絲網(wǎng)印刷及表面科學(xué)問題探討

文 孫加振 魏先福 黃蓓青

絲網(wǎng)印刷技術(shù)作為四大印刷方式之一，以其可控的油墨墨層實(shí)現(xiàn)圖像原稿再現(xiàn)，墨層厚度范圍可從1μm到300μm，且承印尺寸范圍可在幾微米到幾平方米之間，承印物范圍廣泛，甚至承印材料呈液體或懸浮于液體中。以往大量的研究都很好地講述了平版印刷、凹版印刷、凸版印刷的表面科學(xué)問題，但很少有關(guān)于絲網(wǎng)印刷的表面科學(xué)問題分析。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為根據(jù)絲網(wǎng)印刷工藝的特征對表面科學(xué)問題進(jìn)行分析很大程度上已經(jīng)是一件可有可無的事情，但是，隨著印刷技術(shù)發(fā)展以及與科學(xué)研究結(jié)合的需要，在絲網(wǎng)印刷工藝過程中探究相關(guān)的表面科學(xué)問題也就逐漸顯現(xiàn)出了其關(guān)鍵性。本文將根據(jù)絲網(wǎng)印刷工藝自身的特點(diǎn)，從表面科學(xué)問題的角度展開對絲網(wǎng)印刷工藝的一個(gè)初步討論，從而方便行業(yè)內(nèi)相關(guān)人員更好的了解和使用絲網(wǎng)印刷并認(rèn)識表面科學(xué)問題在絲網(wǎng)印刷應(yīng)用中的關(guān)鍵作用，為絲網(wǎng)印刷的綠色化、功能化道路提供有意義的參考資料。

絲網(wǎng)印刷發(fā)展

絲網(wǎng)印刷最早起源于中國，距現(xiàn)在已有2000多年的歷史了。早在我國秦漢時(shí)期就出現(xiàn)了夾頡印花方法，長沙馬王堆出土的畫卷，就是西漢時(shí)期的網(wǎng)印品，東漢時(shí)期的夾頡臘染產(chǎn)品開始流行。國外許多研究網(wǎng)印的學(xué)者不得不承認(rèn)，絲網(wǎng)印刷是中國的一項(xiàng)發(fā)明。可惜的是，長期的中國封建社會桎梏了生產(chǎn)力，限制了絲網(wǎng)印刷技術(shù)的發(fā)展，特別是在以利用感光膠制網(wǎng)版為標(biāo)志的現(xiàn)代絲網(wǎng)印刷中，中國落后了。在歐洲，到了18世紀(jì)左右，模版——漏空版已大量地用于墻壁紙的生產(chǎn)。1905年英國的薩姆埃魯·希文研究出了使用絲綢網(wǎng)的印刷方法，并取得了專利。這種方法，傳到美國后，一個(gè)叫瓊·布魯斯瓦斯的人對此又作了改進(jìn)，研究出了用一張絲網(wǎng)進(jìn)行多色印刷的方法，用于印制招牌。此后，網(wǎng)印技術(shù)便獲得了飛速發(fā)展，在商業(yè)印刷中也被大量使用。近代以來，網(wǎng)版印用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，在紡織、陶瓷、容器、標(biāo)牌、廣告及厚膜超集成線路和薄膜超導(dǎo)材料等的印刷方面都有應(yīng)用。

絲網(wǎng)印刷原理

絲網(wǎng)印刷是將絲織物、合成纖維或金屬絲網(wǎng)繃在木質(zhì)或金屬網(wǎng)框上，采用手工描繪雕刻或利用感光材料通過光化學(xué)的方法制成絲網(wǎng)印版。絲網(wǎng)印版的圖像部分網(wǎng)孔能夠透過油墨，在印刷過程中，通過刮板的擠壓作用，油墨漏印至承印物上形成圖文部分；印版上其余部分的網(wǎng)孔在制版過程中被堵死，不能透過油墨，在承印物上形成空白部分，完成油墨的轉(zhuǎn)移。

圖1 絲網(wǎng)印刷原理圖

絲網(wǎng)印刷印版

了解了網(wǎng)版印刷的基本原理，就不難明白網(wǎng)印的制版原理。簡單來說就是在絲網(wǎng)上形成能透過油墨的圖文部分和不能夠透過油墨的空白部分，印刷時(shí)，油墨在刮板的作用下，漏印至承印物上形成墨跡。

普遍使用的是感光制版法，首先是在繃好的絲網(wǎng)上涂布感光膠，形成感光版膜，然后利用感光材料的光硬化性，將陽圖底版密合在版膜上曬版，經(jīng)紫外線曝光、顯影、沖洗得到絲網(wǎng)印版。由于印版上的圖文部分不受光照射，感光膠膜可溶于水，沖洗后印版上只有絲網(wǎng)，形成通透的部分，印刷時(shí)能透過油墨，在承印物上形成墨跡，得到圖文。印版上受光的部分感光膠硬化，不能溶于水，形成固化版膜，將網(wǎng)孔封住，印刷時(shí)油墨不能透過，就形成了空白部分。

圖3 絲網(wǎng)印刷印版

絲網(wǎng)印刷油墨

絲網(wǎng)印刷要注意控制油墨流動性，流動性大印跡容易擴(kuò)大；流動性小，印跡易結(jié)網(wǎng)（網(wǎng)點(diǎn)交織的結(jié)點(diǎn)），出現(xiàn)結(jié)墨現(xiàn)象（亦稱網(wǎng)紋），一般以30mm～50mm為宜。流動性即流平性，是油墨在外力作用下向四周展開的程度，與油墨的塑性和觸變性都有關(guān)系，塑性和觸變性大，流動性就小；反之流動性則大。觸變性是油墨溶膠和凝膠的互換現(xiàn)象，油墨靜止一定時(shí)間后變稠，粘度變大，攪動后變稀，粘度又變小，有利于保證其保真性。可塑性是指油墨受外力作用發(fā)生變形后，仍保持其變形前的性質(zhì)。油墨的可塑性有利于提高印刷精度。另外，粘度直接影響著油墨轉(zhuǎn)移性和印品質(zhì)量，水性油墨粘度過低會造成色淺、網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大、傳墨不均勻等弊病；粘度過高，油墨轉(zhuǎn)移性能較差，易出現(xiàn)臟版、糊版等現(xiàn)象。在印刷過程中對油墨粘度的控制是非常重要的，實(shí)際制備中油墨流變性與連接料、顏料用量、分散狀態(tài)及印刷溫濕度等有關(guān)。

表面科學(xué)問題

在絲網(wǎng)印刷中，不難看出包括油墨鋪展到印版、油墨通過印版網(wǎng)孔、油墨轉(zhuǎn)印到承印物上。實(shí)際上，任何一個(gè)固體表面都不可能是絕對光滑、均勻的，實(shí)際的表面都是有一定的粗糙度，因此必須考慮粗糙度對表面浸潤性的影響。目前，最普遍應(yīng)用于解釋液滴表觀接觸角與固體表面粗糙度之間聯(lián)系的是Wenzel和Cassie方程。下面從這個(gè)方面展開液體與固體之間的關(guān)系，從而可以對絲網(wǎng)印刷中油墨與印版之間的表面科學(xué)關(guān)系中的科學(xué)問題進(jìn)行探討。

Wenzel方程：早在1936年Wenzel就認(rèn)識到了粗糙度對固體表面浸潤性的影響，他認(rèn)為在Wenzel浸潤狀態(tài)時(shí)，液體和粗糙固體表面接觸的部分是完全浸潤的。考慮到粗糙度對表面浸潤性的影響，他將Young's方程修改為：

式中 r 定義為粗糙度，是指實(shí)際的固/液界面接觸面積與表觀固/液界面接觸面積之比(r≥1)，θr是粗糙表面的接觸角。

Wenzel方程表明，粗糙表面的存在使得實(shí)際上固/液的接觸面要大于表觀幾何上觀察到的面積，于是在幾何上增強(qiáng)了疏水性 (或親水性)。即：(a)θ<90°時(shí)，θr隨著表面粗糙度的增加而減小，表面變得更親水；(b)θ>90°時(shí)，θr隨著表面粗糙度的增加而變大，表面變得更疏水。

應(yīng)該指出的是，Wenzel方程只適用于熱力學(xué)穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但由于表面不均勻，液體在表面上展開時(shí)需要克服一系列由于起伏不平而造成的勢壘。當(dāng)液滴振動能小于這種勢壘時(shí)，液滴不能達(dá)到Wenzel方程所要求的熱力學(xué)平衡狀態(tài)而可能處于某種亞穩(wěn)平衡狀態(tài)。

Cassie-Baxter方程：Wenzel方程揭示了均相粗糙表面的表觀接觸角與本征接觸角之間的關(guān)系。當(dāng)固體表面由不同種類的化學(xué)物質(zhì)組成時(shí)，則不適用于此方程。Cassie和Baxter進(jìn)一步拓展了Wenzel的上述處理，提出可以將粗糙不均勻的固體表面設(shè)想為一個(gè)復(fù)合表面，即他們認(rèn)為液滴在粗糙表面上的接觸是一種復(fù)合接觸。當(dāng)固體表面的粗糙不均勻性表現(xiàn)為宏觀起伏到一定程度時(shí)，空氣就容易被水截留在固體表面的凹谷部位。在這種情況下，復(fù)合表面的表觀面積的成分也可用它們各占單位表觀面積的分?jǐn)?shù)f1和f2(f1+f2=1)來表示，它們相應(yīng)的本征接觸角用θ1和θ2來表示。一般地，描述復(fù)合表面的公式為：

此即 Cassie-Baxter方程。該方程也適用于具有多孔的物質(zhì)或粗糙至能截留空氣的表面。此時(shí)f2為多孔的分?jǐn)?shù)或截留空氣部分的表觀面積分?jǐn)?shù)，由于空氣對水的接觸角θ2=180°。因此，上式可以變?yōu)椋?/p>

上式中f1和f2分別表示固/水界面和水/氣界面所占的分?jǐn)?shù)(f1+f2=1)。但是，在上面方程中，對任意粗糙的表面來說，要準(zhǔn)確確定f1和f2的值是很困難的。實(shí)際上，常見的f1部分所表示的界面并非光滑平坦的表面，所以還需在上述的公式中引入粗糙度系數(shù)r來修正，則：

對于不同粗糙結(jié)構(gòu)的表面，粗糙系數(shù)r將取不同的數(shù)值。同時(shí)，從上述方程還可以看出，當(dāng)本征角大于90°時(shí)，表面粗糙度的增大將增大表觀接觸角的大小。這一點(diǎn)與Wenzel方程不同，因?yàn)榧词故潜菊鹘佑|角小于90°的平滑表面，也可以由于超疏水性的存在使得接觸角增加。

固體表面Wenzel和Cassie浸潤狀態(tài)之間的關(guān)系與轉(zhuǎn)變：

圖4 粗糙表面本征接觸角θ與表觀接觸角θr之間的余弦關(guān)系

對于不同粗糙度的表面，其本征接觸角θ與表觀接觸角θr之間的關(guān)系可以用上圖來表示，圖中同時(shí)給出了適用于Wenzel狀態(tài)與Cassie狀態(tài)的θ與θr之間的線性關(guān)系，這一關(guān)系與Shibuichi得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上圖所示相一致。Dettre和Johnson在總結(jié)Wenzel及Cassie方程的基礎(chǔ)上，通過模擬粗糙表面發(fā)現(xiàn)，表面的粗糙度因子存在一個(gè)臨界值，超出這一臨界值，固體的表面浸潤性會從適用于Wenzel方程變化到適用于Cassie方程。表面粗糙度越大，Cassie狀態(tài)和Wenzel狀態(tài)之間的能壘越高，Cassie狀態(tài)越穩(wěn)定。

圖5 粗糙表面本征接觸角θ與表觀接觸角θr之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

然而，對于具有同一粗糙度的表面，也可能有兩種浸潤狀態(tài)，即有Wenzel和Cassie兩個(gè)狀態(tài)的表觀接觸角，這樣就涉及到兩種浸潤狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變問題。

當(dāng)一個(gè)液滴在固體表面處于Cassie狀態(tài)，其接觸角符合Cassie方程時(shí)，在外界刺激如應(yīng)力、光、電、熱、磁等的作用下，其形貌將發(fā)生變化，液體將填滿粗糙固體表面的溝槽，同時(shí)導(dǎo)致固體表面失去疏水性，進(jìn)而其表觀接觸角也將由符合Cassie方程轉(zhuǎn)變成符合Wenzel方程。

當(dāng)浸潤性從Wenzel態(tài)向Cassie態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，其接觸角是增加的，并且其接觸角符合上文方程。通過聯(lián)合以上兩個(gè)方程可以得到臨界轉(zhuǎn)變角度θT1。

如果Young's接觸角θ<θT1，那么液體和固體接觸部分所包含的空氣是不穩(wěn)定的，浸潤性很容易從Cassie態(tài)轉(zhuǎn)變成Wenzel態(tài)。為了得到比較穩(wěn)定的束縛空氣層，固體表面必須足夠的疏水，臨界轉(zhuǎn)變角度必須足夠小，因?yàn)镃assie浸潤狀態(tài)只有在θ>θT1或cosθ<-1/r時(shí)是穩(wěn)定的。但是上述公式還只是經(jīng)驗(yàn)性和模型化的結(jié)果，因?yàn)楣腆w表面不一定符合公式所描述的情況，它與表面的形貌有關(guān)。

因此，本文通過對絲網(wǎng)印刷的介紹及現(xiàn)在廣泛使用表面科學(xué)探討方法，將絲網(wǎng)印刷與表面科學(xué)進(jìn)行了聯(lián)系。后可以對絲網(wǎng)印刷中的表面科學(xué)問題進(jìn)行分析，結(jié)合表面科學(xué)問題的探討，聯(lián)系絲網(wǎng)印刷中的表面性能要求，建立油墨、印版、外力之間的關(guān)系。從而，得出絲網(wǎng)印刷中油墨、印版在表面科學(xué)方面的關(guān)系式，了解、指導(dǎo)、完善絲網(wǎng)印刷。