六、印刷技术中界面问题举例

1．平版印刷和凸版印刷工艺中的接触压力

通过打印的方式来表达图像元素，就必须要有力的作用。印刷过程就是使印版受到外力的挤压，将印版上的油墨转移到承印物上的过程，当外部力量作用于弹性体时，使图文部分受力，但在图文区域之外的非图文区域同样受到外力的作用，即力作用于整个接触面上。为了表示印刷过程中压力的作用效果，必须引入压强p的概念，即在一个表面积为A的表面有一个压力F。则单位面积上受到的压力称为压强，有：压强的国际单位为帕斯卡（帕），符号为Pa。1 Pa=1 N/m2图4-7为相同压力作用于不同印刷内容上。

在印刷中，人们常采用印刷压强为300N/cm2，相当于每个印刷文字单元有8kN的力。其中一个印刷文字为线条稿，它由10条线组成，每条线的长度为10cm，宽为1mm，而另一字体则为满版印刷相当于10cm宽（注：该字体为正方形），我们来对以上两种情况进行计算：

（1）线条稿

F=8 kN

A=10cm×0.1cm×10

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

（2）实地

F=8 kN

A=10cm×10cm

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

由以上的分析我们可以知道，同一作用力作用于不同的作用面积下，其产生的效果可能完全不一样。

根据胡克定理F=-kx可知，在满足弹性变形x一定的情况下，我们应该尽量施加大的压力。但我们也要根据具体的情况而定：我们适当加强印刷暗调印品时的压力，适当减小亮调印品的印刷压力。在以纸张为承印材料的印刷内容为文字的凸版印刷中，印刷压强的设置为300～800N/cm2，在胶印中大约为100～250N/cm2。

2．表面张力（自由能）及其对胶印的意义

在前一小节中，我们研究了固体物质相互接触的问题，它们虽然具有共同的界面，但其界面处分子间的作用力不必考虑，这是由于这些固体分子形成的表面具有一定粗糙度，因此它们没有处在力的有效作用范围内。

在这一章节中，我们将要讨论胶印过程中有关界面扩散的问题。在胶印中的润版液通过水辊将其传递到印版的空白部分，同时也使油墨只能附着在图文部分。但是在这当中我们如何控制润版液或油墨，以使润版液恰好在它应该处的位置，不会向内缩小或向外扩大呢？为此需要考虑油墨、润版液和印版三者之间的表面张力（表面能）之间的关系。

（1）气-液界面

通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。在水内部的一个水分子受到周围其他水分子的作用力的合力为0，但在表面的一个水分子却不如此。因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。将水分散成雾滴，即扩大其表面，有许多内部水分子移到表面，就必须克服这种力对体系做功——表面功。显然这样的分散体系储存着较多的表面能。

表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。

20℃时，水的表面张力为72.75×10-3N·m-1，乙醇的为22.32×10-3N·m-1，正丁醇的为24.6×10-3N·m-1，而水-正丁醇（4.1‰）的界面张力为34×10-3N·m-1。

（2）液-固界面

固体表面与液体接触时，原来的固相-气相界面消失，形成新的固相-液相界面，这种现象叫润湿。润湿能力就是液体在固体表面铺展的能力。

液体在固体表面能铺展，接触面有扩大的趋势，就是润湿，润湿就是液体对固体表面的附着力大于其内聚力。

液体在固体表面不能铺展，接触面有收缩成球形的趋势，就是不润湿，不润湿就是液体对固体表面的附着力小于其内聚力。

以上我们讨论了物理学中有关表面张力、界面和润湿的问题，当然在此还有其他的影响因素，如电偶极矩，pH值，缓冲溶液和水的硬度都是需要讨论的重要问题。

3．润版液中纯净水的表面张力

如果在液体表面上任意画一条分界线MN把液面分成a、b两部分，如图4-8所示。F表示a部分表面层中的分子对b部分的吸引力，F′ 表示右部分表面层中的分子对a部分的吸引力，这两部分的力一定大小相等、方向相反。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势，由于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。

表面张力F的大小跟分界线MN的长度成正比。可写成：

比值σ叫做表面张力系数，它的单位常用N/m。在数值上表面张力系数就等于液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。

液膜表面张力系数=液膜的表面能/液膜面积=表面张力/（2×所取线段长）。

表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关。

如果我们需要减少胶印中纯净水的表面张力，可以适当增加其他物质，以使内部对水面液体分子的向内的凝聚力减少，从而减少成球形的趋势。与原有水滴不同，此时在相同的数量下能润湿比以前更大的范围。这种承担分离工作的物质称为润湿剂，目前在胶印中通常由异丙醇来承担。图4-9所示曲线表示的是随着在纯净水中添加的酒精量的增加，其表面张力不断降低的情况。因此在纯净水中添加这种添加剂后能节约用水。

前面我们仅观察了水的表面张力，类似的情况也存在于目前的大多数油墨中。不过目前大多数油墨的表面张力，并没有太大的差别，因为在油墨中添加的添加剂只为颗粒之间能够相互分布均匀，并且能保证和润版液之间有一定的隔离作用。

4．界面与胶印润湿

20℃时雨水的表面张力大约为70×10-5N/cm。受此作用，其表面会收缩趋于球形。在印刷过程中需要的是薄且均匀分布的膜层，因此降低表面张力是必要的。同时表面张力的降低也缩小了润湿液与油墨的界面张力，使润版液降低了排斥油墨的效果，形成了稳定的乳液，即发生了固液之间的润湿。

流体在不同固体表面润湿的情况不一样。当一滴水滴到印版的亲油墨的位置，在滴落到其表面后，在空中呈球体的水滴的形状会发生略微的变化。而如果将这滴水滴到亲水物质的位置上，将会发现它能铺展开而成一个较大面积的水膜。出现以上现象是因为固体表面能不同，也就是我们所说的润湿角不同。润湿角用符号β表示（见图4-10）。我们得出的结论是：润湿角越小，润湿效果越好。当润湿角大于90°时为不润湿，只有当润湿角小于90°物体表面才能起到润湿作用。

图4-11所示为液体铺展于固体表面的相关界面问题。

表4-2列出了常用几种物质的界面张力。

以下为水（γ1）、植物油（γ2）和空气（γ3）

将油滴于水中，油将扩散于水面。这说明水不能溶解油，因此将这两种物质同时置于固体表面也将不能混溶。这也就是在平版印刷中两种液体（即润版液和印刷油墨）物质所具有的性质，由于这两种物质具有不同的表面张力和界面张力，相互之间不混溶，为了能使它们在印版上有各自正确的位置，因此采用在固体表面上有相对高的表面能，来影响水墨的分离。当这样的相对位置形成后，在平版中出现水进入油中的现象，这是由于含有酒精的润版液物质渗透到油墨中形成乳液，这在印刷中被称为“乳化”。

5．黏度

将流动着的液体看做许多相互平行移动的液层，若各层速度不同，则形成速度梯度（v/d）。由于速度梯度的存在，流动较慢的液层阻滞较快液层的流动，因此，流动液体内部产生运动阻力。

牛顿以图4-12的模型来定义流体的黏度。两个不同平面上相互平行的流体，具有相同的面积A，相隔距离为x，各自以不同流速V1和V2向相同方向流动，牛顿假设保持此不同流速的力τ正比于流体的相对速度或速度梯度，即：

式中η——与材料性质有关，称为黏度。

黏度定义：将两块面积为1m2的板浸于液体中，两板距离为1m，若加1 N的切应力，使两板之间的相对速率为1m/s，则此液体的黏度为1Pa·s。

流体表层粒子形成一个最上面的表面，之后向下将整个流体分成若干个层，每层流体依次向下速度越来越小，直至最下面一层为零（见图4-12）。

可见，一般流体内部摩擦的情况，取决于以下几个因素：

（1）流体的黏度η；

（2）不同层间流体的表面积A；

（3）流体层间的速度差与距离差的比值，即速度梯度v/d。

在一台印刷机的墨辊机构中，当加入油墨后，在转动的墨辊间和机器的润滑液中都存在这样的摩擦。也就通过油墨内部摩擦的过程解释了油墨触变性的过程。

除此之外，在辊筒和滚子轴承间的润滑油膜、油墨在印刷墨辊间的分裂现象等都与流体的黏度有关。

实践中，力在材料物理性质的认知，解释，测量和技术评价中都是非常重要的因素。因此掌握一定的力学知识，对于深入学习印刷专业知识就显得尤为重要了。总的来说，我们学习的这部分专业内容从框架上来说是较为零乱，对于要解决的具体问题将在今后相关的专业课中做进一步详细论述。

【操作训练】

训练：探究作用力与反作用力的关系

把A、B两个弹簧测力计连接在一起，B的一端固定，用手拉弹簧测力计A。如图4-13所示，可以看到两个弹簧测力计的指针同时移动。这时，弹簧测力计A受到B的拉力F′ 弹簧测力计B则受到A的拉力F。F和F′ 的关系是否有变化？