李思慧 錢軍浩

(江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇無錫，214122)

熱轉移印刷品質量不僅與印刷壓力、熱打印頭溫度、印刷操作環(huán)境等因素有關，還與承印物對油墨的吸收性能密切相關。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。

在熱轉移印刷中，如果承印紙張對油墨的吸收性過小，油墨從熱轉印紙轉移到承印紙張后固著干燥結膜很慢，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，對提高熱轉移印刷品的質量具有重要意義。

1 熱轉移印刷中油墨的轉移

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

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，但在熱轉移印刷轉移過程的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、顏色和清晰度的變化，影響印刷品的質量。

1.1 熱轉移印刷的油墨轉移率

印刷中通常所說的油墨轉移率是指轉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，定義轉移到承印材料表面的油墨量與熱轉印紙上的油墨量之比為熱轉移印刷的油墨轉移率，用f表示;設Gp為熱轉印紙單位面積內的油墨量(g/m2)，Gq為經熱轉移印刷后，承印物單位面積內獲得的油墨量，因此熱轉移印刷的油墨轉移率為:

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

1.2 印刷壓力與熱轉移印刷油墨轉移率的關系

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與熱轉移印刷油墨轉移率f的關系如圖1所示，同時對不同印刷壓力下的油墨轉移率進行分析［1］。由圖1可知:

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

(2)BC段中，油墨轉移率從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，因此印刷品質量較差。

1.3 熱打印頭溫度與熱轉移印刷油墨轉移率的關系

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與熱轉移印刷油墨轉移率f的關系如圖2所示［1］。由圖2可知:

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

(2)BC段中，油墨轉移率隨熱打印頭溫度的升高幾乎呈線性增大，印刷品質量有所改善，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)為油墨轉移率最大的階段，而且熱打印頭溫度的微小變化對印跡質量影響較小，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，油墨轉移率并未有明顯提高，而且造成能源的浪費，給轉印后油墨的干燥帶來影響，印刷品質量差。

2 熱轉移印刷中油墨的滲透

很多學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)中有著廣泛的應用。通過對印刷品在不同條件下的光反射率分析，并結合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)律研究中的應用。

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

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:

應用Kubelka-Munk理論，通過測量印刷品的各種反射率，可以推導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。

在熱轉移印刷過程中，當承印紙張進入熱轉印機的壓印區(qū)時，油墨已經通過熱打印頭的高溫加熱轉變?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，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，同時在熱轉移印刷中由于溫度的影響，各參數(shù)值可能會產生變化，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數(shù)據(jù)，進行熱轉移印刷品質量的預測［6］。

本研究還分析了熱轉移印刷中，式(17)中各變量與油墨滲透深度的關系。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，應選取理想壓力段內的印刷壓力以得到高的油墨轉移率，查閱資料得到銅版紙的理想壓力范圍是15～30 kPa［1］。根據(jù)實際操作經驗，轉印溫度在 90～130℃這一范圍內時，油墨轉移率最高，即對應圖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系，結果如圖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)關系。從圖3(a)可以看出，當t1＞0.06 s時，油墨滲透深度的增幅變小;圖3(b)顯示，當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。為了保證印刷品質量，要控制熱轉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系，一般控制印刷壓力不超過40 kPa。

當印刷壓力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系，為今后熱轉移印刷的實際操作起到一定的指導作用。

3 結語

主要研究了熱轉移印刷中油墨的轉移及滲透理論，分析了印刷壓力和熱打印頭溫度對油墨轉移率的影響，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移印刷的質量提供了理論依據(jù)。但實際上熱轉移印刷過程中油墨在承印紙張中的轉移滲透問題是非常復雜的，不同類型的油墨和承印紙張，在力學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.