印版表面的润湿

　　印版表面的润湿，指各类印版的图文部分上的空气被油墨取代的过程，以及胶印印版的空白部分上的空气被润湿液取代的过程。

　　油墨的主要成分是颜料和连结料。连结料构成了油墨的液体部分，油墨连结料的种类很多，有干性油（桐油、亚麻油）、半干性油（豆油、棉籽油）、矿物油（机油、煤油）、挥发性溶剂（甲苯、二甲苯、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯）、天然树脂（天然沥青、松香）、合成树脂（聚合松香、醇酸树脂、松香改性酚醛树脂、聚酰胺树脂）等。除天然树脂、合成树脂外，油墨连结料均为有机液体。在有机化学中，有机液体统称为"油"。因此，就把油墨对印版图文部分的润湿看成是油墨对印版图文部分的润湿。

　　润湿液的主要成分是水，它对平版空白部分的润湿，即是水对印版空白部分的润湿。

一、 印版的表面结构和润湿性

　　印刷常用的印版，按照版面的结构形式可以分为凸版、凹版、平版和孔版四种。

　　1．凸版和凹版的表面结构和润湿性。凸版包括铅活字版、铅复制版、铜锌版、橡胶凸版、感光树脂版、高弹性柔性版等。这些印版表面结构的特点是：图文部分凸起，非图文的空白部分凹下，且和图文部分有一定的高度差。为了使油墨增均匀地涂布在印版表面，平面形的印版，凸起的图文部分应处于同一水平面上。弧面形的印版，凸起的图文部分应处于同一半径的柱面上，如图1－12所示。

 
图1-12　凸版与凸版印刷示意图

　　凸版所用的版材有铜、铅、铁、锌等金属，还有高分子聚合材料，如氯醋共聚塑料、聚酚氧塑料、合成橡胶、硬化的感光树脂等。铜、铅、铁、锌等金属表面，为高能表面，和表面张力较低的油墨相接触时，整个体系的自由能下降。高分子聚合物的表面，虽然为低能表面，但因其化学结构和油墨的化学结构有相似性和油墨相接触时，能产生较强的亲合力。因此，印刷时，只要油墨和印版之间的粘附张力A大小油墨的表面张力γLG，油墨在着墨辊的辊压作用下，图文部分很容易被润湿。

　　凹版有照相腐蚀凹版和电子雕刻凹版等。凹版表面的结构特点是：印版上的图文部分凹下，形成深浅不同的着墨孔，非图文部分起凸起，并在同一平面或同一半径的柱面上，如图1－13所示。印刷时，印版滚筒的一部分浸渍在墨槽里，油墨润湿印版表面，并填充在着墨孔内，再用刮墨刀除去印版表面的油墨，着墨孔内的油墨在印刷压力的作用下，转移到承印物表面。要使油墨浸湿并充满着墨孔，必须满足Wi=γSG－γSL≥0的条件，故应采用表面自由能高的金属版材制作凹版，以增大浸湿功。

 
图1-13　凹版与凹版印刷示意图    
图1-14　凹版网墙

　　凹版的表面，一般均匀地分布着承托刮墨刀的支撑架，叫做网墙，如图1－14所示。网墙的作用，是防止刮墨刀在除去印版空白部分的油墨时，挖去着墨孔内的部分油墨，破坏了印刷品的阶调再现性。由于网墙间分布着凹下的着墨孔，印版表面被细线分割，断面如图1－15所示，呈锯齿形。若图中的倾斜角为φ′，当接触角θ>180°－φ′时，油墨就很难浸入凹版的着墨孔内，形成固体和气体同时和油墨接触的复合面。因此，凹版的润湿还受到倾斜角φ′的影响。

 
图1-15　凹版网墙的断面

 
图1-16　孔版与孔版印刷示意图

　　2．孔版的表面结构和润湿性。孔版（主要是丝网印版）是以丝网为支撑体，先在网上涂布一层感光胶，再将阳图底片密合在感光胶层上，经过曝光、显影制成的。印版空白部分的感光胶层受光发生光化学反应，形成固化的版膜将网孔封住；印版图文部分的感光胶层显影时被除去，网孔通透。印刷时，油墨透过网孔漏印到承印物上形成印刷品，如图1－16所示。

　　常用的丝网有不锈钢丝网、尼龙丝网、聚酯丝网等。不锈钢的比表面能最高，聚酯的比表面能最低(临界表面张力约为4.3×10^－6N/m)，尼龙的比表面能（临界表面张力约为4.6×10^-2N/m），介于不锈钢和聚酯之间。因此和感光胶的结合性以及透墨性最好的是不锈钢丝网，其次是尼龙丝网，最差的是聚酯丝网。用不锈钢丝网制成的孔版，常用来印刷质量要求高的精细产品。为了提高丝网的印刷性能及降低成本，常常使用复合材料制成的丝网印刷。例如。镀镍聚酯丝网，是在聚酯丝网上镀一层厚度约为2～5μm的镍金属，这种网的编织结点经镀镍而固定，避免了金属网因金属疲劳而造成的松驰和聚酯网与感光胶版膜结合力低、透墨性差的弊病，成为具有高张力、低伸长率的适印性较广的丝网。用镀镍聚酯丝网制成的孔版，印刷时网孔变形小，墨流通畅，承印物上获得的墨层厚薄均匀。

　　3．平版的表面结构和润湿性。平版印刷使用的印版有PS版、平凹版、蛋白版、多层金属版等。这些印版表面结构的特点是：印版上的图文部分和非图文的空白部分几乎同处在一个平面上。印刷时，要先用润湿液润湿印版的非图文部分，形成有一定厚度的均匀的水膜，然后再用油墨润湿印版的图文部分，形成有一定厚度的均匀的墨膜，利用油、水不相溶的原理，非图文部分和图文部分分别依赖于水膜和墨膜来抗拒彼此的浸润，如图1－17所示。平版印版的表面必须形成亲水疏油和亲油疏水两类表面区域。这可以用两种方法来实现，一是采用同一种金属构成印版，但通过物理、化学处理，改变印版对水和油墨的润湿性，形成性能不同的两类表面区域，例如PS版、平凹版、蛋白版等是以铝板或锌板为版材；二是采用两种对水和油墨润湿性不同的金属构成这两类表面区域，例如多层金属版。

 
图1-17　平版与平版印刷示意图

　　在各类金属中，铜的亲油性最好，但亲水性最差；铬的亲水性最好，但亲油性最差，锌和铝的亲水性和亲油性都居中。

　　金属氧化物、无机盐大多是亲水疏油离子型晶体结构的物质，和水能产生很强的亲合力。在既有一定的亲水性又有一定的亲油性的铝板或锌板上，形成不溶于水的金属氧化物或无机盐层，便大大提高了这部分的亲水性。

　　脂肪酸、脂肪酸盐、重氮感光树脂，都是带有微弱极性的非离子型结构的物质。把这类物质涂布在锌板或铝板上，它们便以分子间的极性部分附着在版材上，具有亲油性的非极性部分则伸向空间，这样就使得印版的这一部分的亲油性大大提高了（图1－18）。

图1-18　

　　PS版是平版中比较理想的印版。阳图型PS版以铝板做版材，亲水的非图文部分是氧化铝（AL₂O₃），亲油的图文部分是硬化的重氮感光树脂。

　　平凹版和蛋白版都以锌板做版材，亲水的非图文部分是无机盐磷酸锌〔Zn₃(PO₄)₂〕,亲油的图文部分分别是非极性很强的腊克和硬化的蛋白感光膜。

　　多层金属版以两种金属做版材，非图文部分用亲水性好的金属铬，图文部分用亲油性好的金属铜。这样便在同一块印版上形成了亲水、亲油的两个区域，各自选择性地吸附润湿液和油墨。

　　综上所述，平版印版的非图文部分和图文部分要选择性地吸附润湿液和油墨，这种选择性地吸附，首先取决于印版的非图文部分和图文部分版面的化学结构。但在实际印刷过程中，这种选择性地吸附能否实现，还要看是否具备一定的条件。

　　平版的非图文部分，是由比表面能较高的金属、金属氧化物、无机盐等构成的，属于高能表面。例如，磷酸锌的固体比表面能高达9.0×10^-1J/m²，氧化铝的固体比表面能高达7.0×10^-1J/m²，都为润湿液的表面张力的10倍以上。因此，从润湿液和非图文部分的化学结构相似性和表面能数据看，润湿液能够润湿印版的非图文部分。这是因为，润湿液的润湿，会导致非图文空白部分的体系自由能的下降，而使γ_W－γ_I≤0（γ_W是润湿液的表面张力，γ_II是非图文部分的表面过剩自由能），因而是个自发的过程。另一方面，油墨的表面张力很低，仅仅约为非图文部分表面过剩自由能的1/20，所以，尽管在化学结构上，油墨和非图文部分的物质并不相似，油墨还是能够在非图文部分铺展。这是因为，油墨的铺展同样导致体系自由能的下降，而使γ₀－γ_I≤0(γ₀是油墨的表面张力)，因而同样是自发的过程。总之，印版的非图文部分，既能被润湿液所润湿，也能被油墨所润湿。可见，印版的非图文部分对于润湿液和油墨在润湿上并无选择性。

　　平版的图文部分，是表面能较低的非极性有机化合物，属于低能表面，其比表面能一般与油墨的表面张力值相近，例如，腊克和硬化的重氮感光树脂，比表面能都在3.0×10^-2～4.0×10^-2J/m²之间，而普通的润湿液因加某些电解质表面张力略高于7.2×10^-2N/m。因此，油墨便能够在印版的图文部分铺展，而润湿液则不能铺展。这是因为，油墨的铺展会导致体系自由能的下降，使γ₀－γ′_I≤0（γ′_I是图文部分的表面自由能），这是个自发的过程；而润湿液若铺展则要导致体系自由能的上升，使γ_W－γ′_I≥0，这是个非自发的过程。总之，印版的图文部分，只能被油墨所润湿，却不能被润湿液所润湿。可见，印版的图文部分对于润湿液和油墨在润湿是有选择性的。
　　为使平版的非图文部分只被润湿液所润湿，印刷中要先给印版供给润湿液，待润湿液铺满非图文部分之后再给印版供墨，由于油水不相溶，油墨因非图文部分有润湿液而不能附着，便只润湿了印版的图文部分。这样，平版印版的非图文部分和图文部分，对润湿液和油墨就都有选择性了。

二、 平版润湿性的提高和保护

　　印版表面的不平和表面吸附，直接影响印版的润湿性，按照实际的印刷条件，提高和保护印版的润湿性，也是提高印刷质量的重要环节，这一点对于平版印刷尤为重要。

　　1．粗化表面的润湿性。假设粗化表面的真实面积与平滑面积之比为R′，显然R′愈大，表面愈不平，R′叫做粗糙系数。若把润湿方程应用到粗化表面的体系时，应加粗糙系数校正，即

R′（γ_SG-γ_SL）=γ_LGcosθ′　　　　（1-19）交换（1－19）式得 cosθ′=R′（γ_SG-γ_SL）/γ_LG=R′cosθ　　　　（1-19）则 R′=cosθ′/cosθ　　　　（1-20）

（1－20）式中的θ′为粗化表面上的接触角，θ为平滑表面上的接触角。因为R′>1，所以

　　粗化表面的cos′θ的绝对值比平滑表面的cosθ绝对值大。这就是说，当θ＜90°时，固体

　　表面愈粗糙，润湿性愈好；当θ＞90°时，固体表面愈粗糙，表面润湿性愈差。即随着表面粗糙程度的增加，容易润湿的表面变得更容易润湿，而难润湿的表面变的更难润湿。这就是用机械或电化学的方法，在金属平版表面形成砂目，使表面粗化，从而提高了印版表面的润湿性，有利于形成稳定的亲水和亲油薄膜的原因。

　　但是，铝和锌这两种金属，机械强度都比较低，为了提高其机械强度，往往掺入少量的其它金属。例如锌版的纯度在90％左右，其余10％为铅、镉、铁、铜等金属。铝版的纯度在99％左右，其余1％为铜、镁、锰等金属。由于多种金属在锌版和铝版中存在，当锌版和铝版的表面覆盖有电解质溶液和水膜时，就会形成原电池。以锌版为例，锌的标准电极电位E°是－0.76V，铜的标准电极电位E°是＋34V，两种金属的标准电极电位差很大。如果经过磨版以后的锌版，长时间地暴露在潮湿的空气中，水膜覆盖在有砂目的锌版表面，就形成了原电池。原电池的阳极（负极）是锌，原电池的阴极（正极）是铜，如图1－19所示。在由锌、铜、水组成的原电池中，锌以锌离子的形态进入水中，多余的电子移向铜，氢离子和铜上的电子相结合生成氢气逸出，水膜中的锌离子和氢氧根离子结合生成氢氧化锌。全部的电化学反应为：

 
图1-19　平版版基的电化腐蚀 阳极（锌）　　　　Zn-2e=Zn²⁺
Zn²⁺+2OH=Zn(OH)₂
阴极（铜）　　　　2H⁺+2e=H₂↑
　　总的反应方程式为： Zn+2H₂O=Zn(OH)₂+H₂↑

氢氧化锌很不稳定，脱水后生成氧化锌附着在锌版上。

　　电化腐蚀的结果，使印版上的砂目遭到破坏，印版的润湿性随之下降。因此，形成砂目的铝版或锌版，应立即进行预涂感光膜的处理。因条件所限，不能及时涂布感光膜时，应将形成砂目的铝版、锌版放置在干燥、通风的场所，以免发生电化腐蚀。

　　另外，印刷过程中，印版由于受到各种辊子的摩擦，砂目也会磨损。为了保持印版良好的润湿性，印刷中应尽量减少各种因素所造成的对印版的磨损。

　　2．新金属表面润湿性的保护。金属长期地放置在空气中，空气中的气体分子（N₂、O₂、CO₂等）、油污、灰尘等吸附于金属表面，从而改变了金属表面的性质，这样的金属叫做旧金属表面。若用物理或化学的方法，去除金属表厕所吸附的各种杂质，恢复原来金属表面的性质，这样的金属表面叫做新金属表面。

　　比表面能高的金属表面，很容易被表面张力低的液体润湿，因为润湿的过程使体系的自动能下降。新金属表面的比表面能都较高，例如铜的比表面能约为1.0J/m²，铝和锌的表面能约在7.0～9.0×10^-1J/m²，以铜、锌金属为版材的凸版、凹版都很容易被油墨润湿，传墨性较好。但是将铜、锌、铝金属表面，尤其是新金属表面，暴露在空气中，会吸附许多气体分子而形成单分子吸附层，如果用γ_SG表示没有气体吸附层的金属表面的比表面能，用γ_S′G表示有气体吸附层的金属表面的比表面能，γ_SGG和γ_S′G的差值为ρ°，则有

γ_SGG-γ_S′G=ρ°ρ°叫做表面压，是个正值。由于表面压的存在，润湿方程（1－12）应改为 （γ_SGG-ρ°）-γ_LS=γ_LScosθ

（1－22）式说明，表面压的存在，好像有一个“推回液体”的趋势，使接触角增大（图1－20），金属表面的润湿性明显地下降了，甚至不能润湿，变成了“旧金属表面”。

　　非极性的气体分子N₂，O₂，CO₂，很容易被金属表面吸附，使金属的比表面能下降，润湿性变差。这可以通过实验来证实。把0.01ml的蒸馏水分别滴在新旧锌板或铝板上，测得的接触角分别是：旧锌板67.4°,新锌板33.2°,增加了34.2°；旧铝板19.3°，新铝板17.6°，增加了1.7°。接触角的增加标志着润湿性的降低。此外，金属表面还可能吸附空气中的尘埃、有机油污，而使其疏水性增强。因此，晒制铜锌版、照相凹版、平凹版、蛋白版等时，首先要清除版材表面的杂质、油污。其目的是将旧金属表面变为新金属表面， 恢复原来金属的润湿性。

 
图1-20　表面压p0的作用
　　非极性气体、有机油污在凸版、凹版表面形成的吸附膜，对油墨的润湿影响不大。这是因为凸版、凹版的图文部分和非图文部分有一定的高度差，也不存在选择性吸附的问题。印刷时，只要将版面吸附的杂质清除干净，油墨便会很好地附着。但是平版的空白部分，吸附过多的非极性分子、油污，亲水性能随之下降，亲油性能随之上升，印版的空白部分在印刷过程中便粘附油墨而起脏，故需要保护印版空白部分的润湿性。保护的方法是在新晒制的平版表面，涂布阿位伯胶液。阿拉伯胶是一种高分子化合物，是阿拉伯酸和阿拉伯酸的钾、钙等盐类的混合物。阿拉伯酸的分子结构是    

　　从结构上看是亲水的。阿拉伯酸遇水溶解，在溶胶状态下具有很强的疏油性，将阿拉伯胶液擦涂在新晒制的平版表面时，亲水的非图文部分吸附胶液并铺展成薄膜，待水分蒸发后，胶体就固着在非图文部分的表面，变金属氧化物或无机盐层的高能表面为高分子化合物的低能表面，这样便阻止了气体分子、有机油污在平版非图文部分表面吸附，起到了保护其润湿性的作用。印刷开始，用水溶解并除掉附着在版面上的胶层，就又恢复了非图文部分表面的润湿性。如果印刷中途停印的时间较长，在平凹版、蛋白版的表面也要擦涂阿拉伯胶液，保护印版非图文表面的润湿性。PS印版的非图文部分，砂目细密，含藏水分的能力较强，印刷中途停印时，一般采取擦水的方法保护印版，即用低能的水来保护印版非图文部分的润湿性。

　　此外，在平版表面擦涂阿拉伯胶液，还可以防止铝版或锌版的氧化。