有关，而且与它们的毛细管的相对位置有关，所以要比油墨在非涂料纸中的渗透更为复杂。下面仅就无印刷压力的情况，油墨在自由状态下进行所谓"自由渗透"，作一些讨论。




图7-11 涂料纸的结构模型


　　图7-11是涂料纸的结构示意图，上部是涂料层，若每平方厘米内有n1个半径为r1的毛细管，少料层的厚度为?，当油墨完全润湿涂层(cosθ1＝1)时，单位面积总的毛细管作用力为


　　(a)


　　渗透的油墨总量为


　　(b)


　　按(7-3)式，将涂料层毛细管全部填满的时间为


　　(c)


　　由此得到


　　(d)


　　因而渗透的油墨总量又可写成


　　(e)


　　涂料纸结构的下部是纸基层，若每平方厘米内有n2个半径为r2的毛细管，且假定纸基层与涂料毛细管是平行的，则当油墨完全润湿纸基层(cosθ2＝1)时，单位面积内总的毛细管作用力为


　　(f)


　　按(7-3)式，油墨对纸基层的渗透深度和渗透时间分别是


　　(g)


　　(h)


　　上述讨论是把涂料层和纸基层视为独立的体系，事实上，当油墨通过涂料层进入纸基层时，涂料层中的所用n1个毛细管都已被油墨填满，因而F1应等于F2，即于是涂料层中每个毛细管的压差均应为


　　(i)


　　而涂料层中油墨的总渗透量又可写成


　　(j)


　　t′l是在压差为△P的情况下，油墨在涂料层中的渗透时间。


　　为求t′l，假定涂料层和纸基层具有相同的n和r，即n1＝n2，r1＝r2，但有不同的厚度?1＝?2，且毛细管分布情况如图7-12所示。


　　则当cosθ＝1时，毛细压力为


　　(k)


　　因而涂料层中油墨的总渗透量为


　　(l)




图7-12 简化的涂料纸结构模型


　　由(j)(l)两式得到


　　(m)


　　(n)


　　如果油墨对涂料纸总的渗透时间是t，在涂料层毛细管全部充满油墨的情况下，油墨通过涂料层毛细管所需要的时间是t′1，则油墨在纸基层中渗透的时间便是t·t′1，由此可按(7-3)式计算得到在纸基层中渗透的深度油墨在时间t内对涂料纸总的渗透深度为


　　(7-5)


　　(7-5)式表明，油墨在涂料中自由渗透的渗透深度与油墨的表面张力和粘度有关；与纸张的涂料层厚度有关；还与纸张的涂料层和纸基层的毛细管的尺度和分布情况有关。还应指出，(7-5)式是在假定油墨的表面张力较大、粘度较低，纸张的涂料层能够完全渗透的条件下得出的。

三、油墨的透印与粉化

　　用非涂料纸印刷时，如果使用的纸张质地疏松，所用的油墨粘度较小，采用的印刷压力较大，那么油墨会从印刷图文的边沿外溢，造成"滋墨现象"，使图文边缘模糊不清，如图7-13(a)所示。而且油墨中的连结料的渗透深度有可能超过纸张的厚度，因而穿过纸张，渗透到印刷品的背面，造成油墨的"透印现象"，同样会使印刷品混沌不清，如图7-13(b)所示。




图7-13 滋墨和透印




图7-14 纸张毛细管的分布


　　透印的程度与印刷品背面的反射率有关，若以RA表示白纸的反射率，RB表示印刷品背面的反射率，则透印的程度可以使用Carlson测试方法评价，即用涂料纸印刷时，油墨中颜料粒子过量地存留在印刷品的表面，一经摩擦便会脱落，这种现象，有些像黑板上写的字被擦掉的感觉，被称之为"油墨的粉化"。


　　油墨的透印和粉化，是分别发生在非涂料纸和涂料纸印刷中的常见故障，这两种故障的发生，主要取决于纸张毛细孔的管径分布。


　　在讨论非涂料和涂料纸的油墨渗透时，都是把纸张看作是多孔的薄片物质，用等半径的细直管模拟纸张毛细管，且假定细直圆管作垂直于纸面的平行排列。这样的纸张模型大大地简化了油墨在纸张中渗透的讨论，得出了许多有益的结果，但这样的模型毕竟的粗糙的，深入讨论首先就涉及到不同半径毛细管的概率分布问题。




图7-15涂料纸毛细管的分布


　　大量实验结果表明，纸张毛细管半径的概率密度分布情况如图7-14所示，近似地符合对数正态分布。图中横坐标为纸张的毛细管的半径r，单位是μm，纵坐标是?(r)，是r的概率密度。


　　铜版纸是由涂料层和纸基层构成的涂料纸。图7-15是把铜版纸的涂料层和纸基层分离后得到的毛细管的概率分布曲线。涂料层的毛细管半径在0.01～0.1μm之间，纸基层的毛细管半径约在0.1～2μm之间，以0.1μm为界，图7-15中曲线的左半段表示铜版纸涂料层毛细管半径的概率分布，右半段表示铜版纸基层毛细管半径的概率分布。


　　考虑了纸张毛细管半径的概率分布，油墨在纸张中渗透的讨论将更加复杂。


　　涂料纸要比胶版纸、新闻纸等非涂料平滑度高，这从图7-14的曲线中可以得到证实，涂料纸毛细管半径的概率分布曲线的峰值高而且超前，定性地说，是小孔径的毛细管居多，因此表面平滑。涂料纸的贝克平滑度一般可超过600s，有的高达1000s，甚至更高。例如，前西德生产的150g/m2的铜版纸，贝克平滑度达到1960s。因此，用涂料纸印刷无须施加很大的印刷压力，油墨在涂料纸中的渗透主要靠纸张毛细管的作用，主要依靠自由渗透。


　　前面已经指出，油墨在纸张中的渗透，主要的是油墨中的连结料在纸张中的渗透。但是，在连结料渗透的同时，油墨中颜料粒子也参与其间，向纸张作不同程度的渗透。由于颜料对于印刷品起着显现色彩的作用，颜料的渗透便严重地影响着印刷品质量。


　　只有颜料粒子的大小小于纸张某个毛细管的孔径时，颜料粒子才有可能随同油墨中的连结料一起"渗入"这个毛细管；如果颜料粒子的大小尺度大于纸张某个毛细管的孔径，则颜料粒子"滞留"在这个毛细管的顶部。由于颜料粒子大小不等，形状不一，纸张毛细管的半径不同，形状各异，所以油墨渗透过程中，颜料粒子的渗入和滞留在数量上便有很大差别。如果渗入纸张毛细管中的颜料粒子过多，亦即颜料粒子在纸张毛细管中渗入的深度过大，则印刷品会因为纸张表面颜料浓度过低而显得墨色暗淡；如果渗入纸张毛细管中的颜料粒子过少，亦即有大量的颜料粒子滞留在纸张表面，过量堆积的颜料粒子一经摩擦便会脱落，印刷品的质量同样不高，只有渗入纸张中和存留在纸面上的颜料粒子数量适中，才能保证印刷的质量。




图7-16 纸张毛细管孔径与油墨颜料粒子大小的分布


　　实验表明，纸张的吸油速度愈快，颜料粒子向纸张内部渗透就愈深，愈容易出现油墨粉化的现象。例如，实验测得某一种铜版纸，其表面吸油度为70s，颜料粒子的渗入深度为2.5μm，印刷后油墨粉化；另一种涂料纸，其表面吸油度为80s，颜料粒子的渗透深度为3.8μm，印刷后油墨不会粉化。


　　纸张毛细管孔径的分布状况与油墨颜料粒子大小的分布状况都近似于正态分布，但曲线的形状有所不同，前者低而平，后者高而陡。它们之间的关系影响着油墨在纸张中的渗透。如果使用的纸张一定，毛细管孔径的概率分布曲线如图7-16所示。改变使用的油墨，如油墨粒子大小的概率分布曲线形状不变却处在不同的位置，如图7-16(a)(b)所示。(a)的情况表明，大于纸张毛细管孔径的颜料料子较多，有可能出现油墨的粉化现象；(b)的情况表明，大于纸张毛细管孔径的颜料粒子较少，不至发生油墨粉化现象，如渗入纸张的颜料粒子的数量适中，这是较为理想的分布情况。


　　油墨粉化现象主要发生在使用涂料纸印刷时，这是因为涂料纸厚而光滑，纸张毛细管孔径大都很小，使用的油墨中所含的颜料粒子大都比较粗大，所以印刷过程中存留在纸张表面的颜料便有可能过量，从而造成油墨的粉化现象。而透印现象则主要发生在使用非涂料纸印刷时，这是因为非涂料纸薄而疏松，纸张毛细管孔径大都很大，使用的油墨中的颜料粒子又大都比较细小，所以印刷过程中穿透纸张的连结料及其携带的颜料粒子便造成了透印现象。为了防止这两种印刷故障的发生，主要的措施是使纸张毛细管孔径和油墨颜料粒子大小的分布合理；其次，提高油墨的粘度，加快油墨的干燥速度，适当地减小印刷压力，对于减缓油墨的粉化和透印也有一定的效果。

[时间：2001-07-09  作者：冯瑞乾  来源：《印刷原理及工艺》·第七章 印刷过程中的几个问题]