電磁波譜在印刷行業(yè)的實際應(yīng)用*①

韓春柏

(上海理工大學(xué)理學(xué)院 上海出版印刷高等?？茖W(xué)校 上海 200093)

楊毅 王孟祿 尹國盛

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南 開封 475004)

電磁波譜是大學(xué)物理課程中的一部分內(nèi)容.一般的大學(xué)物理教材在講述電磁波譜的時候，僅對電磁波按波長(或頻率)劃分為若干個波段簡單介紹一下，即無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等都是電磁波，只是由于它們的頻率(或波長)不同，而呈現(xiàn)不同的特征[1].這對于一般的理工類專業(yè)而言，是可行的;但對于印刷專業(yè)來說，就顯得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了.現(xiàn)僅從電磁波譜在印刷行業(yè)的實際應(yīng)用做一探討，以彌補(bǔ)不足，并供參考.

1 微波

微波是波長在1 m～1 mm之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱.我們著重介紹微波的熱效應(yīng)及其在包裝印刷上的應(yīng)用.

微波對生物體的熱效應(yīng)是指由微波引起的生物組織或系統(tǒng)受熱而對生物體產(chǎn)生的生理影響.熱效應(yīng)主要是生物體內(nèi)有極分子在微波高頻電場的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動而摩擦生熱；體內(nèi)離子在微波作用下振動也會將振動能量轉(zhuǎn)化為熱量；一般分子也會吸收微波能量后使熱運(yùn)動能量增加.

利用微波的熱效應(yīng)可以使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化和膨化等一系列物化過程從而達(dá)到微波加熱干燥的目的.例如，印刷用紙需要紙張含水量適度，過干或過濕都不利于印刷.紙張含水在15%～20%的情況下采用微波干燥比通常的蒸氣干燥效果好.由于微波的自動平衡作用，能使整個紙張達(dá)到濕度非常均勻的水平，不易出現(xiàn)過度干燥.可使紙張的物理性能、強(qiáng)度、印刷適性等均較好.

在印刷包裝方面，微波在紙板及幾層粘合的紙張烘干方面效果良好，3～5 min即可達(dá)到干燥的質(zhì)量要求，層與層之間粘合牢固、無起層現(xiàn)象；便于實現(xiàn)流水生產(chǎn)，改善勞動條件，提高生產(chǎn)質(zhì)量[2].

微波還可以殺菌.微波殺菌是電磁場的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)共同作用的結(jié)果.微波對細(xì)菌的熱效應(yīng)是微波產(chǎn)生的熱使蛋白質(zhì)變化，從而使細(xì)菌失去營養(yǎng)、繁殖和生存的條件而死亡.微波對細(xì)菌的生物效應(yīng)是微波電場改變細(xì)胞膜斷面的電勢分布，影響細(xì)胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細(xì)胞膜的通透性能，細(xì)菌因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡.此外，微波能使細(xì)菌正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)的若干氫鍵松弛、斷裂和重組，從而誘發(fā)遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂.

微波加熱、殺菌技術(shù)應(yīng)用于印刷包裝行業(yè)，是一種有效的防蟲害、防霉菌包裝技術(shù).

2 紅外線

紅外線是電磁光譜中波長0.6 mm～760 nm的一段.我們著重介紹紅外線的熱效應(yīng)及其在包裝印刷上的應(yīng)用.

紅外線具有明顯的熱效應(yīng).一切物體都在不停地輻射紅外線.物體的溫度越高，輻射的紅外線就越多.紅外線照射到物體上最明顯的效果就是產(chǎn)生熱效應(yīng).當(dāng)紅外線投射到物體上時，如果物體中存在兩個間隔為E的能級，當(dāng)紅外光子的能量hν=E時，光子就可能被吸收.在宏觀上吸收表現(xiàn)為紅外線的熱效應(yīng).所以現(xiàn)代物理學(xué)稱紅外線為熱射線.

物體吸收紅外線后，轉(zhuǎn)化成能量，溫度升高，這是紅外加熱的原理.如果物體足夠厚，紅外線的透入率又很高，可使物體內(nèi)部溫度高于表面溫度，從而導(dǎo)致很大的溫度差.大的溫度差變化可以激發(fā)質(zhì)量的遷移，使物體內(nèi)的水分蒸發(fā)，這就是紅外干燥的機(jī)理.

紅外加熱、紅外干燥的加熱方式為內(nèi)外同熱，能在很短時間內(nèi)達(dá)到所要求的溫度，且能按規(guī)定的程序控制加熱過程，易于實現(xiàn)自動化.

紅外加熱與紅外干燥技術(shù)應(yīng)用于印刷包裝行業(yè)，輻照50 s就可以消滅包裝件表層的害蟲或霉菌，是一種有效的防蟲害、防霉菌包裝技術(shù).

我們知道，通常液體的黏度隨著溫度的升高而減小.利用紅外測溫計測油墨的溫度，可方便準(zhǔn)確地掌握油墨的黏度和流變性.

紅外線通過如氯化鈉或鍺等材料特制的透鏡或棱鏡成像或色散，可使特制的底片感光，并通過“圖像變換器”轉(zhuǎn)變成可見的像.紅外照相就是按此原理制成的[3].

3 紫外線

紫外線是波長在400 ～10 nm的電磁波.我們著重介紹紫外線的光化學(xué)效應(yīng)、熒光效應(yīng)和生理效應(yīng)及其在包裝印刷上的應(yīng)用.

(1)紫外線的光化學(xué)效應(yīng).波長在200～400 nm的紫外線的能量(3～6 eV)正是許多物質(zhì)(化學(xué)鍵能也在3～6 eV的范圍內(nèi))吸收后產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)所需的能量.尤其是短波紫外線的光子能量較大，對光化學(xué)反應(yīng)特別有效，能直接引起一些物質(zhì)的化合和分解.紫外線能夠使含有溴化銀的照相底片感光就是其光化學(xué)作用的體現(xiàn).

印刷制版和曬版新工藝采用重氮鹽感光性樹脂制成PS版，其感光過程實質(zhì)就是一個紫外線光化學(xué)效應(yīng)過程，即當(dāng)重氮基團(tuán)受到紫外線照射后，感光劑迅速分解并放出氮氣.分子的其他部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)重排而生成易溶于堿水的羧酸衍生物.根據(jù)曝光后版面溶解性的不同，就很容易地把紫外線照射的非圖像部分經(jīng)過顯影而除掉.版面上僅留下有圖像的部分，構(gòu)成印刷版材[4].

(2)紫外線的熒光效應(yīng).所以當(dāng)紫外線照射到很多物質(zhì)上時使其分子受激而發(fā)出熒光.這些物質(zhì)輻射熒光的現(xiàn)象就稱為紫外線的熒光效應(yīng).

在機(jī)械制造(包括印刷機(jī)械制造)工業(yè)中，以前對零件的探傷常采用超聲波或X光等方法，但都不如用熒光方法簡便.熒光探傷就是把被檢測的零件在熒光物質(zhì)的溶液中浸泡一定時間，取出后用毛刷把零件表面的熒光物質(zhì)刷掉，由于浸入零件裂縫中的熒光物質(zhì)不可能被刷掉，經(jīng)過這樣處理的零件放入暗室里，用不透明玻殼的紫外線高壓汞燈照射零件表面，殘存在裂縫內(nèi)部的熒光物質(zhì)發(fā)射出熒光來，就可以找出有傷痕的零件.

另外，對于一些特殊的印刷品(例如文件、紙幣、證件、郵票、歷史文物和書畫等)，借助熒光分析可以辨別其真?zhèn)?

(3)紫外線的生理效應(yīng).當(dāng)紫外線照射人體或生物體后，使人體或生物體發(fā)生生理變化，如紫外線對血色有益，能殺菌、消毒.

細(xì)菌中的脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和核蛋白吸收紫外線的最強(qiáng)峰在254～257 nm.波長200～290 nm的紫外線能穿透細(xì)菌、病毒的細(xì)胞膜，細(xì)菌吸收紫外線后，引起DNA鏈斷裂，造成核酸和蛋白的交聯(lián)破裂，殺滅核酸的生物活性，致細(xì)菌死亡.

紫外線應(yīng)用于印刷包裝行業(yè)，用其照射包裝材料和被包裝產(chǎn)品，屬于防蟲害、防霉菌，具有快速、高效、無污染的滅蟲、殺菌效果.

紫外線還有固化油墨的作用：在紫外線照射下，能夠快速干燥油墨，使之短時間內(nèi)從液態(tài)變成固態(tài).

4 X射線

X射線是波長范圍在0.01～1.0 nm的電磁波.現(xiàn)主要介紹X射線殺蟲機(jī)理、防蟲害包裝和X射線印刷.

X射線是原子內(nèi)層電子躍遷發(fā)出的輻射，輻射波長短(0.01～1.0 nm)，能量高(1～100 eV)，具有很高的穿透本領(lǐng)，能透過許多對可見光不透明的物質(zhì)，如上千頁的書、2～3 cm的木板、3.5 mm厚的鋁板、0.018 mm厚的鉑板等.各種物質(zhì)對X射線的吸收不一樣，因此X射線一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即得到應(yīng)用，例如醫(yī)院中的透視、拍片.在機(jī)械制造(包括印刷機(jī)械制造)工業(yè)中，常采用X光對機(jī)械零件進(jìn)行探傷等[5].

X射線的直接作用是在生物體中被吸收時，射線作用于具有生物活性的大分子，如核酸、蛋白質(zhì)(包括酶類)等，使其發(fā)生電離、激發(fā)或化學(xué)鍵的斷裂，造成分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變，從而引起功能和代謝的障礙.實驗證明，輻射可引起DNA的斷裂、解聚、合成障礙等，此外還可引起某些酶的活性降低.

X射線的間接作用是射線作用于體液的水分子，引起水分子的電離和激發(fā)，形成化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷囊幌盗挟a(chǎn)物,繼而作用于生物大分子引起損傷.由于機(jī)體的多數(shù)細(xì)胞含水量很高，一般達(dá)70%以上，所以有機(jī)分子的輻射損傷幾乎全是由水的輻射分解產(chǎn)物自由基的作用而引起的[6].

印刷包裝中利用X射線的對生物體的直接作用和間接作用，使害蟲死亡或者不孕，從而達(dá)到防蟲害的目的，稱為防蟲害包裝技術(shù).

X射線印刷是用陰影印刷復(fù)制圖形的一種技術(shù).所需的圖形在掩模上產(chǎn)生，而掩模在涂鍍靈敏材料(感光性樹脂)的晶片前精確定位.X射線照射掩模在晶片上投下一個陰影，從而將圖形由掩模傳送到晶片上.X射線波長較短，因而可以得到較高的分辨率.這一方法現(xiàn)在正發(fā)展為一門新技術(shù)，用于生產(chǎn)下一代微芯片和組件.

X射線印刷除了用于制造微電路元件外，也可用于制造很小的機(jī)械零件，可直接使用曝光過或顯影過的光刻膠，也可用模子來生產(chǎn)另一種材料(陶瓷或金屬)的元件[7].

5 γ射線

γ射線是波長λ≤0.01 nm的電磁波，又稱γ光子.現(xiàn)主要介紹γ射線在包裝印刷上的一些應(yīng)用.

γ射線有很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，工業(yè)中可用來探傷、研究機(jī)械磨損、測量物體的厚度或密度、實現(xiàn)流水線的自動控制[8].

由于各種物質(zhì)對γ射線都有一定的吸收作用，因而可以根據(jù)探測器所測得的γ射線的強(qiáng)度確定γ射線在物質(zhì)中穿越的距離.將放射源和探測器分別放在待測樣品的兩側(cè)，可立即測出金屬板(片)、紙張、塑料板(膜)等樣品的厚度.還可以將探測器所接收到的輻射信號加以放大，用以控制壓輥的間隙，實現(xiàn)厚度的自動控制[9].

利用γ射線照射包裝的商品是印刷包裝防蟲害、防霉腐包裝技術(shù)之一.

生物體受到γ射線照射時，γ射線可以進(jìn)入到生物體的內(nèi)部，并與體內(nèi)細(xì)胞發(fā)生電離作用.電離產(chǎn)生的離子能侵蝕復(fù)雜的有機(jī)分子，如蛋白質(zhì)、核酸和酶，它們都是構(gòu)成活細(xì)胞組織的主要成份，一旦遭到破壞，就會導(dǎo)致生物體內(nèi)的正?；瘜W(xué)過程受到干擾，嚴(yán)重的可以使細(xì)胞死亡.

通過γ射線作用于害蟲的機(jī)體，利用γ射線的殺傷能力破壞害蟲的生理機(jī)能和機(jī)體結(jié)構(gòu)，劣化害蟲的生活條件，促使害蟲死亡或抑制害蟲繁殖，從而達(dá)到防蟲害的目的.

包裝的商品經(jīng)過γ射線輻射后即完成了消毒滅菌作用，既簡便又不會改變受消毒物品的形態(tài).經(jīng)照射后，如果不再污染，配合冷藏條件，小劑量輻射能延長保存數(shù)周到數(shù)月.大劑量輻射可徹底滅菌，長期保存.

γ射線的直接作用是當(dāng)γ射線通過微生物時能使微生物內(nèi)部成分分解而引起誘變或死亡.其間接作用是使水分子離解成為自由基，自由基與液體中溶解的氧作用產(chǎn)生強(qiáng)氧化基團(tuán)，此基團(tuán)使微生物酶蛋白的-SH基氧化，酶失去活性，因而使其誘變而死亡.用γ射線殺菌滅蟲，照射不會引起物體升溫，故稱其為冷殺菌.

物理是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，物理課更重要的是為學(xué)生打好堅實的知識上、思想上、方法上的基礎(chǔ). 對于以上物理學(xué)在印刷上的應(yīng)用內(nèi)容的補(bǔ)充，為學(xué)生提供了一些“看得見、摸得著”的實際應(yīng)用的例子，使學(xué)生感覺得到物理學(xué)離印刷很近，這對提高印刷專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣起到了一定的作用.

參考文獻(xiàn)

1 尹國盛,等.大學(xué)物理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.152

2 曹茂盛,等.物理學(xué)與現(xiàn)代工程技術(shù). 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.82

3 復(fù)旦大學(xué),等.物理學(xué)，電磁學(xué).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.349

4 任靜,等.紫外線技術(shù)及其應(yīng)用.現(xiàn)代物理知識，2001(6)： 32

5 顧建中.原子物理學(xué).北京：高等教育出版社，1986.11

6 劉東華,等.神奇的外科手術(shù)刀——γ刀與X刀.現(xiàn)代物理知識，2005(5)：29

7 朱愛民.加速器的應(yīng)用.現(xiàn)代物理知識，1996(3)：16

8 褚圣麟.原子核物理學(xué)導(dǎo)論.北京：高等教育出版社，1987.147～148

9 劉克哲.物理學(xué)(第二版下卷).北京：高等教育出版社，1999.713