第七章 印刷过程中的几个问题

第六节 油墨的干燥和印刷品的背面蹭脏

　　印刷机输墨系统中的油墨，转移到承印物上后迅速凝固，形成耐机械摩擦的墨膜。这种由流体到固体的变化，叫做油墨的干燥。完成这一变化过程所需要的时间叫做干燥时间。干燥时间短，油墨干燥速度快；干燥时间长，油墨干燥速度慢。

　　油墨的干燥一般分两个阶段进行。第一阶段是油墨中的连结料向纸层内渗透(或油墨中的溶剂挥发)，油墨膜层的粘着性增大，失去流动性的阶段，叫做油墨的固着。第二阶段是油墨发生物理、化学变化，牢固的粘结在承印物表面的阶段，叫做油墨的固化。油墨的固着和固化在油墨干燥整个过程中是很难严格区分开来的。

　　印迹的干燥速度对印刷品的印刷质量有很大的影响。干燥过慢，轻则使印品背面蹭脏，重则造成印张粘页；干燥过快，油墨在版面结皮，堵塞版纹，不仅使图像清晰度下降，而且使油墨堆积，印品出现"墨斑"。因此，分析研究印迹干燥的规律，在生产中控制印迹干燥的速度，使印迹适时干燥，才能获得墨色饱满、色彩鲜艳、层次丰富、光泽度高的优质印刷品。

　　油墨的干燥过程，是个极其复杂的物理、化学过程。油墨干燥的速度和油墨干燥的形式、承印材料的性能、印刷工艺条件、环境的温湿度等因素有关。

一、影响印迹干燥速度的因素

　　油墨的干燥速度，系指印刷品上油墨完全固化所需要的时间，时间愈短，印迹干燥的速度愈快。

　　1.油墨干燥的形式。在不同的承印物表面，采用不同的印刷方法印刷，油墨的干燥形式也不相同。平版、凸版、凹版以及孔版等普通印刷，印品上的墨迹一般依靠渗透、氧化聚合、挥发和UV(紫外线)等形式干燥。

　　①渗透型干燥。油墨转移到多孔性的承印物表面以后，在毛细管作用下，油墨中一部分连结渗入纸张内部，另一部分连结料同颜料一起固着在承印物表面，油墨的干燥主要依靠承印物的毛管吸收作用来完成，这样的油墨干燥叫做渗透干燥。渗透干燥的过程，即是承印物吸收油墨中连结料的过程。由于油墨颜料粒子间也存在着细微的空隙，这些空隙构成的毛细管作用则是阻止油墨渗透的。当承印物的毛细管作用和油墨颜料粒子间的毛细管作用相平衡时，油墨中的连结料便停止了向承印物内部的渗透，印刷品上的油墨干燥。

　　在实际的印刷过程中，油墨向承印物的渗透经历了两个不同的阶段，在印版上的油墨和纸张接触的短暂时间内，油墨在印刷压力的作用下，渗入承印物的表层，为加压渗透；当承印物离开压印区以后，转移到承印物上的油墨依靠毛细管的作用力渗入到承印物的内层，为自由渗透，加压渗透和自由渗透的时间，可以用下面的公式表示：

　　加压渗透时间：
t_加压=4ηh²_加压/P^-2_r　　　　　　　　(7-9)

　　自由渗透时间：
t_自由=4ηh²_自由/rγ　　　　　　　　(7-10)

　　以上两式的推导参见(7-3)和(7-4)式。式中η为油墨的粘度，h加压为在压力作用下油墨向承印物内部渗透的深度，h自由为自由渗透深度，r为多孔性承印物的毛细管平均半径，γ为油墨的表面张力。(7-9)和(7-10)式表明，使用低粘度油墨，在质地疏松多孔吸收性强的承印物上印刷，油墨干燥速度快。高速凸版轮转油墨，连结料由矿物油和沥青树脂组成，用这种油墨在吸收性良好的新闻纸上印刷，印迹的干燥完全依靠渗透干燥来完成。但是，如果印刷压力过大，连结料的粘度过小，往往发生"透印"故障。

　　②氧化聚合型干燥。以干性植物油为连结料的油墨，与空气中的氧发生氧化聚合反应，使呈三度空间分布的干性植物油分子变成立体网状结构的巨大分子，干固在承印物表面。这种利用氧化聚合反应，使油墨由液态转变成固态，在承印物表面形成牢固的印迹，叫做氧化聚合干燥。

　　油墨中的干性植物油，由液态转变成固态的反应很复杂，一般需要通过过氧桥聚合或通共共轭双键加成聚合，反应均发生在不饱和酸的双键上。随着反应的进行，分子链逐渐增大，油墨的粘度也逐步上升，直到不饱和酸的双键全部反应完时，油墨也完全干燥。因此，干性植物油墨的双键愈多，氧化聚合干燥的速度愈快。

　　干性植物油的氧化聚合反应速度比较慢，这是因为干性植物油含有微量磷酯类有机抗氧剂，加上其它阻滞干燥作用的影响，吸收的氧较少，是干燥过程的诱导期，此阶段内干性植物油基本上不起变化。因此，干性植物油的氧化聚合干燥时间，一般需要几小时，甚至长达几天之久。要加快氧化聚合的反应速度，必须破坏抗氧化剂，使干性植物油吸收空气中的氧，形成过氧化物，以过氧化物为媒介，引发双键的聚合反应。

　　在以干性植物油为连料的油墨中，加入催干剂(即干燥油)，可以加速油墨的干燥。催干剂的加入，一方面可将油墨中的抗氧剂氧化或与抗氧物质相结合生成沉淀，去除抗氧剂对氧化聚合反应的干扰，缩短诱导期；另一方面催干剂还可以促进聚合作用。

　　平版印刷，大多采用质地比较紧密、吸收性小的涂料纸印刷，印刷品上的墨迹主要依靠氧化聚合干燥。

　　③挥发型干燥。转移到承印物表面的油墨，连结料中具有较大能量的有机溶剂分子，克服了油墨中分子间的相互引力逸向空气，剩余的树脂、颜料等其它成分迅速增稠、固结。这种依靠溶剂挥发完成油墨干燥的形式，叫做挥发干燥。

　　挥发干燥的油墨，连结料中均含有挥发性较强的溶剂，例如：水、苯、二甲苯、酯、低碳链的醇等。挥发干燥的速度，主要取决于溶剂的挥发速度和溶剂的蒸发潜热。

表7-16 油墨常用溶剂的沸点、蒸发潜热、挥发速度

溶剂名称	沸点范围(℃)	蒸发潜热(kcal25/kg)	挥发速度(s)
乙酸乙酯	72～80	401	85
甲苯	109～112	400	180
乙醇	75～80	810	240
水	100	2291	1120

　　溶剂的挥发速度，可以用1ml溶剂在过滤纸上完全挥发所用的时间秒(s)数来表示。蒸发潜热是指一定量的溶剂，全部变成气体时所需要的热能。同一类溶剂，沸点愈低，挥发速度愈高；但不同类型的溶剂，沸点低，挥发速度却不一定就快。表7-16列出几种油墨中常用的溶剂的沸点、蒸发潜热和挥发速度。表中的乙醇和乙酸乙酯，沸点相近，但乙酸乙酯的挥发速度却是乙醇的二倍以上，这是因为乙醇的蒸发潜热比乙酸乙酯的蒸发潜热高。溶剂的蒸发潜热愈小，挥发干燥速度愈高。

　　挥发干燥型油墨，主要成分是溶剂、树脂和颜料，由于树脂分子和颜料分子存在于油墨表层，溶剂分子和树脂分子、颜料分子之间有强的牵引力，使溶剂分子难以向空气中逸出，故油墨的挥发速度比溶剂的挥发速度低。

　　不同的树脂对溶剂挥发速度的减缓程度不同。溶解度愈大的树脂，溶剂越难从中脱出。使用沸点不同的溶剂，调整油墨的挥发干燥速度时，油墨中的树脂必须对选用的溶剂有一定的释放性。否则，印刷过程中，溶剂脱出困难，印刷品上的墨迹干燥不良，易出现"背面蹭脏"的故障。

　　此外，溶剂的挥发速度还与外界的温度及蒸气压有关，外界的蒸气压愈大，温度愈高，溶剂的挥发速度愈快。

　　在非吸收性承印物表面印刷，印刷品上的墨迹，主要依靠溶剂的挥发来完成干燥。

　　随着高速、多色、多品种印刷的发展，印刷中大多使用混合干燥型油墨印刷。例如凸版树脂书刊油墨，主要依靠渗透干燥，但同时也包含着氧化聚合干燥；快固着树脂油墨，利用渗透干燥加速油墨的固着，利用氧化聚合干燥来完成油墨的固化；热固性油墨则是利用挥发干燥来加速油墨的初期干燥的。混合型的油墨干燥形式，使印迹的干燥变得更为复杂。

　　2.承印物的性能。纸张是印刷中使用最多的承印物。一般来说，非涂料纸的结构疏松、表面粗糙、吸收性强。使用以渗透干燥为主，氧化聚合干燥为辅的油墨在其上印刷，不仅能加速油墨在纸张上的固着，而且与空气中的氧分子有较多的接触机会，印迹的干燥速度快；与此相反，结构较紧密、表面光滑的涂料纸，印迹干燥的速度就慢。

　　目前，在涂料纸上大多采用亮光树脂型油墨印刷，利用涂料层的吸收效应，提高印迹的干燥速度。亮光树脂油墨，主要成分是酚醛树脂、桐油、亚麻仁油和沸点在250℃～300℃范围的高沸点煤油。油墨转移到纸张以后，由于涂料层毛细管作用，高沸点煤油很快地渗入到纸张内部，这样连结料中的树脂浓度变大，粘度上升，油墨变稠，颜料粒子之间的二次结合力增加，使滞留在纸张表面的油墨，形成半固态、平滑的、具有光泽的凝胶状膜，加快了印迹的干燥速度。

　　纸张的酸碱度对印刷的干燥有较大的影响。酸性愈大，阻碍破坏氧化聚合的程度愈严重。实验表明，当室内温度保持在20℃，相对湿度75%时，用pH值为5.4的胶版纸印刷，印迹干燥的时间约为30小时；若用pH值为4.4的胶版纸印刷，需80小时印迹才能干燥。而用pH值高于8的胶版纸印刷，在任何温湿度的环境中，印迹均能迅速干燥。

　　纸张本身的含水量也影响印迹的干燥。含水量高的纸张，强度降低，纸质变得松软，纤维处于松弛状态，部分毛细管被水分子堵塞，故分子间的引力减弱，由毛细管作用的油墨向纸张内的渗透力衰减，纸张纤维对氧的吸收性也随之下降，延缓了印迹干燥的时间。

　　3.温湿度。印刷车间的湿度升高，物质分子运动加快，促进了氧化物的生成，缩短了氧化聚合反应的诱导期，使印迹的干燥速度提高。图7-31是两种氧化聚合干燥的树脂油墨，干燥时间和湿度的实验曲线。从图中可以看出，随着温度的升高，油墨干燥的时间减少，干燥速度加快。在夏天，即使不加催干剂，油墨也能很快干燥。但在冬天，需要加放适量的催干剂，油墨才能及时干燥。

　　印刷车间的湿度升高，空气氧分子的活动性降低，干性植物油对氧的吸入量减少，延缓了氧化聚合干燥的速度。图7-32是黄、品红、青、黑四种油墨，干燥时间和相对湿度关系的实验曲线。从曲线可以看出，当相对湿度低于60%时，湿度的变化对油墨干燥的影响不明显。但是，当相对湿度太90%时，油墨的干燥时间都有大幅度的增加，油墨干燥缓慢。

　　此外，车间的湿度上升时，纸张的含水量也相应增加，其结果也妨碍了油墨的干燥。图7-33是几种纸张，干燥时间和相对湿度的关系曲线。从图中可以看出，高级压光纸和铜版纸，湿度的变化对干燥速度影响不太显著，但胶版纸和证券纸等非涂料纸，在低湿度下(相对湿度低于50%)，尚能迅速干燥，但在高湿度的印刷条件下，油墨中必须加入适量的燥油，否则将发生油墨干燥不良的印刷故障。


图7-31 树脂型油墨的干燥时间和湿度的关系


图7-32 树脂油墨的干燥时间和湿度的关系

　　4.其它影响油墨干燥的因素。油墨转移到具有吸收性的承印物一纸张表面上时，如果墨层较厚，表层的油墨和空气中的氧作用，迅速形成固态的皮膜，这层皮膜，阻止了空气中的氧向油墨层的中部进入。再者，纸张的渗透作用是有一定限度的，墨层过厚时，只有紧贴纸面底层油墨容易渗透，而中间层的油墨仅能依靠氧化聚合干燥，由于氧分子的缺乏，干燥速度缓慢，致使整个墨层难以彻底干燥。因此，控制墨层厚度，不仅关系到印刷品阶调、色彩再现的效果，而且对印迹的干燥也十分重要。


图7-33 相对湿度对油墨干燥的影响
1-胶版纸 2-证券纸 3-高级感光纸 4-铜版纸

　　

　　白墨或叫冲淡剂(也叫维利油)，是配墨淡色油墨的主要材料，由Al(OH)₃(氢氧化铝)和连结料组成。氢氧化铝本身不易干燥，对催干剂还具有吸附作用。白墨在冲淡油墨时，往往使油墨中原有的催干剂失去催干作用，降低了印迹的干燥速度。

　　印刷过程中，当纸张发生掉粉、掉毛故障时，要在油墨中加入一定量的撤粘剂，降低油墨的粘着性。撤粘剂的主要成分是不干性油和蜡类物质，比重比较小，若浮于墨层表面，妨碍了油墨中连结料的氧化聚合反应，油墨干燥速度下降。

　　印刷好的成品堆码成垛以后，印张干燥所需要的氧分子，只能从印张边缘渗入的空气中获取。如果印张的面积较大，承印物表面光滑，印张垛码较高，空气很难和印张上的墨迹接触。

　　因为供氧不足，印迹干燥必须缓慢，尤其是印张的中部，印迹干燥更为困难。所以，面积大的印张，堆垛不宜过高，间隔一定的时间，要将印张轻轻抖动使之透气，增加墨迹和空气的接触，以加速油墨的干燥。

二、印刷品的背面蹭脏

　　从印版或橡皮布转移到承印物上的油墨，如果固着时间不足，墨层尚未干燥，再与其它承印物接触时，就可能发生油墨的再转移现象。单张纸印刷机，在印刷过程中，一张印刷品的墨迹未干，又有另一张印刷品叠放其上，前一张印刷品上的油墨便有可能转移到后一张印刷品的背面，这种污染印刷品背面的现象，就叫做印刷品的油墨蹭脏，简称背面蹭脏。

　　油墨的背面蹭脏和油墨的透印，均使印刷品的背面出现污痕，从印刷品的外观上两者不易区分，但从印刷品的断面上却容易分辨，前者断面没有油污，后者断面油污显著。此外，背面蹭脏的污痕可以用橡皮擦去，而透印的则不能。

　　1.影响背面蹭脏的因素。背面蹭脏的程度与油墨在承印物上的附着力的在大小有关。油墨在承印物上的附着力主要是油墨和承印物分子之间的二次结合力，这个二次结合力愈大，若发生背面蹭脏现象，其程度愈严重。二次结合力包括色散力、诱导力和氢键等，其中色散力和诱导力均与油墨、承印物分子距离的6次方成反比，而氢键与这个距离的3次方成反比。因此，油墨、承印物分子间距离的微弱减小便可引起二次结合力的剧烈增加。如果印刷品因叠放，在重压下而紧密贴附，或者在静电作用下极度靠近，致使一张印刷品上的未干油墨与下一张印刷品背面，分子间的距离变得很小，背面蹭脏便会十分严重。

　　以上讨论中提到的附着力，指的是油墨与被蹭脏的印刷品背面之间的附着力。背面蹭脏除了和这个附着力有关之外，还与油墨本身的内聚力、油墨和印刷正面的附着力有关。


图7-34 背面蹭脏

　　图7-34中，承印物A的表面附着的尚未干燥的油墨，承印物B压在这个墨膜上。设油墨本身的内聚力是Fc，油墨和承印物A的附着力是Fa.A，油墨和承印物B的附着力是Fa.B，则当Fa.A＞Fc时，油墨能在承印物A上附着；又当Fa.B＞Fc时，油墨能将承印物B的背面蹭脏，但这需要墨膜有足够的厚度。如果墨膜很薄，Fa.A≥FC，以致Fa.A能达到承印物B的背面，那么，即使Fa.B＞Fc，也不会发生背面蹭脏现象。丝网印刷的墨层较厚，印迹干燥速度缓慢，凸版彩色图版印刷，印刷品的图案多以实地为主，墨层也较厚，背面蹭脏常常是构成危害丝网印刷和凸版彩色图版印刷品质量的主要因素。平版印刷，印刷品的墨层较薄，而且多采用以高沸点煤油和合成树脂为连结料的快干油墨，转移到承印物上的油墨，低粘度、高沸点的煤油迅速渗入承印物内部，含有颜料的高粘度合成树脂留在承印物的表面，很快的固着结膜，所以平版印刷和丝网印刷、凸版彩色图版印刷相比，背面蹭脏较轻。

　　还有一个影响印刷品背面蹭脏的因素，就是油墨的触变性。印刷过程中的油墨可看作是塑性流体，且具有触变化。在印刷机的墨辊之间，油墨被研匀，同时受到持续的剪切作用，油墨内部的结构崩坏，粘度下降，结果油墨被延展成均匀的薄膜转移到纸张上。油墨转移到纸张上后，内部应力趋于缓和，油墨内部结构逐渐回复到原来的状态，粘度也随之上升，结果油墨很快地在纸上固着，形成坚硬的墨膜。如果油墨的触变性小，转移到印刷品上的墨膜，粘度的回升就缓慢，即不大容易固着结膜，因而容易发生印刷品的背面蹭脏。

　　2.背面蹭脏的预防。为了避免背面蹭脏现象的发生或降低背面蹭脏的程度，生产中一般采用下面的方法：降低印刷品堆码的高度，减轻印张承受的压力；消除印张之间的静电，防止印张间过分的接触；在印刷品之间放置拒墨性的间隔纸或者将印刷品放在专用的晾架上；使用快干性油墨，例如紫外线干燥油墨等，对减缓背面蹭脏是有效的。


图7-35 收纸台上喷粉


图7-36 通道喷粉


图7-37 静电喷粉

　　目前，在印刷生产中，常用喷粉的方法防止印品背面蹭脏。一般是把粒径10～20μm的CaCO3(碳酸钙)粉末，装入喷粉器中，利用压缩空气配合印刷速度，有节奏地将粉未通过喷嘴，喷撒在刚印刷的印张上。粉末在印张之间形成一个个小的空间或隔离层，使空气流动顺畅，供化氧化聚合干燥所需要的氧气，加速油墨干燥的速度。

　　喷粉的方式根据喷粉器的结构有收纸台上喷粉、通道中喷粉和静电喷粉三种。

　　收纸台上的喷粉如图7-35所示，当印张落在收纸台上时，由许多可调的喷嘴把粉末喷射到印张上，喷嘴可以根据尺寸的大小来排列。

　　通道喷粉，是在印张到达堆纸台前，经过通道时，由排列成直线的喷嘴，如图7-36所示，把粉末连续不断的喷射到印张上，附着有粉末的印张，再叠落在收纸台上。

　　静电喷粉的喷粉器结构如图7-37所示。B为喷粉箱，A是B中表面呈凹凸形的辊子，C是空气喷出部分，D是7000～10000V电压的放电管，E是刮刀。当马达带动辊转动时，由于刮刀E的作用，下部分塞满粉末，位于放电管前方两端的喷嘴C喷射出空气，将粉末吹撒在印张上。静电喷粉的特点是，因为有一层气帘子，所以粉末不会飞散，粉未呈线状向印张运行的方向吹去，故消耗粉末少，粉末散布均匀，用少量的粉末，就能取得防止背面蹭脏的效果，但该装置的价格较高。

[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]