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        電磁波譜在印刷行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用*①

        2011-03-19 22:03:43韓春柏
        物理通報(bào) 2011年12期
        關(guān)鍵詞:防蟲熱效應(yīng)紅外線

        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(guó)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(shí)候,僅對(duì)電磁波按波長(zhǎng)(或頻率)劃分為若干個(gè)波段簡(jiǎn)單介紹一下,即無(wú)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(zhǎng))不同,而呈現(xiàn)不同的特征[1].這對(duì)于一般的理工類專業(yè)而言,是可行的;但對(duì)于印刷專業(yè)來(lái)說(shuō),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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)的作用下反復(fù)快速取向轉(zhuǎn)動(dòng)而摩擦生熱;體內(nèi)離子在微波作用下振動(dòng)也會(huì)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱量;一般分子也會(huì)吸收微波能量后使熱運(yùn)動(dòng)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(guò)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(guò)干或過(guò)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(dòng)平衡作用,能使整個(gè)紙張達(dá)到濕度非常均勻的水平,不易出現(xiàn)過(guò)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(wú)起層現(xiàn)象;便于實(shí)現(xiàn)流水生產(chǎn),改善勞動(dòng)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(chǎng)的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)共同作用的結(jié)果.微波對(duì)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(yíng)養(yǎng)、繁殖和生存的條件而死亡.微波對(duì)細(xì)菌的生物效應(yīng)是微波電場(chǎng)改變細(xì)胞膜斷面的電勢(shì)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(yíng)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(zhǎng)發(fā)育受到抑制而死亡.此外,微波能使細(xì)菌正常生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí),如果物體中存在兩個(gè)間隔為E的能級(jí),當(dāng)紅外光子的能量hν=E時(shí),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(shí)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(guò)程,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)溫計(jì)測(cè)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(guò)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(guò)“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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(guò)程實(shí)質(zhì)就是一個(gè)紫外線光化學(xué)效應(yīng)過(guò)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?dú)?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(guò)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(shí)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(duì)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(jiǎn)便.熒光探傷就是把被檢測(cè)的零件在熒光物質(zhì)的溶液中浸泡一定時(shí)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(guò)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(lái),就可以找出有傷痕的零件.

        另外,對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(wú)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(shí)間內(nèi)從液態(tài)變成固態(tài).

        4 X射線

        X射線是波長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)許多對(duì)可見光不透明的物質(zhì),如上千頁(yè)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(duì)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(duì)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(shí),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(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)陰影,從而將圖形由掩模傳送到晶片上.X射線波長(zhǎng)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(guò)或顯影過(guò)的光刻膠,也可用模子來(lái)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(zhǎng)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(lái)探傷、研究機(jī)械磨損、測(cè)量物體的厚度或密度、實(shí)現(xiàn)流水線的自動(dòng)控制[8].

        由于各種物質(zhì)對(duì)γ射線都有一定的吸收作用,因而可以根據(jù)探測(cè)器所測(cè)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(cè)器分別放在待測(cè)樣品的兩側(cè),可立即測(cè)出金屬板(片)、紙張、塑料板(膜)等樣品的厚度.還可以將探測(cè)器所接收到的輻射信號(hào)加以放大,用以控制壓輥的間隙,實(shí)現(xiàn)厚度的自動(dòng)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(shí),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(huì)導(dǎo)致生物體內(nèi)的正?;瘜W(xué)過(guò)程受到干擾,嚴(yán)重的可以使細(xì)胞死亡.

        通過(guò)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(guò)γ射線輻射后即完成了消毒滅菌作用,既簡(jiǎn)便又不會(huì)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(zhǎng)保存數(shù)周到數(shù)月.大劑量輻射可徹底滅菌,長(zhǎng)期保存.

        γ射線的直接作用是當(dāng)γ射線通過(guò)微生物時(shí)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(huì)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(jiān)實(shí)的知識(shí)上、思想上、方法上的基礎(chǔ). 對(duì)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(shí)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(duì)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(guó)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:上海科學(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(shí),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(shí),2005(5):29

        7 朱愛民.加速器的應(yīng)用.現(xiàn)代物理知識(shí),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

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