第七章 印刷过程中的几个问题

第五节 印刷过程中的静电

　　一般而言，由于固体面与固体面间，或固体与液体面间的接触、摩擦或撞击，或者由于固体的断裂或液体的破碎，都能导致固体表面或液体表面静电的发生。这样的机械作用是始终贯穿于全部印刷过程之中的。因此，在承印物、油墨、橡皮布、滚筒、墨辊，乃至整个印刷机上，表面都可能带有相当数量的静电，这些静电的出现给印刷过程带来许多危害。

　　在印刷过程中由于机械作用而使液体带有静电的现象，主要表现在油墨的分裂和雾散的过程之中。本节讨论印刷过程中由于机械作用而使固体(包括承印物、橡皮布、滚筒、墨辊等)带电的问题，包括带电的机理，对印刷的危害，以及消除的措施。

一、固体带电与气体放电

　　两个固体相互间迅速地接触?分离，就会使各自的表面带有静电。显然，带电的过程必须包括接触和分离两个过程。

　　在两个固体相互接触的过程中，通过接触的界面有移动的带电载流，载流的粒子(载流子)可能是电子，也可能是离子。一般认为，金属导体间的载流子是电子；而绝缘体因其表面常吸附一定量的水分，参与传导的带电载流子是离子。两种载流子的生成和转移的机理，有许多不同的理论。

　　1?载流子为电子。一种金属固体，内部含有无数电子，若电子从金属逸出，则必须由外界向金属做功，这个功叫金属的功函数，电子逸出的多少视功函数的大小而定。

　　两个金属固体相互接触，接触的界面首先成为阻碍它们电子逸出的壁垒，即所谓"势能壁"。如果在某种条件下，金属的电子能够穿越势能壁而由此达彼，则说明两上金属固体间发生了隧道效应"。电子有如车辆通过隧道穿越大山一样，穿过势能壁。发生隧道效应的必要条件是，势能壁的厚度要在某一个有效厚度范围之内，这个范围约为１×１０^－９～１０×１０^－９ｍ。

　　如果有两个不同材质的金属固体相接触，在强大的外部压力作用下，接触表面间的距离小到在势能壁的有效厚度的范围之内，则功函数较小的固体中的电子便会穿过势能壁进入功函数较大的固体。于是，失去电子的固体便会带有正电，得到电子的固体便带有负电；两种固体接触的界面也因这两种固体间电荷的授受而形成电逞的双电层；同时，两种固体的接触表面间产生了接触电位差。

　　2?载流子为离子。绝缘体由于机械作用而带电，带电载流子一般认为是离子。离子产生的原因是固体表面吸附了水分，这些水分中有一部分离解成H+和OH^-。固体对水分吸附常常是不可避免的，只要相对湿度有50%就足够了，而且，由于污染和周围空气中的尘埃，邻近的其它物体在固体表面上的沉积，也加剧了对水的吸附；还有，当固体表面上附着的物质，具有离子性原子团时，也会助长固体表现对水的吸附。

　　导致离子移动的因素主要有两个，一个是镜像电荷的作用力，一个是离子浓度差引起的扩散。如果两个固体的界面附近形成电场，那么在这两上固体中都会生成镜像电荷，而介电常数较大的物体，将会产生更多的符号相反的镜像电荷。于是来自该物体的镜像电荷的作用力也较大，离子便在这个力的作用下移向该物体。无论怎样洁净的表面都要产生离子，但材质不同的表面产生离子数量不同。如果有两个不同材质的物体盯接触，在接触面生成的离子的浓度，在垂直于界面的方向也是不同的。这样便产生了离子浓度差，高浓度的一方向低浓度的一方的扩散便导致了离子移动，其结果是在界面两侧形成双电层，它的电扬产生了与离子浓度差逆方向的离子流。

　　离子流形成后，由于离子的转移而使相互接触的两个物体带电，其过程与电子流的情形是一样的。

　　3?接触物体分离的过程。载流子是电子还是离子，接触物体分离的过程，情形也有所不同。

　　在接触平衡过程中产生的电荷是正负相当的，因而从外部看不邮物体是带电的。随着物体的分离，它们才分别带上正电或负电，这是可以观测到的。可以观测到电荷数量与相互接触时就带有的电荷数量是不同的。前者总要比后者小，这是分离过程初期的电荷数量泄漏造成的。两个物体一旦开始分离，尚在接触中的界面上的电荷容量便随之减少，电位因而上升。对于金属导体来说，如果尚在接触中的界面上仍然有隧道效应发生，为了维护初始的双电层的电位差，就要发生局部的电荷中和。如果物体进一步分离，则电荷从完全脱离的高电位点向尚在接触的低电位点移动，并在此处发生电荷的中和。中和的电荷即是被泄漏的电葆，转移到分离开来的物体上的电荷(即可以观测到电荷)自然减少了。

　　两物体接触时产生的电位是很小的，不过零眯几伏到几伏之间，但是，当两物体分离开来，民位的上升是非常急剧的。例如，从接触时的２５×１０^-8ｃｍ到分开后的1mm，两物体间距离增大了约40万倍，与此同时，电位差会在一瞬间增大几十万倍。以上说的是一次接触?分离的过程。如果机械作用频繁地重复，如不断地进行摩擦，接触?分离的过程反复进行，就会在物体的表面积蓄电荷，升高电位。

　　积蓄了电荷的物体成为带电体，并在其周围形成强大的电场，这多半是由于物面的凸凹不平使电荷过分集中造成的。这个强电场在满足一定的条件时便会向空间发射电子(或离子)，这就是所谓"场致发射"。场致发射所发射的电子(或离子)是物体本身所积蓄的。

　　强电场还会导致空气放电。空气放电是个"连锁反应"的过程。由于各种射线的作用，致使空气中存在着电离的电子和离子，对被空气隔离的电极施加电压，这些电子和离子便会形成10^-15～10^-8A/cm²的微弱电流。如果电压升高，电流随之增大；电子和离子在电场中加速。当这些电子和离子的速度足够高、能量足够大时，便会撞击气体分子而使其电离，即造成气体的碰撞电离；电离的电子和离子复又形成电流，在一定的条件下再去撞击其它空气分子……这样的过程积累起来，会表现得十分激烈，直到发光和发声，这就是空气放电现象。

　　影响固体带电的因素很多，主要的有三方面，一是物质本身的性质，诸如物质表面的化学组成、物质的内部结构和应力应变状态，以及物体形状和带电状态等等；二是周围条件，诸如接触物体周围的气体的组成和压力、温度等等；三是机械作用的情况，诸如两个物体接触的类型、接触的时间、接触的面积、分离的速度，以及物体间作用力的性质等等。

　　物体本身的性质是物体带电的内在原因，是影响物体带电的决定性因素。不同材料的物体在接触-分离过程中，因电子(或离子)的失得而带正、负电，电子(或离子)的得失是有规律的。根据静电实验的结果，可以把各种材料列入静电序列，序列中任何两种材料进行摩擦，靠左的带正电，靠右的带负电，部分材料的静电序列如下：

　　尼龙 羊毛 木板 玻璃纤维 棉纱 金属 纸张 橡皮 聚氯乙烯 聚四氟乙烯

二、印刷中出现的静电及其消除方法

　　印刷是着眼于物体表面状态的技术，静电现象也主要表现在物体表面，两者间的关系自然是十分密切的。静电现象对于印刷的影响也具有双重性质，有可以利用的一面，也有危害印刷正常进行的一面。这里只介绍静电现象对于印刷的危害，以及消除危害的一些方法。印刷过程中包含着频繁的撞击、摩擦等接触-分离的过程，结果是使参与印刷过程的几乎所有物体带有静电。


图7-28 静电墨斑

　　首先是承印物表面带电，例如纸张或用于特种印刷的聚乙烯或玻璃纸。纸张带电危害是多方面的，可能因相互吸引造成纸张间的粘连，可能相互排斥造成收纸不齐，这都使印刷操作变得困难；可能吸附纸屑或其它杂质，影响印刷品的质量；严重时甚至可能由超高电位导致空气放电，造成电击或起火。与纸张相比，聚乙烯、玻璃纸等承印物的静电现象更为严重，由于聚集的电荷量很大，电击和起火更容易发生。此外，如果带有电荷的油墨，在移动中放电，便可能在印刷品上出现：静电墨斑"参看图7-28(a)。如果带有电荷的油墨，有移动中放电，便可能在印刷品上出现"静电墨斑"参看图7-28(a)。如果带有电荷的油墨，在印刷品上线条的边缘放电，便可能于此处出现"墨须"，参见图7-28(b)。如果印刷品的图文部分吸附了杂质尘埃，便可能造成印刷品"发花"。所有这些无疑都损害了印刷品的质量。静电在特种印刷中引起的危害更是值得重视的。

　　油墨的带电和纸张的带电在许多场合是分不开的，上述现象即是这样的例子。除此而外，油墨会因带电而雾散，造成对印刷品和印刷环境的严重污染，也可能引起油墨溶剂着火，或通过油墨电击操作人员。

　　印刷机，特别是高速印刷机，许多部件都会因高速运转中的强摩擦作用而产生大量的静电，消电装置不甚完善的老式卷筒纸轮转印刷机，在高速运行时，印刷机上某些位置的电压有时高达15000V，电流也有100μA左右。如此强大的电压和电流对于印刷过程的影响是错综复杂的，危害也是相当严重的，特别是直接威胁操作人员的安全，是不容忽视的。

　　消除静电的方法和装置很多，应用于印刷的有下述几种。

　　最简单的消除静电的办法是"接地"，即把金属导体与大地作电气连接，使它与大地等电位，电荷便经大地而泄漏。这种方法对于绝缘体几乎没有效果。如果有两部印刷机邻近，虽然它们各自都有导线接地，但因电荷泄漏的程度有所不同，它们之间仍然有可能有电位差，为避免彼此放电，也要用导线把它们连结起来。

　　被普遍采用的静电消除法是离子中和法，这是将空气离子化，使其产生正、负两种离子，以中和纸张上的静电。


图7-29 纸张表面电阻和湿度的关系

　　消除静电的另一个简便易行的办法是控制印刷环境的相对湿度。纸张的表面电阻和空气相对湿度的关系如图7-29所示，表面电阻随着空气相对湿度的增大而减小。因此，增加空气的相对湿度，可以提高纸张表面的电导率，加速电荷的泄漏。在印刷车间，温度若为20℃左右，相对湿度在65%上下是合适的。如果纸张在印刷前就带静电，就应该在其充分调湿后再行印刷。

　　如果纸张已经带静电，一般所带的是负电，若用静电序列中纸张左边的物体摩擦纸面，则所产生的正电荷可以和原来带有的负电抵消，这也是一种消除静电的方法。

　　消除静电的装置叫做静电消电器，常用的有：电晕放电式消电器、放射线式消电器和自激式消电器。以电晕放电式消电器为例，它是将空气电离，产生出正、负离子，通过把极性相反的离子驱向纸面，中和掉所带的电荷，达到消除静电的目的。图7-30是自感式消除静电的原理图。图中的金属针，排列成行，组成排针，并与地导通。把排针的针尖对准带电的纸面，放在距离纸面约0.5cm的位置。这样，排针上瞬即感应出和纸面静电相反的电荷，而且都集中在针尖上，此处电荷密度极大，电场很高，因而产生电晕，使周围的空气电离，形成正、负离子，当纸面吸附了和自身所带电荷相反的离子后，静电就被消除。

　　有的印刷机将导电纤维挂在纸张通过的通道上，使纸张和导电纤维摩擦产生正电，取代金属排针，这样不仅可以中和原来纸张上的负电，还可以利用导电纤维的导电性将纸张上的静电携走，减少电荷的聚集。

　　无论采用哪一种静电消除器消除静电，都应将静电消除器安放在机器产生静电最严重的部位，调整好电极与纸面的高度，使其充分发挥作用。否则，不仅静电消除不彻底，反而会造成纸张表面的逆带电。

[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]