熱轉(zhuǎn)移印刷中油墨轉(zhuǎn)移滲透理論的研究

李思慧 錢軍浩

(江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫，214122)

熱轉(zhuǎn)移印刷品質(zhì)量不僅與印刷壓力、熱打印頭溫度、印刷操作環(huán)境等因素有關(guān)，還與承印物對油墨的吸收性能密切相關(guān)。紙張是多孔性材料，可吸收水或其他溶劑。印刷過程中，紙張的吸收性是指其對油墨中溶劑及連接料等的吸收性能。通過對印刷適性進行理論研究可知，紙張對油墨的吸收性能是由紙張的多孔性和油墨的滲透性決定的。

在熱轉(zhuǎn)移印刷中，如果承印紙張對油墨的吸收性過小，油墨從熱轉(zhuǎn)印紙轉(zhuǎn)移到承印紙張后固著干燥結(jié)膜很慢，容易造成印刷品蹭臟;而如果承印紙張對油墨的吸收性過大，會導(dǎo)致油墨中大部分連接料被紙張吸收，油墨中顏料的濃度達到過飽和狀態(tài)，影響油墨的流平性，造成墨跡不牢、起粉、透印、印刷品顏色暗淡無光澤等弊病。因此，對熱轉(zhuǎn)移印刷過程中承印紙張的吸收性以及油墨的滲透性的研究，對提高熱轉(zhuǎn)移印刷品的質(zhì)量具有重要意義。

1 熱轉(zhuǎn)移印刷中油墨的轉(zhuǎn)移

通常，研究過程中所提的油墨轉(zhuǎn)移過程就是指油墨從印版到承印物的轉(zhuǎn)移過程。由于熱轉(zhuǎn)移印刷屬于間接式印刷，不能通過一個步驟完成油墨的轉(zhuǎn)移，因此需要將熱轉(zhuǎn)移印刷過程中油墨的轉(zhuǎn)移過程分為2個步驟:①油墨從印版到熱轉(zhuǎn)印紙的轉(zhuǎn)移過程;②油墨從熱轉(zhuǎn)印紙到承印物的轉(zhuǎn)移過程。

最佳的印刷效果是使印版上的網(wǎng)點盡可能完全傳遞到紙張上，但在熱轉(zhuǎn)移印刷轉(zhuǎn)移過程的2次網(wǎng)點傳遞過程中，不可避免地存在網(wǎng)點大小和形狀的變化。網(wǎng)點大小和形狀的變化必然會引起階調(diào)、顏色和清晰度的變化，影響印刷品的質(zhì)量。

1.1 熱轉(zhuǎn)移印刷的油墨轉(zhuǎn)移率

印刷中通常所說的油墨轉(zhuǎn)移率是指轉(zhuǎn)移到承印材料表面的油墨量與涂敷在印版上的油墨量之比。本研究中，定義轉(zhuǎn)移到承印材料表面的油墨量與熱轉(zhuǎn)印紙上的油墨量之比為熱轉(zhuǎn)移印刷的油墨轉(zhuǎn)移率，用f表示;設(shè)Gp為熱轉(zhuǎn)印紙單位面積內(nèi)的油墨量(g/m2)，Gq為經(jīng)熱轉(zhuǎn)移印刷后，承印物單位面積內(nèi)獲得的油墨量，因此熱轉(zhuǎn)移印刷的油墨轉(zhuǎn)移率為:

熱轉(zhuǎn)移印刷油墨轉(zhuǎn)移率的大小與印刷壓力、熱打印頭溫度、承印物、熱轉(zhuǎn)印紙以及油墨的印刷適性等諸多因素有關(guān)。從印刷工藝角度看，希望熱轉(zhuǎn)印紙上的圖文全轉(zhuǎn)移到承印物上，而實際上不可能完成100%的轉(zhuǎn)移。為了得到較高的油墨轉(zhuǎn)移率，只能通過控制影響油墨轉(zhuǎn)移率的幾個重要因素，分析它們與油墨轉(zhuǎn)移率的關(guān)系，以在實際印刷中給予指導(dǎo)。

1.2 印刷壓力與熱轉(zhuǎn)移印刷油墨轉(zhuǎn)移率的關(guān)系

在印刷操作環(huán)境、熱打印頭溫度、油墨黏度等印刷參數(shù)一定的條件下，印刷壓力P與熱轉(zhuǎn)移印刷油墨轉(zhuǎn)移率f的關(guān)系如圖1所示，同時對不同印刷壓力下的油墨轉(zhuǎn)移率進行分析［1］。由圖1可知:

(1)AB段由于印刷壓力小，經(jīng)過加熱的油墨不能與承印紙張充分接觸，油墨轉(zhuǎn)移量少，因此印跡不完整。

(2)BC段中，油墨轉(zhuǎn)移率從B點開始隨印刷壓力的增大幾乎呈線性增大，印刷品質(zhì)量有所改善，但印跡仍有可能不實，而且此段印刷壓力的微小變化對印跡有較大影響。

(3)CD段(理想壓力段)為油墨轉(zhuǎn)移率最大的階段，且印刷壓力的微小變化對印跡影響較小，利于取得墨色均勻的印刷效果。

(4)D點以后，由于印刷壓力過大，網(wǎng)點會擴大變形，極易出現(xiàn)糊版現(xiàn)象，因此印刷品質(zhì)量較差。

1.3 熱打印頭溫度與熱轉(zhuǎn)移印刷油墨轉(zhuǎn)移率的關(guān)系

在印刷操作環(huán)境、印刷壓力、油墨黏度等印刷參數(shù)一定的條件下，熱打印頭溫度T與熱轉(zhuǎn)移印刷油墨轉(zhuǎn)移率f的關(guān)系如圖2所示［1］。由圖2可知:

(1)AB段由于熱打印頭溫度低，經(jīng)過加熱的油墨不能完全轉(zhuǎn)化為氣液狀態(tài)，油墨轉(zhuǎn)移量少，因此印跡不完整。

(2)BC段中，油墨轉(zhuǎn)移率隨熱打印頭溫度的升高幾乎呈線性增大，印刷品質(zhì)量有所改善，但印跡仍有不實，且此段熱打印頭溫度的微小變化對印跡有較大影響。

(3)CD段(理想溫度段)為油墨轉(zhuǎn)移率最大的階段，而且熱打印頭溫度的微小變化對印跡質(zhì)量影響較小，利于取得墨色均勻的印刷效果。

(4)D點以后，由于熱打印頭溫度過高，油墨轉(zhuǎn)移率并未有明顯提高，而且造成能源的浪費，給轉(zhuǎn)印后油墨的干燥帶來影響，印刷品質(zhì)量差。

2 熱轉(zhuǎn)移印刷中油墨的滲透

很多學(xué)者對印刷過程中油墨的滲透都進行了深入的研究與分析。筆者將通過2個理論模型來著重探討熱轉(zhuǎn)移印刷中油墨的滲透現(xiàn)象。

2.1 Kubelka-Munk理論

Kubelka-Munk理論在印刷行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。通過對印刷品在不同條件下的光反射率分析，并結(jié)合Kubelka-Munk方程，可以得到油墨滲透深度，從而實現(xiàn)Kubelka-Munk理論在油墨滲透規(guī)律研究中的應(yīng)用。

利用油墨滲透模型以及 Kubelka-Munk理論［2］，可以得出如下關(guān)系:

式中，S為光散射系數(shù)，H為未印刷紙張厚度，h為油墨滲透深度，R∞為紙張的本征反射率，R為單張紙覆蓋在印刷品表面上時測得的反射率，Rp為印刷后的紙張正面襯以不透明紙墊時測得的反射率，Rq為印刷后的紙張背面襯以不透明紙墊時測得的反射率。其中，B、Bq、Bp是為計算方便設(shè)定的變量，無實際意義。

利用式(2)和式(4)可以得到油墨滲透深度h與紙張厚度H之比:

R由Kubelka-Munk理論(R0為印刷后紙張反射率)可以表示為:

應(yīng)用Kubelka-Munk理論，通過測量印刷品的各種反射率，可以推導(dǎo)并計算出平均油墨滲透深度h:

2.2 動態(tài)接觸角理論

油墨的轉(zhuǎn)移滲透有2個階段:①加壓滲透，這是由于印刷壓力的作用，油墨被壓入承印紙張的較大孔隙中;②自由滲透，這是由于當(dāng)承印紙張通過壓印區(qū)之后，印刷壓力消失，油墨主要依賴于紙張毛細管作用滲透。

在熱轉(zhuǎn)移印刷過程中，當(dāng)承印紙張進入熱轉(zhuǎn)印機的壓印區(qū)時，油墨已經(jīng)通過熱打印頭的高溫加熱轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖夯旌蠎B(tài)，接觸到承印紙張后，溫度有所下降，油墨會從氣液混合態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，然后通過自由滲透作用進入承印紙張。

2.2.1 經(jīng)典油墨滲透模型

在加壓滲透階段，油墨滲透深度與印刷壓力P和壓印時間t1有關(guān)，考慮到這2個因素后，油墨滲透深度可通過Olsson公式計算［1］:

式中，h1為加壓滲透階段的油墨滲透深度，r為紙張毛細管半徑，t1為壓印時間，η為動力黏度。

在自由滲透階段，主要考慮承印紙張的毛細管作用。當(dāng)毛細管作用力與重力、黏性力以及慣性力達到平衡狀態(tài)時，可以得到［3］:

式中，dh2/dt2為油墨的滲透速率v，h2為自由滲透階段的油墨滲透深度，t2為滲透時間，σ為流體的表面張力，g為重力加速度，θ為接觸角，ρ為油墨密度。

對于毛細管上升，慣性的影響通?？梢院雎圆挥?，而黏性力占主導(dǎo)地位，因此式(9)可簡化為:

由于一般情況下毛細管中液體慣性力很小，液體高度較低，若忽略重力與慣性力，同時對式(10)進行積分，即得到經(jīng)典的Lucas-Washburn方程:

式(11)表明，在毛細管上升初期自由滲透深度h2與滲透時間的平方根成正比。由式(8)和式(11)可以得到總的油墨滲透深度h:

印刷油墨滲透深度公式是由2個經(jīng)典印刷滲透模型得出，并對毛細管模型加以簡化，由于承印紙張的毛細管半徑分布極不均勻且很難測量，同時在熱轉(zhuǎn)移印刷中由于溫度的影響，各參數(shù)值可能會產(chǎn)生變化，因此公式的準確性和實用性受到限制。為了對上述公式的實用性進行改善，下面將引入新的易測量變量。

2.2.2 引入孔滲比的油墨滲透模型

設(shè)油墨流體流量為Q，紙張端面進墨面積為A，有效過墨面積為Ac，紙張孔隙度為φ，油墨在紙張中的滲透率為k，則由Ac=φA可以得到［4］:

同時根據(jù)達西定理可以得到油墨流體流量Q 為［5］:

結(jié)合式(13)和式(14)可得:

對上式兩邊同時積分后可得:

根據(jù)上述分析，此處可用孔滲比k/φ來代替毛細管半徑r，由此得到總的油墨滲透深度公式為:

式(17)通過引入了孔滲比克服了紙張毛細管半徑不易測量這一問題，為熱轉(zhuǎn)移印刷中油墨滲透深度的研究提供了更為準確的模型。在今后的實際操作中，可以通過利用已知的相關(guān)數(shù)據(jù)，進行熱轉(zhuǎn)移印刷品質(zhì)量的預(yù)測［6］。

本研究還分析了熱轉(zhuǎn)移印刷中，式(17)中各變量與油墨滲透深度的關(guān)系。選取定量為300 g/m2、規(guī)格為300 mm×50 mm的銅版紙進行實驗。根據(jù)圖1，應(yīng)選取理想壓力段內(nèi)的印刷壓力以得到高的油墨轉(zhuǎn)移率，查閱資料得到銅版紙的理想壓力范圍是15～30 kPa［1］。根據(jù)實際操作經(jīng)驗，轉(zhuǎn)印溫度在 90～130℃這一范圍內(nèi)時，油墨轉(zhuǎn)移率最高，即對應(yīng)圖2中的理想溫度段，為了確保實驗過程中各變量不受溫度影響，取熱轉(zhuǎn)印溫度110℃進行以下實驗。從文獻［4］中查詢選定紙張的孔滲比k/φ=0.00845，在油墨黏度5.3 Pa·s、印刷壓力28 kPa的條件下，可得到壓印時間和滲透時間與油墨滲透深度的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，壓印時間t1和滲透時間t2與油墨滲透深度呈指數(shù)關(guān)系。從圖3(a)可以看出，當(dāng)t1＞0.06 s時，油墨滲透深度的增幅變小;圖3(b)顯示，當(dāng)t2＞0.8 s時，油墨滲透深度的增幅變小。

取壓印時間t1=0.04 s、滲透時間 t2=0.2 s、孔滲比 k/φ =0.00845，分別在油墨黏度 2 ～10 Pa·s、印刷壓力15～30 kPa的條件下，得到油墨滲透深度，擬合得到的關(guān)系曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4表明，隨油墨黏度的增大，油墨滲透深度逐漸降低。為了保證印刷品質(zhì)量，要控制熱轉(zhuǎn)移印刷所用油墨的黏度為3～8 Pa·s。

從圖5可以看出，印刷壓力與油墨滲透深度呈線性關(guān)系，一般控制印刷壓力不超過40 kPa。

當(dāng)印刷壓力28 kPa、油墨黏度5.3 Pa·s、壓印時間0.04 s、滲透時間0.2 s時，查詢不同承印紙張的孔滲比，得到油墨滲透深度，擬合關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6表明，孔滲比與油墨滲透深度也呈指數(shù)關(guān)系，但隨孔滲比的增大，油墨滲透深度的增幅變小。上述分析充分表明式(17)中各變量與油墨滲透深度的關(guān)系，為今后熱轉(zhuǎn)移印刷的實際操作起到一定的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)語

主要研究了熱轉(zhuǎn)移印刷中油墨的轉(zhuǎn)移及滲透理論，分析了印刷壓力和熱打印頭溫度對油墨轉(zhuǎn)移率的影響，利用Kubelka-Munk理論及紙張毛細管特性原理研究了油墨滲透問題，并通過引入孔滲比的油墨滲透模型，克服了紙張毛細管半徑不易測量的問題，在一定程度上為提高熱轉(zhuǎn)移印刷的質(zhì)量提供了理論依據(jù)。但實際上熱轉(zhuǎn)移印刷過程中油墨在承印紙張中的轉(zhuǎn)移滲透問題是非常復(fù)雜的，不同類型的油墨和承印紙張，在力學(xué)等方面的特性也不盡相同。目前，還有待于建立統(tǒng)一的模型，以利于研究油墨的轉(zhuǎn)移和滲透。

［1］馮瑞乾.印刷工藝及原理［M］.北京:印刷工業(yè)出版，1999.

［2］張逸新.數(shù)字印刷原理與工藝［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2007.

［3］Martic G，Coninck J，Blake T D.Influence of the dynamic contact angle on the characterization of porous media［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2003，263(1):213.

［4］劉福平，齊曉堃，王安玲.紙張毛細管半徑測量的新方法［J］.中國造紙學(xué)報，2006，21(4):81.

［5］Brakel J van，Heertije P M.The influence of the contact angle on the wetting of porous media［J］.DataCrítica，1978(11):81.

［6］劉福平，齊曉堃.印刷過程中油墨滲透深度的計算與實驗研究［J］.包裝工程，2006，27(2):71.