納米材料綠色制版技術(shù)的版材研究

周海華，劉云霞，宋延林

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

納米材料綠色制版技術(shù)的版材研究

周海華，劉云霞，宋延林

(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所，北京100190)

制版技術(shù)是印刷產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的印刷制版技術(shù)主要有激光照排制版技術(shù)和計(jì)算機(jī)直接制版技術(shù)。這兩項(xiàng)制版技術(shù)是基于感光成像原理，需要顯影、沖洗等化學(xué)處理過(guò)程。基于納米材料的綠色制版技術(shù)無(wú)需感光成像，省略了顯影、沖洗等化學(xué)處理過(guò)程，是一項(xiàng)環(huán)境友好、低成本的制版技術(shù)。其中，版材的納微米結(jié)構(gòu)對(duì)印刷質(zhì)量有重要影響。簡(jiǎn)要介紹具有納微米結(jié)構(gòu)的版材的制備過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化版基制備條件，可以有效提高印版的分辨率和印刷適應(yīng)性。

納米材料;綠色制版技術(shù);納微米結(jié)構(gòu);版材;印刷制版

1 前言

制版技術(shù)是印刷工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，印版的精度對(duì)印刷品的分辨率和質(zhì)量影響很大。目前我國(guó)大多數(shù)印刷企業(yè)采用的制版技術(shù)為激光照排技術(shù)［1－3］和計(jì)算機(jī)直接制版技術(shù)(Computer to plate，CTP)［4－6］。其中激光照排技術(shù)是先通過(guò)激光照排將計(jì)算機(jī)處理的電子文件轉(zhuǎn)移到感光膠片上，膠片經(jīng)過(guò)顯影、定影后，蒙在已預(yù)涂感光涂層的版基上，再經(jīng)曝光、顯影、定影等處理后，得到可以印刷的印版。CTP技術(shù)則省略了膠片制作步驟，直接通過(guò)激光束將計(jì)算機(jī)上的圖文信息掃描在涂有感光層的版基上，再經(jīng)顯影、定影處理后上機(jī)印刷。上述制版技術(shù)利用感光成像原理，需要曝光、顯影、沖洗等化學(xué)處理過(guò)程，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、成本高，處理過(guò)程中產(chǎn)生的廢液會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研發(fā)的基于納米材料的綠色制版技術(shù)，摒棄了感光成像的思路，利用納米材料的超親水/親油特性，通過(guò)打印形成圖文區(qū)親油/非圖文區(qū)親水的表面能差別，實(shí)現(xiàn)直接制版印刷。該技術(shù)無(wú)需感光成像過(guò)程和暗室操作，大大簡(jiǎn)化了制版流程，降低了制版成本，并從根本上消除了廢液排放的環(huán)境污染，將對(duì)環(huán)保型印刷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

基于納米材料的綠色制版技術(shù)的關(guān)鍵材料是納米復(fù)合轉(zhuǎn)印材料和具有特殊納微米結(jié)構(gòu)的超親水版材，制版的工藝流程(圖1)是將特制的納米復(fù)合轉(zhuǎn)印材料精確打印在具有納微米結(jié)構(gòu)的超親水版材上，通過(guò)納米復(fù)合轉(zhuǎn)印材料與版材納米尺度界面性質(zhì)的調(diào)控，在打印的印版上形成具有相反浸潤(rùn)性的微區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)直接制版印刷。

高精度的印刷品要求圖文區(qū)與非圖文區(qū)必須有清晰銳利的界面，因此親油的圖文區(qū)和親水的非圖文區(qū)的界面要有足夠的差別。本技術(shù)通過(guò)納米復(fù)合轉(zhuǎn)印材料與具有特殊納微米結(jié)構(gòu)的超親水版材共同作用，實(shí)現(xiàn)高精度的印刷。納米復(fù)合轉(zhuǎn)印材料由納米粒子、高分子層及表面改性基團(tuán)組成(圖2)，納米復(fù)合轉(zhuǎn)印材料的作用是通過(guò)尺寸可控的納米顆粒的制備和穩(wěn)定分散提高版材的分辨率和耐印力。

圖1 綠色制版技術(shù)流程圖Fig.1 Flow diagram of green plate making technology

圖2 納米粒子復(fù)合轉(zhuǎn)印材料示意圖Fig.2 Scheme of nano-particles of composite transfer printing material

超親水版材的制備對(duì)印版的質(zhì)量具有關(guān)鍵性影響。研究發(fā)現(xiàn)，版材的納微米結(jié)構(gòu)是控制超親水版材與納米轉(zhuǎn)印材料浸潤(rùn)性的關(guān)鍵。特殊的納微結(jié)構(gòu)使版基在具有較好的保水性的同時(shí)，又能夠精確控制納米轉(zhuǎn)印材料在版基表面的擴(kuò)散和微區(qū)浸潤(rùn)性的改變，從而實(shí)現(xiàn)非圖文區(qū)到圖文區(qū)的信息傳遞，并使制版精度得到有效提高。本文簡(jiǎn)要介紹了版基制備工藝對(duì)制版及印刷效果的影像。

2 版基的生產(chǎn)工藝

納米材料綠色制版用版基的生產(chǎn)工藝為:鋁板－除油－電解－陽(yáng)極氧化－涂布－版材。

2.1 電解條件對(duì)版基性能的影響

電解的目的是使光滑鋁版表面形成粗糙結(jié)構(gòu)，保證圖文區(qū)域有良好的吸附性，非圖文區(qū)域有良好的保水性。因此版基粗糙結(jié)構(gòu)的尺寸、形態(tài)都直接影響到印版的精度和耐印力。影響電解的因素有電解液濃度、溫度、電流密度、電解時(shí)間等。

2.1.1電解液濃度的影響

電解液的主要成分為鹽酸。如果電解液濃度太低，電解較慢，同時(shí)形成的表面結(jié)構(gòu)不均勻。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電解液濃度低于5 g/L時(shí)(見(jiàn)圖3)，電解幾乎不發(fā)生，鋁板在電解液中溶解。但當(dāng)電解液濃度過(guò)高時(shí)，易發(fā)生版面穿孔現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。

2.1.2 電解電流密度的影響

電解電流對(duì)控制粗糙度有很大影響，粗糙度會(huì)隨著電流密度的增大而增大。電解電流密度小于50 mA/cm2時(shí)，電解后版面的Ra值很小，此時(shí)形成的砂目不均勻，并且電流密度過(guò)小，掛灰嚴(yán)重。只有嚴(yán)格控制電流密度的大小，才能得到均勻、細(xì)密的砂目，印刷時(shí)有良好的保水性，印版容易較快達(dá)到水墨平衡。圖5為調(diào)節(jié)電流密度得到的不同Ra值的版基。Ra值過(guò)大過(guò)小都會(huì)使圖文區(qū)域上墨不均勻，影響印刷效果。

圖5 印刷版基粗糙度與電解電流密度的關(guān)系Fig.5 Effect of electrolysis current density on roughness of print plate substrate

2.2 陽(yáng)極氧化對(duì)版基性能的影響

經(jīng)過(guò)電解粗化后的版基表面有一層氧化膜保護(hù)，靠氧化鋁提高版基的耐磨性和耐腐蝕性。氧化膜的厚度、表面結(jié)構(gòu)、氧化膜微孔的孔徑、孔隙率等對(duì)版基性能都有直接的影響，是影響印刷分辨率的關(guān)鍵因素。過(guò)大或過(guò)多的微孔都會(huì)削弱氧化膜的耐磨性，降低其耐腐蝕能力;過(guò)少的微孔會(huì)降低鋁版基的吸附性能，使得涂層在鋁基版表面粘附力下降，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致版材耐印率降低。影響氧化膜性能的因素有氧化液的濃度、氧化時(shí)間、電流密度、氧化液溫度、添加劑等。

2.2.1 氧化液濃度的影響

氧化液中酸的濃度對(duì)電解液導(dǎo)電性、氧化膜層厚度和耐磨性都有重要影響。酸濃度高，增強(qiáng)了溶液的導(dǎo)電性，減少了能耗，但對(duì)氧化膜的溶解也比較嚴(yán)重，并且氧化膜的耐蝕性和耐磨性均下降。當(dāng)硫酸濃度過(guò)低，氧化時(shí)所需要的電壓很高，能耗太大，且得到的氧化膜發(fā)灰。

2.2.2 氧化電流密度的影響

陽(yáng)極氧化的電流密度決定氧化膜孔徑的大小，對(duì)氧化膜的厚度和分辨率也有直接影響，是陽(yáng)極氧化過(guò)程中調(diào)控的關(guān)鍵因素。圖6是氧化電流密度對(duì)單位面積氧化膜質(zhì)量的影響，可以看出，氧化電流密度越高，氧化時(shí)間越長(zhǎng)，單位面積氧化膜質(zhì)量就越大。圖7為不同氧化電流密度得到的不同孔徑和孔隙率的版基表面結(jié)構(gòu)的SEM照片。氧化電流密度過(guò)低時(shí)，生成的膜厚較薄，氧化膜孔徑較小(如圖7a，平均孔徑約10 nm)，微孔數(shù)目也少。提高電流密度可以增加孔徑和孔數(shù)、提高孔隙率和對(duì)油墨的吸附力。圖7b，c，d為調(diào)整電解電流密度為60～150 mA/cm2時(shí)，得到的3種不同孔徑氧化膜的納微結(jié)構(gòu)的SEM照片。但是，電流密度高于200 mA/cm2時(shí)，產(chǎn)生的熱量大，可能導(dǎo)致散熱不均勻，使膜厚波動(dòng)較大。

圖6 氧化電流密度對(duì)單位面積氧化膜質(zhì)量的影響Fig.6 Influence of oxidation current density on mass of aluminum oxide film

圖7 不同氧化電流密度下得到的氧化膜微孔結(jié)構(gòu)的SEM照片:(a)10 nm，(b)20 nm，(c)15 nm，(d)25 nmFig.7 SEM images of aluminum oxide films with nano-apertures under different oxidation current densities:(a)10 nm，(b)20 nm，(c)15 nm，and(d)25 nm

2.2.3 氧化溫度的影響

陽(yáng)極氧化過(guò)程中，部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，所以氧化液溫度會(huì)有波動(dòng)，并對(duì)版基氧化膜質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，因此必須對(duì)氧化槽進(jìn)行冷卻降溫。氧化液溫度不可太高，因?yàn)殡S著溫度的升高，膜的致密性、耐磨性都會(huì)下降，但如果溫度降低，維持相同電流密度所需要的電壓較高，所以，應(yīng)控制適宜的氧化溫度。

2.2.4 氧化液添加劑的影響

純酸氧化液升溫速度較快，但對(duì)冷卻設(shè)備要求很高，而且生成的氧化膜表面易吸附雜質(zhì)。為了解決這一問(wèn)題，可以在氧化液中添加無(wú)機(jī)鹽，以增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性，降低電阻，從而降低氧化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，并減少氧化膜的溶解。無(wú)機(jī)鹽中的金屬離子可以與有機(jī)酸形成絡(luò)合物，沉積在氧化鋁膜層中，適當(dāng)降低版基的表面能，增強(qiáng)版基和涂層的結(jié)合力［7］。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)添加劑可以明顯提高印版精度和耐印力。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)控制版基表面電解、氧化等生產(chǎn)工藝條件，制備了適合納米材料綠色制版用的版材。目前，基于納米材料的綠色制版技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明包括版材、轉(zhuǎn)印材料、設(shè)備等的專利35項(xiàng)，其中PCT(專利合作條約)專利9項(xiàng)、授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng)，初步形成了較為系統(tǒng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在此基礎(chǔ)上，建成了包括納米轉(zhuǎn)印材料車間、超親水版材車間、制版及印刷車間的系統(tǒng)示范線。目前該技術(shù)已成功應(yīng)用于大量商業(yè)書(shū)刊和報(bào)業(yè)的印刷，大大節(jié)約了印刷成本，減少了污染。隨著環(huán)保和數(shù)字化的觀念逐漸普及，基于納米材料的綠色制版技術(shù)將給印刷制版業(yè)帶來(lái)新的變革，實(shí)現(xiàn)制版技術(shù)從感光時(shí)代到非感光時(shí)代的跨越，在我國(guó)印刷行業(yè)的綠色化進(jìn)程中發(fā)揮積極作用。

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Research on the Printing Plate of Green Plate Making Technology Based on Nano-Materials

ZHOU Haihua，LIU Yunxia，SONG Yanlin
(Institute of Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

Plate making is one of the key technologies in printing industry.So far there are mainly two technologies for plate making include laser phototypesetting technology and computer to plate technology.These technologies are based on photosensitive imaging principle，and need chemical treatment processes such as development，fixing etc.Green plate making technology based on nano-materials has many advantages such as pollution free and low cost，as it abandons the idea of sensitization imaging.The special nano and micro-structure of the plate will greatly influence the quality of printing products.In this paper，the research on the print plate is briefly introduced.Through optimizing the preparation process of the printing plate，the resolution and printability are greatly improved.

nano-materials;green plate making technology;nano and micro-structure;printing plate;plate making

TS804

A

1674－3962(2012)01－0026－04

2011－11－18

科技部863計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB601206)

周海華，女，1974年生，副研究員

宋延林，男，1969年生，研究員，博士生導(dǎo)師