（制浆造纸工程专业论文）柔性版水性油墨印刷适性研究——水性墨适性的分析及评价.pdf

摘舞 摘要 油墨的印刷适性是指用于某一印刷方式的油墨具有的适应其印刷工艺和印刷条件 的各种必需的性质，而这些性质又必须使印刷产品达到一定的印刷效果和印刷质量，它是 油墨在印刷、干燥过程和印刷质量三方面适性的总和，油墨印刷适性的研究对于印刷工 艺的发展起着巨大的推动作用。本论文的目的就是通过对水性油墨印刷适性的详细分析 及试验测试，找出水墨印刷适性指标之间及印刷适性与最终印品质量之间的关系，并建 立评价模型。 论文立足于对水性油墨的结构体系和印刷适性机理正确认识的基础上，系统的分析 了水性油墨的各种印刷适性参数，并运用现代模糊理论建立了水性油墨质量的模糊综合 评价体系。论文开始主要从流体力学的角度，分析了水性油墨的流变性及其对印刷适性 的影响，接着重点分析了水性油墨的黏度对印刷适性参数的影响，并通过实验得出黏度、 p h 值及光泽度之间的最佳结合点：论文的最后应用现代模糊理论，对水性油墨的印刷适 性进行模糊综合评价，从而为合理地选用水性油墨寻找一种行之有效的方法，为印刷工 艺的数据化、标准化打下一定的基础。 关键词：水性油墨，柔性版印刷，黏度，印刷适性，模糊评价，层次分析法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n kp r i n t a b i l i t ym e a n st h a tt h ep r o p e n yo ft h ei n kc a n u s et ot h ep r i n t i n gc o n d i t i o n a n di tm u s ta c h i e v et h ep r i n t i n ge 行b c ta n d p r i n t i n gq u a l i t y ： i ti sm es 啪 o ft h e t r a n s f e r r i n g ，d 咖n ga n dt 1 1 e 研n t i n g t h es t u d yo ft h ei n kp r i n t a b i l i t ym a k e 觚i m p o r t 锄tr o l e i nt h ep r i n t i n gd e v e l o p m e n t n o w t h es t u d yo fp r i n t a b i l i t yi sa tn l ee l e m e n t a 叫s t a t e ，t h a th a v e n o ts t a r t e di nm e 印p l i c a t i o nc o m p r e h e n s i v e l y t h ea i mo ft h et h e s i si st h ec u r v ea b o u tt h e n t a b i l i t yi n d e xa n dt h ef i n a l 研n tq u a l i t yr e l a t i o n s h i pw h i c hw a sg a i n e db yt h et l l ei i l l ( p r i n t a b i l i t ya n a l y s ea n dt e s t t h er e s u l to ft e s tc a nb ear e f e r e n c et 0m ep r o d u c t i o n r h et h e s i sb a s e do nt h es t l l j c t u r eo fw a t e r - b a s e di n k 锄d 印p l i c a t i o n w - e 锄a l y s em e p n n t a b i l i t ya n dt h ee 毹c tf a c t o ro ft h ew a t e r 七弱e di n k t h 锄w ee s t a b l i s ht h ef b z z y i n t e g r a t i n ge s t i m a t et h ew a t e r - b 嬲e di n l ( q u a l i 够f i r s t l y ，w ea n a l y s et h ed l e o l o g yo ft l l e w a t e r - b a s e di n l ( a 1 1 dt h ee 仃c c to ft h ep 咖t a b i l i t ya c c o r d i n gt 0t l l eh y d r o d y i l 锄i c s s e c o n d l y ， w r ea n a l y s et h ev i s c o s i t yo fm ew a t * b a s c di n k ，、他a c m e v em ep r i m ev 锄a b o u tt h e v i s c o s i t y ，p hv a l u e s 锄d 西o s s i n c s s a tl 勰t ，w eu s et h e 如z z ye s t i m a t et 0t h ep r i n t a b i l i t yo ft l l e w a t e r - b a s e di 1 1 | c s ow ec a nf i n da ne f f e c t i v ew a yt 0c h o o s et h ew a t e r - b a s e di 1 1 王【觚dm a k ea b a s ef o r t h ed a t u m i z a t i o na 1 1 dt h es t a n d a 帕i z a t i o no ft i l ep r i n t i r 培 k e y w o r d s ：w a t e r b a s e di m ( ，n e x o 胂p h y ，v i s c o s i t y ，p r i n t a b i l i 妙，如z z ye s t i m a t e ，h i e r 删l y a n a l n i c a lm e t h o d u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景、目的及意义 柔性版印刷技术的快速发展极大的推动了油墨非溶剂化的进程，柔性版印刷技术是 使用柔性橡胶凸版或感光树脂版印刷，要求使用对版材无腐蚀的非有机溶剂型墨。传统 柔印使用橡胶凸版不能印出高质量的图像，直到1 9 7 3 年美国杜邦公司丌发了紫外固化 方式的树脂版以后，才开始印刷高精度的印刷品。近年，在包装行业，由于版材、制版、 网纹辊、和封闭刮墨刀、印版滚筒套筒方式、半透半反镜等技术进步的推动，大大促进 了柔性版印刷的发展并使之成为最有活力的一种印刷方法，从而也极大的带动了水性柔 性版油墨的快速发展。 上个世纪7 0 年代木期，随着水性高分子乳液的开发和商业化，欧美等国相继生产 出了工业要求的水性油墨。水性油墨是以水作为溶剂的一种环保型油墨，由于不含有挥 发性有机溶剂，大大减少了有机挥发物( v o c ) 的排放，从而减轻了大气污染，改善了 印刷操作环境，有利于印刷操作工的身体健康。它可以消除溶剂型油墨中某些有害物质 对人体的危害和对被包装商品的污染，改善了总体环境质量，此外，它不仅可以降低由 于静电和易燃溶剂引起的失火危险和隐患，还可以减少印刷表面残留的毒性，而且方便 清洗印刷设备。在食品、饮料、药品等产品的包装印刷中应用越来越广泛，近年来水性 油墨也开始应用于服装印刷行业。它能减少印刷品表面残留的溶剂气味，而且清洗方便， 是一种新型的“绿色”印刷包装材料。 资料显示：目前，在美国9 5 的柔性版印刷品、8 0 的凹版印刷品都采用水性油 墨，印刷业用墨市场上水墨销售额已是溶剂型油墨销售额的两倍以上，也就是说水墨已 成为印刷的主要用墨。在国内，目前包装印刷行业仍采用溶剂型油墨，这些有毒溶剂挥 发所造成的环境污染，已经受到了公众与环保部门的密切关注。随着人们环保意识的加 强和柔印机质量日趋稳定，国内的柔性版印刷业必将会迅猛发展，用于柔性版印刷的中 高档水墨量今后将以千万吨的数量递增，这也为高性能的水墨的研究与发展奠定了基 础，也是课题研究的原因之所在。在欧美各国，柔性版印刷已经具有匹敌于胶版印刷的 市场规模瞳- 4 1 ，其承印物的过半系是以板状瓦楞纸为代表的纸，几乎是使用水性油墨。 近几年来，由于印刷机、制版 高线数网纹辊等的技术进步，加上印刷画质的提高，已 经达到使用阶段，柔性版印刷方式的多样性，能够适应各种承印物的灵活性，正期待它 面向其他领域的拓展。 稳定和确立印刷适性是印刷的先决条件，是实施印刷灰色平衡、进行数据化、规范 化操作的物质基础，是提高产品质量的保证。在印刷过程中，油墨要经过多次转移传递， 最终才附着在承印物表面。显然，油墨的各种特性能否很好地适应这种转移传递和附着 的要求是影响印刷工艺过程及印品质量的关键。柔性版印刷工艺中，在其它条件相同的 情况下，若所选择的油墨的特性不同，油墨的印刷适性自然不同，则最终的印品质量也 会出现差异。而根据印品质量的不同要求，则可选择不同的油墨与之相适应，或对油墨 的印刷适性进行适当的调整。其最终目的是降低成本，提高工作效率，避免不必要的浪 江南人学硕十学位论文 费。 衡量油墨的质量，通常是以油墨各项性能指标的印刷适性为目标进行分析研究，目 前的众多研究只是对油墨印刷适性各单因素进行定性或定量的分析研究，即只作了单因 素评价，而对油墨的综合质量尚不能作出较好的评价。本文立足于对柔版水性油墨的结 构体系和使用机理正确认识的基础上，系统的分析了水墨的各种印刷适性及其影响因 素。应用现代模糊理论，对水性油墨印刷适性进行模糊综合评价，从而为合理地选用油 墨寻找一种行之有效的方法，为印刷工艺的数据化、标准化打下一定的基础。 1 2 水性油墨的成分与结构 水性油墨是由特定的水性高分子树脂、颜料、水，并添加助溶剂经物理化学过程 组合而制备的油墨，简称水墨。水性油墨是以水作为溶剂的，油墨转移到承印物后，水 分挥发到环境中或者渗入到承印物中，油墨随水分的挥发而干燥。水性高分子树脂是水 性油墨最主要的组成部分，它在水墨中主要起到连结料的作用，它使颜料可以均匀分散， 使油墨具有一定的流动性，并提供与承印物材料的粘附力，使油墨能在印刷后形成均匀 的墨层。水墨的色相主要取决于颜料，颜料以微粒状态均匀地分布在连结料中，颜料颗 粒能够对光线产生吸收、反射、折射和投射作用，因此能够呈现一定的颜色。助剂对水 墨性能的影响很大，是水墨不可缺少的重要组成部分。 1 2 1 水墨的连结料 水性油墨连结料主要是水溶性或水分散性树脂，水墨的黏度、附着力、光泽、干燥 等印刷适性都取决于水性树脂连结料。水墨连结料的种类很多，可根据不同的场合和用 途进行选择。通常有如下种类蝤。 ( 1 ) 水溶性连结料。这类连结料包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羟乙基纤维素和聚乙烯甲酯， 这类连结料是永久性溶于水的，因而使用范围有一定的局限，它只能应用在油墨墨膜接 触不到水的场合。 ( 2 ) 碱溶性连结料。这类连结料本身是部分溶于水或者不溶于水的，因为连结料使用的高 分子树脂含有羧基( 一c o o h ) 、羟基( 一o h ) 、氨基( 一n h ：) 、醚基( 一o 一) 、酰氨基等， 这些基团是亲水的。经过一定的工艺处理，用低分子量的氨或胺类物质来中和带有羧基 基团的树脂，而生成有机胺盐，胺盐因电离作用能溶于水，反应方程式可以表示为： 一c o o h + n h 3 = 一c o o n h 4水可溶( 水性连结料形成过程) 一c o o n h 4 + h 2 0 = 一c o o h + n h 3水不溶( 油墨的干燥过程) 当水墨印刷转移到承印物上后，在水墨的干燥过程中，又会由于部分氨类物质的挥 发使得墨膜不溶于水，从而达到耐水的目的n 引。因而氨或胺类的用量和种类对树脂的水 化和墨膜的性能有重要的影响。另外用量的大小就决定了连结料的碱性大小，碱性越大， 说明水化程度越高，则水墨的黏度越大，因而p h 值是一个重要的质量控制因素。 ( 3 ) 扩散性连结料。这种连结料是悬浮在水中的细小树脂粒子，通常称之为乳胶。在这类 连结料中通常含有丙烯、乙烯或丁苯聚合物。乳胶化溶解的树脂具有更显著的优点，其 一，乳胶可以密度很高而黏度较低，这可以产生高质量的薄涂层；其二，乳胶还可以包 第一章绪论 含相当大的聚合物分子，大分子一般都比小分子耐磨损、耐热，而且附着力也好，虽然 大分子通常会导致溶液的黏度过高，但乳胶不存在这个问题。这是乳胶油墨特有的性能。 乳胶油墨最大的问题就是印刷比较困难，而且难以清洗，因为一旦乳胶凝结、就会变成 不溶性的物质，所以乳胶通常作为涂层油墨。此外乳胶还可以与碱性连结料混合使用， 这样既可保留乳胶特有的一些性能，又具备碱溶性连结料所具有的印刷适性。 有时为了达到某种目的，几种连结料也可拼混使用，此时要兼顾到对水墨其它性能 的影响口】。 1 2 2 水墨的颜料 水性油墨以水作为溶剂或分散介质，且连结料大多呈碱性，所以水性油墨和非水性 油墨用的颜料有不同的要求。 ( 1 ) 颜料的组成 不同的颜料其物理化学性质，如密度、酸碱性、极性、粒子晶型、大小及表面性能 等均不相同，因此，在制墨过程中，若采用多种颜料、体质颜料，常因其物理化学性质 的较大差异，制得的色浆依靠强烈的搅拌可以暂时分散均匀，但在存储或使用的过程中 也常常发生颜料沉淀和浮色等现象。故在制造水性油墨时选用的颜料的种类应尽量少 些，以避免上述问题的产生。 ( 2 ) 颜料的耐酸碱性能 水性油墨用的树脂多数是羧酸型的，用氨中和后变成水溶性树脂，因此，水性连结 料是偏碱性的，如果选用的颜料是酸性的，则有可能使水溶性树脂酸化，导致树脂凝聚， 使油墨的悬浮体结构遭到破坏。但碱性太强的颜料又容易使树脂产生皂化；水溶性大的 颜料也会破坏连结料的稳定性，因此水性油墨用颜料的选择要考虑它的酸碱性、水溶性 等因素。 ( 3 ) 水性油墨常用颜料璐1 。在油墨中，应选用哪一类颜料并没有统一的原则。无机颜料的 特点是化学稳定性高，不易分解和对紫外线稳定性高，对光照和大气的影响的抵抗力强， 具有价格低廉，遮盖力大，耐热性好等许多优异性能。有机颜料的颗粒细小，染色力强， 明亮度较高，但价格昂贵，遮盖力较低。我们选用水性油墨用颜料应根据水性油墨、颜 料的性能综合考虑，正确选用合适的颜料。水性油墨常用的颜料按颜色分有如下几种： 白色颜料钛自粉、氧化锌、立德粉； 黄色颜料铅铬黄、铁黄、硅铬酸铅、锶钙黄、透明黄、联苯胺黄、汉沙黄、柠檬黄； 红色颜料铁红、大红粉、铬红、透明红； 蓝色颜料酞菁蓝、群青； 黑色颜料炭黑、铁黑、苯胺黑。 1 2 3 常用的助剂 水性油墨在制造和使用过程中为了得到质量好、稳定性高的印刷性能，需要使用油 墨助剂。国内外水性油墨质量的差异之一也是助剂使用的差别，不同品种的油墨需要使 用不同的助剂，但有一些助剂具有的功能不止一种，需要进行协调使用。水性油墨的印 江南人学硕十学位论文 刷适性受印刷条件、承印物的表面特性、环境温湿度、水性油墨存放时| 日j 长短等客观条 件的影响，因此在使用时，需要用一些助剂对水性油墨做细微调整以获得最佳印刷效果。 ( 1 ) p h 值稳定剂水性油墨的p h 值对油墨性能影响较大，p h 值过低，油墨的黏度 太高，p h 值过高，油墨的颜色深度降低。由于水和氨的挥发，导致水性油墨的黏度和 p h 值变化，因此在印刷过程中要经常使用p h 值稳定剂。其主要作用是平衡水性油墨 在印刷过程中的p h 值，使油墨体系的p h 值保持在8 2 9 5 之间。它同时也可作为稀 释剂使用。 ( 2 ) 冲淡剂冲淡剂能够降低油墨的颜色浓度，提高油墨的固含量和光泽，但不影响 油墨的黏度、干燥速度和印刷性能。根据印刷要求适量加入。常见的冲淡剂有调配浅色 油墨的白墨、撤淡剂和亮光浆。 ( 3 ) 稀释剂稀释剂主要作用是降低水性油墨的黏度，切忌过量，稀释剂的加入量一 般不超过3 4 。否则会使油墨浓度降低，颜色变浅，水墨的p h 值发生变化。水性 油墨的稀释剂一般直接用水、乙醇和异丙醇。加入较多的稀释剂或使用硬度较高的自来 水稀释会导致气泡的产生，可同时加入消泡剂进行消泡。稀释剂应边搅拌边缓慢加入， 以放黏度过低。 “) 消泡剂泡沫在某一方面有积极的作用，但在油墨中肯定是不需要的。在水性油 墨的制造过程中泡沫将会阻碍颜料的分散；在印刷过程中泡沫会产生颜色问题和印刷干 燥问题，导致印刷产品出现小孔和无光泽情况。这两种情况均可以通过加入消泡剂来避 免。 消泡剂的作用机理为阳1 ：使表面活性剂分子脱离洗涤液的表面，或者是穿透已经被 表面活性剂占据的洗涤液表面造成空穴，这些空穴减弱了泡沫壁膜的机械强度，从而导 致泡沫的破灭。泡沫有两种方式：一种是帮助泡沫形成；另一种是破坏最初形成的气泡。 ( 5 ) 快干剂快干剂也叫催干剂，用于加快油墨的干燥速度。一般水性油墨的调制不加干 性剂，但对于醇酸树脂、环氧树脂或干性油改性的常温交联型水性油墨可以按改性树脂 的用量加入快干剂。一般用量为o 3 。经常使用的催干剂是含有络合剂和乳化剂的有 机金属盐，常用的金属是钴、锰、镁和铅。应该注意的是水不溶性的金属皂与水性油墨 配方中组分的相互作用，水解会降低催干剂的活性，尤其钴盐更是如此。所以，对于每 一单一配方，都应认真选择催干剂。 1 3 本课题国内外研究现状 随着柔性版印刷机的引进、制版技术的提高还有高线数网纹辊的使用，都使得柔印 的质量的得到了较大的提高，柔性版的应用越来越广泛。而水性油墨因其环保性和适应 性也得到人们的广泛亲睐。近几年，国内的柔性版印刷的工作者对水性油墨的印刷适性 也做了一些的研究和分析。杨勇在2 0 0 2 年的文章中，对水性油墨的稳定性、抗水性和 光泽度机理作了研究。颜梅在2 0 0 6 年的文章h 1 中，从油墨配方的角度，对水性油墨进行 了研究，重点分析了水性油墨稳定性、抗水性、光泽度的各项影响因素，根据基础配方 实验和各项性能测试结果，改变油墨配方，利用无味胺a m p 一9 5 替代一部分氨水，并探 4 第一章绪论 讨了a m p 一9 5 对水墨体系p h 值及黏度稳定性的影响、偶联剂对水墨性能的影响等。其 余的关于水性油墨的文章大多都是实际经验的总结，缺少详细的理论分析。总的来说， 印刷适性涉及的面很广，目前我国印刷适性的研究工作仍处于起步和进行知识积累的阶 段，综合的应用研究还没有真正的开始阳1 。这跟柔性版印刷在国内的总体现状差不多， 还处于“经验操作、印象管理”阶段。 国外对于柔性版水墨印刷适性的研究相对较多一些。m a r i ar e n t z h o g 0 - 。2 1 对水性 油墨在p e 涂层纸板上的印刷适性作了大量研究，系统地描述了水基苯胺油墨在流动性、 表面张力及液体包装纸板润湿方面的相互关系，以解释及预测其印刷特性。对于所有的 颜料、丙烯酸盐聚合物连接料和其混合比例，油墨表现出剪切稀化和触变性，塑化黏度、 屈服应力和存储、损失模量随聚合物溶液( 一定的固含量条件下) 的含量增加而显著提 高。溶解聚合物降低了油墨的静态表面张力，但通常情况，由于提高了油墨和纸板间的 介面能，所以将提高平衡液滴在聚乙烯涂布纸板上的接触角。溶解聚合物也降低了液滴 的扩散速率，测试了简单模型，通过平衡接触角和由表面张力与黏度的有效比给出的速 率参数来表达扩散动力学；r u r o um a i 【1 3 1 等人对水性油墨的流变性能做了实验研究，详 细的分析了油墨的黏度对印刷适性的影响以及温度与黏度的关系，通过对十二种印刷模 型的检测，得出在稳定的温度下，油墨的黏度对印刷适性的影响。另外国外对于油墨在 承印物特别是纸张上的铺展与渗透的研究文献较多，由于与本文相关性不是很紧密，不 再一一赘述。 在对柔性版水墨的评价方面国内外的资料都比较少，在实际评价中，往往根据经验 或者单个印刷适性指标作出主观判断，相对于纸张综合评价的研究，水性油墨这方面的 研究就比较欠缺。所以本论文希望通过对水性油墨印刷适性评价体系的建立，能够为合 理地选用油墨寻找一种行之有效的方法，为印刷工艺的数据化、标准化打下一定的基础。 为水性油墨在我国的推广、普及作出一点贡献。 1 4 论文结构 本论文共分五章内容： 第一章和第二章是水性油墨的基础理论研究。简单介绍了水性油墨的成分，分析了 油墨的呈色原理和光泽度及抗水性机理，并简要介绍了界面学特别是油墨的润湿与铺展 理论。 第三章是对水性油墨流变性特别是油墨在转移过程中的流变性的研究。首先分析了 油墨在墨辊间转移时的受力及流变情况，水性油墨作为一种粘弹性流体，接着利用粘弹 性模型来对油墨流变性与印刷适性的关系作了分析，最后研究了油墨接触到纸张时油墨 的渗透效应，并给出了油墨在纸张中渗透深度的测量和估算方法。 第四章是对影响水性油墨印刷适性的参数研究，重点讨论了黏度和p h 值对印刷适 性及最终印刷品的影响。通过实验得出黏度和p h 值、光泽度的关系曲线，及黏度、p h 值及光泽度之间的最佳结合点并通过比较添加稳定剂和稀释剂对印刷适性控制的效果， 得出控制水墨印刷适性较好的手段是添加稳定剂。 5 江南人学硕十学位论文 第五章建立了水性油墨的模糊综合评价体系。从物理性能、化学性能、光学性能三 个方面对水性油墨进行评价。其中物理性能包含黏度、细度、初干性、着色力四个指标； 化学性能包含p h 值、抗水性两个指标；光学性能选择了光泽度一个指标。对于七个指 标，运用模糊理论对其进行等级评价，然后应用层次分析法来确定各个评价指标的权值， 最后建立模糊综合评价模型。 论文最后是对论文的总结。 6 第二章水性油墨概述 第二章油墨印刷适性概述 2 1 油墨的呈色性能 在各种印刷品上，文字、符号、图象、的颜色、阶调是由油墨墨膜显示的。油墨在 印刷品上的颜色，是借助各色印版的线条或不同角度与不同层次的网点叠合和并列而呈 现的。印刷品的显色主要是光经过承印物表面与油墨墨膜的选择性反射和吸收后，以一 定的反射波长映入人眼的结果。墨膜就是各种油墨固化于承印物材料上的薄膜层。油墨 色彩学就是研究三原色( 或四色) 油墨墨膜叠合或并列在承印材料表面上，所呈现的颜色 色彩现象和性质，及其在显色过程中各种因素之间的关系的一门学科。油墨色彩学是应 用色光理论探索和指导油墨颜色印刷适性研究的基础理论，它着重于对油墨的显色效率 和色密度、光泽度、透明性等的研究，以期获得最佳的色彩效果和实现中性灰平衡，达 到工艺技术和人们观视心理上的要求n 。 ( 1 ) 光和颜色的关系 颜色的形成 当我们看到某一物体呈现某种颜色时，实际是该物体吸收了其他颜色而反射或透射 该颜色。如光照射到某一蓝滤色片，蓝滤色片将自光中的红光及绿光都吸收掉了，只透 过了蓝光，进入人眼后呈现蓝色，如图2 一l 所示： r 昌几 邕 童ll 占 蓝滤色片 图2 1 颜色的形成 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i co fc o l o r 缸m a t i o n 颜色的特性n 4 1 颜色的特性是色调、明度、饱和度。色调是颜色彼此相互区分的特性。不同波长的 光表现为各种色调，发光物体的色调取决于它的光辐射组成；非发光物体的色调取决于 照明光源的光谱组成和物体自身的反射或投射光谱特性。 明度是人的眼睛对颜色明亮程度的感觉，用黑白系列对明度做一说明，黑白系列指 的是由白色经过浅灰到中灰，再到深灰直到黑色的颜色系列。一个物体是白色，是它对 所有的波长的色光作完全反射，光的反射率是1 0 0 ，黑色的物体是对所有的光波都吸 收，光的反射率是o 。光反射率由o 到1 0 0 的变化就表现为明度的变化。明度变化 示意图如图2 2 ： 江南人学硕十学位论文 0 反射率 1 0 0 黑1ilii 白 低 明度 高 图2 2 明度变化示意图 f i g 2 - 2t h ev 撕e t yd i a g r a mo f b r i l l i a n c e 饱和度是指色彩的纯洁程度，每种颜色对应于某一波长或某一波段。单一波长的光 叫单色光，各种波长的单色光是饱和度最高的颜色，当单色光中掺入白光颜料后，它的 饱和度便下降了。物体颜色的饱和度取决于自身的反射或投射光谱特性，色带越窄，其 饱和程度越高。 ( 2 ) 油墨在纸上的颜色表现 油墨的颜色指的是油墨涂布在印刷物表面上呈现的色彩，它与光源的性质有关，这 里指其在理想光源照射下的色彩，指油墨对可见光进行选择性吸收、透射与反射后的结 果。油墨的颜色与印刷品质量的好坏有一定的关系，尤其是彩色的印刷品，其色彩鲜艳 与否与油墨的颜色关系很大，即使是黑白印刷品，油墨黑度也是影响印刷品质量的一个 因素嘲。 如果所用的油墨完全不透明，当光照射到油墨墨膜表面时，光波基本不产生透射， 一部分光被墨膜吸收，另一部分光被反射回来，反射出来的这部分光的组合就是油墨的 颜色。 如果油墨是透明的，那么在光的照射下，油墨层对光既有反射和吸收，还有投射现 象。这部分透射的光透过墨膜射到白纸上，经白纸反射后重新穿透墨膜射出，透射过墨 膜再反射回来的光与直接反射出来的那部分光的总和即为油墨的颜色。 影响油墨颜色的因素很多，如墨膜厚度越大，油墨的亮度越低，颜色也就越深；油 墨干燥程度不同，对光的反射、透射及吸收的比例也不同，其颜色也不尽相同；纸张本 身的颜色又吸收了透射墨膜到达白纸的那部分色光的一部分，使墨色加深；而纸对油墨 的吸收也使油墨的颜色发生变化。油墨的颜色要尽可能地再现原稿地所有颜色，或者说 要尽可能地再现自然界中地颜色。印刷过程中，用到的重要显色原理是网点套印呈色， 其中叠合呈色的原理如图2 3 简单的表示n 引。 第_ 二章水性油墨概述 红绿蓝 红光 红绿蓝绿光 i、八 i _ 红绿蓝( a ) 蓝光 红绿蓝( b ) ( c )( d ) 图2 3 三原色油墨叠印时色料减色法 f i g 2 3c o l o rs u b t m c t i v eo ft r i a di i l ks u 脚o s i t i o n 2 2 油墨的光泽度 油墨的光泽度是指油墨印样在某一角度反射光线的能力，其光泽主要是靠连结料干 燥后结膜而产生的。油墨光泽度的好坏给印刷品的外观带来很大的影响，光泽度好的油 墨，色泽鲜艳，看起来比较精神，迎合人们的心理需要，因而特别受欢迎；光泽度差的 油墨，色泽就会暗淡，给人一种陈旧、抑郁的感觉。因而会大大降低产品的宣传效果。 正因为光泽度是如此重要，所以当油墨本身的光泽度不能满足人们的需求时，人们往往 会采取在印刷品上罩光、涂塑、覆膜或涂上光油的办法。这样光泽度提高了，可是必然 要增加印刷工序，增加印刷经费开支，所以如果油墨本身的光泽度就能满足要求的话， 那必然是既省时又省钱，一举两得。 水性油墨就其原材料来讲，是完全有可能得到较高光泽的( 水性上光油可以证明) 。 然而事实上目前的水墨却普遍存在着光泽度不够的问题，严重地阻碍了水性油墨在某些 领域的应用，其原因是多方面的，下面将进行具体阐述。当然这里的分析是指油墨本身 而言，不包含其它外界条件，如：由光源的颜色和质量所引起的问题、由纸张或其它承 印物的表面光泽度所引起的问题等。 2 2 1 水对光泽度的影响 ( 1 ) 水的含量对光泽度的影响 由于水性油墨是以水作为溶剂的，所以其在水墨中的含量通常都比较高，根据需要 可在2 0 5 0 的范围内进行调整。当水墨中水的含量比较大时，水墨的浓度和黏度会 下降，从而造成印刷过程中纸张对油墨的吸收率提高，导致油墨流平中止，油墨黏度值 的变化梯度增大。这样，在油墨印刷的最初阶段，油墨的黏度值会明显增大，严重时将 突然增大，很难满足流平要求，使流平过早结束，从而导致油墨很难形成较平滑的墨层， 而油墨表面的平整程度往往是影响油墨光泽成败的关键，所以在这种情况下印品光泽度 必然会很差。如果水墨的含水量太低，必然会导致固形物含量增大，其黏度也相应增大。 由于对同一吸收强度的纸张来说，其对油墨的吸收率同油墨的黏度是成反比的，因 而黏度值越大，吸收率就越小，流平性也就越差，或者流平根本无法进行，使得流平中 9 江南人学硕十学位论文 的渗透、凝固和结膜作用明显降低，这样所得到的印品的表面平整度也必然很差，光泽 度也就不理想。所以在实际生产水墨时，必须严格控制水的含量，既不能太高又不能太 低。可通过实验来估算一下水的含量，当然还要兼顾其它的性能要求。 ( 2 ) 水的表面张力对光泽度的影响 由于水墨中的水的极性和表面张力比一般的有机溶剂要高得多，造成水墨整体的表 面张力都比较大，而表面张力又是影响水墨光泽度的另一个重要因素。具体表现在不同 表面张力的水墨对不同基材的润湿、附着、浸透作用不同，导致油墨印刷后的效果差异 很大。表面张力较小的水墨能够润湿、附着、浸透各类承印物的表面，能在承印物表面 流平成光滑而均匀的膜面，因而光泽度就比较高：表面张力较大的水墨对承印物表面的 润湿受到限制，尤其是当其表面张力大于承印物的表面张力时，印刷后的墨膜会产生一 定的收缩，甚至在局部出现砂眼等故障，其光泽度自然就比较低了。 2 2 2 助溶剂及聚合物单体对光泽度的影响 助溶剂的作用是在水墨中增加树脂在水中的溶解度，同时调节树脂溶液的粘度、提 高油墨的稳定性、改善油墨的流平性和外观，在水墨中通常都是一些醇类物质。在水墨 中选用助溶剂是以其助溶性、挥发性和危害性作为参考的7 1 。 在水墨经印刷干燥的过程中这种助溶剂绝大部分都是以挥发来释放的，而挥发速度 的快慢又会影响水墨的光泽度。当助溶剂挥发速度太快，油墨就会趋向于流平不良，使 油墨层来不及流平成均匀的膜面，而出现条痕、砂眼等现象，并还可能诱发潮气凝结， 使干燥后的膜层出现龟裂和变污的现象，因而其光泽度会很差；而当溶剂挥发太慢，则 会引起油墨的干燥不良油墨中的连结料硬化结膜受阻，油墨的流平性也会很差，光泽度 自然也不会很好了。所以在水墨中助溶剂的选择一定要很慎重，可以采用两种助溶剂来 互相弥补各自的缺点。另外，在实际使用中，水墨的树脂通常是由多种单体进行共聚来 形成的，根据性能的要求来选择合适的单体和配比，才能配出性能优良的水墨。 2 2 3 水墨的分散性对光泽度的影响 分散性能提高油墨的细度，而油墨的粗细度会直接影响油墨的印刷质量和流平性。 油墨的分散性好，油墨的颗粒度就细，承印物的表面就能很好地被润湿。在印刷压力下， 流平性好，形成的膜层平滑度就高，在印刷网点图案时，所印出的网点也就越饱满，画 面也就显得清晰、精神，也即光泽度高。油墨颗粒粗，表明分散性差，印刷时墨层的铺 展就差，对承印物表面的润湿性也差，印刷后不易形成高质量的膜层。在印刷网点图案 时，则很容易发生网点扩展或空虚的情况，网点的边缘也不光洁，印品的光泽度也会大 幅度下降。另外，好的分散性还能防止油墨的再絮凝，这对油墨的光泽度也有很大的影 响。 2 2 4 墨层厚度对光泽度的影响 由于光泽度通常是利用反射光泽计来测定的。其原理是用标准版进行定位后，在某 一角度内，从油墨表面反射的光量越大，就表明其光泽度越高，反之越小。油墨中反射 l o 第二章水性汕墨概述 光的形成是这样一个过程：如果所用的油墨不透明，当光照射到油墨膜表面时，光波基 本不产生透射，一部分被墨膜吸收，另一部分光就被反射出来；如果油墨是透明的，那 么在光的照射下，油墨层对光既有反射和吸收，还有透射现象，这部分透射的光透过墨膜 射到承印物上，经承印物反射后重新透过墨膜反射出来，这部分的反射光和表面的反射 光的总和即为全部的反射光。实际中油墨多为半透明的，故其光学过程总是包含着反射、 透射和吸收。 如果印刷墨层厚，光经过油墨后所吸收的量就多，另外当透射的光从承印物表面反 射回来后又再次被油墨吸收，这样光经过两次较大的吸收后，其反射光的量必然就减少， 故其光泽度必然会下降。而当墨层较薄时，则会产生相反的结果。所以在实际使用时， 为了得到好的光泽度，除了使用高性能的水墨外，还必须有效地控制墨层的厚度。 2 3 油墨的界面性能 2 3 1 润湿 油墨是一个液态的胶体系统。从胶体系统角度来看，液面区域的液体分子a 受到下 面密集的液体分子b 对它的引力，造成液面分子受力的总和垂直于液面指向液体内部， 这个力就是液体的表面张力。液体的表面张力有使液滴表面收缩成最小而成球形的趋 势，如图2 4 所示。 气嘏 称务捉尔j 誉蠛 江南人学硕十学位论文 ，a g 、 产l 丽l ( 2 2 ) 液体与固体表面接触时，界面区的两种分子既受到界面同侧同种分子的吸收作用， 又受到另一侧异种分子的吸收作用，此两种吸引力的合力称为界面张力。如果固体是低 表面能的，其吸引力低于液体相分子的吸引力，界面区的液体分子有向液体内部收缩的 张力，这就是非润湿状态；如果固体是高表面能固体，其吸收力高于液体相分子的吸引 力，则界面区的液体分子有一种被吸附于固体的压力，这就是润湿状态。 2 3 2 铺展 油墨的铺展是油墨与纸张接触之后，纸张表面上的气体被油墨取代的过程n 引。如图 2 5 所示， g 气相 图2 5 油墨铺展过程 f i g 2 5p r o c 懿so fs 删i n g 在铺展过程之前，纸张和油墨的接触面是气一固界面，而在铺展过程结束时，它又 成为固一液界面，与此同时，体系还增加了同样面积的气一液界面，所以在恒温恒压下， 单位铺展面积上体系自由能的变化是： g = y 皿+ y g 一厂跖 ( 2 3 ) 其中厂乩是固一液界面的自由能，厂6 是气一液界面的自由能，跖是气一固界面的 自由能。 体系对外所作的功是： 矿= s2 厂阳一7 础一7 g ( 2 4 ) 其中s 是铺展系数，s 的大小表征了液体在固体表面上铺展的能力。 如果s o ，液体就是完全润湿，最后将铺展成一层薄薄的膜。铺展的速度取决于 铺展过程中自由能减少的速度。 1 2 第二章水性油墨转移过程中流变性能分析 第三章水性油墨转移过程中流变性能分析 3 1 柔性版印刷油墨转移的特点 现代柔性版印刷，是指使用高分辨率、高弹性、版材厚度约在1 7 舳左右的柔性版， 用网纹辊传输低黏度溶剂挥发性干燥油墨的方法。 图3 一l 柔性版印刷机的输墨系统 fig 3 1s c h 锄撕cd i a 鲫mo fl l l en e x o 舯p h i c 研n t i l l gp r o c e 船 目前，高速、高质量的柔性版印刷机主要采用如图3 1 所示的网纹辊一刮墨刀输墨 系统进行油墨转移n9 1 。刮墨刀的刃部指向与刮墨刀压触点处的表面线速度方向成钝角， 为反向刮墨刀。柔性版印刷的油墨转移非常简单，低黏度高流动性的油墨填充到网纹辊 细小的着墨孔中，多余的油墨被刮墨刀刮除，留在网纹辊着墨孔中的油墨随后转移到柔 性版浮雕状的图文上，当印版上的油墨区和承印物接触时，便形成一个“吻印 ，轻压 吻印就完成了油墨的转移。 r 一 图3 2 油墨在滚筒间受力分布示意图 f i g 3 2d i s t r i b u t i o n so fv i s c o s i t ya 1 1 dp r e s s u r eo fn u i di n t h e g a p o f t w or i g i d r o l l s 3 2 油墨在墨辊间传递时的动力分析 柔性版水性油墨是流动性良好的液体，这主要是为了适应网纹辊对油墨转移的要 求。在印刷过程中，墨斗供给的油墨经若干辊筒形成均匀薄膜，然后转移至承印物上。油 墨每经一次辊筒碾压都将发生墨膜的分裂和转移，高速印刷中所发生的许多问题均与油 墨在两辊筒间窄缝内的流动有关。所以分析油墨在转移过程中由于受力产生的流变性， 江南人学硕十学何论文 对研究油墨的印刷适性有很重要的意义。 油墨在墨辊间转移时的受力分布已有很多研究，m i d d l e m a n 基于润滑近似对两个刚 性辊筒之问的流动作过解析引，得出牛顿流体和幂律流体在窄缝处的速度分布及非对称 的压力分布，最高压力峰在啮合点之前，图3 2 定性的表示这一解析的结果。其后， d o b b e l sf 则分析了一个刚性辊筒，一个可变形辊筒之间的流场，发现最高压力峰略向啮 合点中心移动比。 如第一章所述，油墨由颜料、连结料、助剂等多种成分组成，一般具有复杂的流变 性雎引。不同的流变特性必然影响辊筒窄缝内流场的速度和压力分布。下面对油墨在墨辊 问的流变性做一下分析。 jy 压e 口滚筒 ；y 斟嗽同 纸张 印版 图3 3 油墨与墨辊接触过程简图 f i g 3 3s c h 既l a t i c 唧锄t a t i 彻o fc o n t a c tc o n f i g l l m t i o n 如图3 3 设压印滚筒和印版滚筒的半径分别为r ，r ：，在印刷过程中，印版上的油 墨有一部分转移到纸张上，另一部分仍留在印版上。根据相对运动的观点，从坐标系o x y 看到的将是一股墨流自左而右通过纸面和版面间的通道。这个通道的高度是变化的，若 设通道的最窄处为h o ，则在通道任意处高度h 可表示为x 的函数，且有下面的近似公式心 2 j i l = 凡+ - = l ( 3 1 ) 。 2 r 式中 r ：盟 尺i + 足 同时还假定，通过通道的墨流受到的压力分布按下式变化 如d 2 “ 袁邓万 式中，p 代表墨流中任一点受到的压力；u 表示该点沿x 方向的速度： 黏度。如果仅考虑p 随x 的变化规律，且认为u 与x 无关而仅为y 的函数， 可变为 劾a 2 “ 玄27 萨 将( 3 3 ) 式逐次积分，得到剪切速率d 和速度u 1 4 ( 3 2 ) 刁是油墨的 则( 3 2 ) 式 ( 3 3 ) 第二章水性油墨转移过稃中流变性能分析 h 昝味塞p 。= 考= 击( 罢) ( 2 y 一 ) ( 3 j4 ， 幽= 去( 塞) ( 2 r 肋一胁) “= 去( 塞) ( 产砂) + u 5 ， u 表示印版的速度，正常印刷情况下，印版的速度与压印滚筒与印版接触点的速度 相等；祟表示剪切速率，在少= j i l 2 处，即在通道高度方向上的中点处，譬：o ，而在 o vo 、 任意点y ，譬= d 。 洲 注意到 r 嘶= q ( 3 6 ) q 为墨流的流量，对( 3 5 ) 式进行积分得， f i 岫= 刍( 塞) r ( y 2 一咖陟+ f | 哟 q ：上f 望1 ! 矗，+ 沏 。 2 7l 锄j6 塞北刁( 等一芳) 慨7 ) 由( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 7 ) 知，当墨辊半径r 、最小间距h o 、印版速度u 这些容易测量 的量已知的时候，我们就可以得到剪切速率和压力的分布曲线，来分析印刷过程中油墨 的流变性能变化，这对油墨的生产和印刷过程中对油墨适性的控制有很重要的参考意 义。 3 3 水性油墨的粘弹性 3 3 1 油墨的粘弹性模型 盖警一 _ 嗣i _ 图3 4 牛顿流体和粘弹性流体 f i g 3 4n e 、以o ni i q u i da n dv i s c o e l a s t i cl i q u i d 1 5 江南人学硕十学位论文 g 图3 5m a x w e ll 模型 f i g 3 5m a x w e l ll i q u i dm o d e l 油墨在一般情况下呈流体状态，具有粘滞性，在剪切力作用下做粘性流动；但在高 速转移的情况下，力的作用时间非常短暂而近于冲击，油墨又会明显的表现出弹性，油 墨是一种粘弹性体。在目前的理论研究中常见的是m a x w e l l 模型。经典的x w e l l 模型 由油壶和弹簧串联组成纠1 ，如图3 5 理想的弹性体服从虎克定律：f = g 7 ，即 1 d ，= 二j f ( 3 8 ) g 理想的粘性体服从牛顿定律：f ：徊：7 7 华，即 口f 砂= 二出 ( 3 9 ) 7 7 外力f 作用在m a x w e l l 模型的形变之和为： d y ：土d r + 三衍 ( 3 1 0 ) g ，7 将其变形得 塑：! 塑+ 三( 3 1 1 ) 一= 一一十一 1 l ， d tgd t 玎 式( 3 1 1 ) 即为m a x w e l l 模型的微分表达形式，对其求解得， 一三 一堡f f = r o p2 = f o p 4 ( 3 1 2 ) 其中各式中符号的物理意义是：f 一剪切应力；g 一剪切弹性模量；y 一剪切应变： d 一剪切速率；刁一黏度；f 。一初时应力；t 一应力作用时间；五宰矽g 一松弛时间。 3 3 2 模型的分析与应用 松弛时间旯等于油墨黏度与剪切弹性墨量之比，是描述材料粘弹性的重要参数。当 旯一定时，如果应力作用时间极其短暂，则剪切应力对时间的变化率d r 出极大，致使 d 以”兄，于是方程( 3 1 1 ) 变为 1 6 第二章水性油墨转移过稃中流变性能分析 坐；g 坐 ( 3 1 3 ) 一ou 一 ) i ) ， md t 即f = g 7 ，说明虎克定律成立，材料具有理想弹性体的特征：当t 极大时，d f m 极 小，致使d 吖出“f a ，则方程( 3 1 1 ) 变为 g 坐：三( 3 1 4 ) d t九 即f = 归，说明牛顿定律成立，材料具有理想粘性体的特征。 当外力作用时间介于上述2 种情况之间时，弹簧和粘壶同时产生形变，模型表现为 粘弹性。此作用时间与材料的应力松驰时间有关，也即当应力作用时问在材料应力松驰 时间左右时，材料