電磁波譜在印刷行業的實際應用*①

韓春柏

(上海理工大學理學院 上海出版印刷高等專科學校 上海 200093)

楊毅 王孟祿 尹國盛

(河南大學物理與電子學院 河南 開封 475004)

電磁波譜是大學物理課程中的一部分內容.一般的大學物理教材在講述電磁波譜的時候，僅對電磁波按波長(或頻率)劃分為若干個波段簡單介紹一下，即無線電波、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)不同，而呈現不同的特征[1].這對于一般的理工類專業而言，是可行的;但對于印刷專業來說，就顯得遠遠不夠了.現僅從電磁波譜在印刷行業的實際應用做一探討，以彌補不足，并供參考.

1 微波

微波是波長在1 m～1 mm之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統稱.我們著重介紹微波的熱效應及其在包裝印刷上的應用.

微波對生物體的熱效應是指由微波引起的生物組織或系統受熱而對生物體產生的生理影響.熱效應主要是生物體內有極分子在微波高頻電場的作用下反復快速取向轉動而摩擦生熱；體內離子在微波作用下振動也會將振動能量轉化為熱量；一般分子也會吸收微波能量后使熱運動能量增加.

利用微波的熱效應可以使物料溫度升高，產生熱化和膨化等一系列物化過程從而達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，過干或過濕都不利于印刷.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.由于微波的自動平衡作用，能使整個紙張達到濕度非常均勻的水平，不易出現過度干燥.可使紙張的物理性能、強度、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即可達到干燥的質量要求，層與層之間粘合牢固、無起層現象；便于實現流水生產，改善勞動條件，提高生產質量[2].

微波還可以殺菌.微波殺菌是電磁場的熱效應和生物效應共同作用的結果.微波對細菌的熱效應是微波產生的熱使蛋白質變化，從而使細菌失去營養、繁殖和生存的條件而死亡.微波對細菌的生物效應是微波電場改變細胞膜斷面的電勢分布，影響細胞膜周圍電子和離子濃度，從而改變細胞膜的通透性能，細菌因此營養不良，不能正常新陳代謝，導致細胞結構功能紊亂，生長發育受到抑制而死亡.此外，微波能使細菌正常生長和穩定遺傳繁殖的核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)的若干氫鍵松弛、斷裂和重組，從而誘發遺傳基因突變，或染色體畸變甚至斷裂.

微波加熱、殺菌技術應用于印刷包裝行業，是一種有效的防蟲害、防霉菌包裝技術.

2 紅外線

紅外線是電磁光譜中波長0.6 mm～760 nm的一段.我們著重介紹紅外線的熱效應及其在包裝印刷上的應用.

紅外線具有明顯的熱效應.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生熱效應.當紅外線投射到物體上時，如果物體中存在兩個間隔為E的能級，當紅外光子的能量hν=E時，光子就可能被吸收.在宏觀上吸收表現為紅外線的熱效應.所以現代物理學稱紅外線為熱射線.

物體吸收紅外線后，轉化成能量，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，可使物體內部溫度高于表面溫度，從而導致很大的溫度差.大的溫度差變化可以激發質量的遷移，使物體內的水分蒸發，這就是紅外干燥的機理.

紅外加熱、紅外干燥的加熱方式為內外同熱，能在很短時間內達到所要求的溫度，且能按規定的程序控制加熱過程，易于實現自動化.

紅外加熱與紅外干燥技術應用于印刷包裝行業，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.

我們知道，通常液體的黏度隨著溫度的升高而減小.利用紅外測溫計測油墨的溫度，可方便準確地掌握油墨的黏度和流變性.

紅外線通過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“圖像變換器”轉變成可見的像.紅外照相就是按此原理制成的[3].

3 紫外線

紫外線是波長在400 ～10 nm的電磁波.我們著重介紹紫外線的光化學效應、熒光效應和生理效應及其在包裝印刷上的應用.

(1)紫外線的光化學效應.波長在200～400 nm的紫外線的能量(3～6 eV)正是許多物質(化學鍵能也在3～6 eV的范圍內)吸收后產生光化學反應所需的能量.尤其是短波紫外線的光子能量較大，對光化學反應特別有效，能直接引起一些物質的化合和分解.紫外線能夠使含有溴化銀的照相底片感光就是其光化學作用的體現.

印刷制版和曬版新工藝采用重氮鹽感光性樹脂制成PS版，其感光過程實質就是一個紫外線光化學效應過程，即當重氮基團受到紫外線照射后，感光劑迅速分解并放出氮氣.分子的其他部分進行結構重排而生成易溶于堿水的羧酸衍生物.根據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過顯影而除掉.版面上僅留下有圖像的部分，構成印刷版材[4].

(2)紫外線的熒光效應.所以當紫外線照射到很多物質上時使其分子受激而發出熒光.這些物質輻射熒光的現象就稱為紫外線的熒光效應.

在機械制造(包括印刷機械制造)工業中，以前對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便.熒光探傷就是把被檢測的零件在熒光物質的溶液中浸泡一定時間，取出后用毛刷把零件表面的熒光物質刷掉，由于浸入零件裂縫中的熒光物質不可能被刷掉，經過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，殘存在裂縫內部的熒光物質發射出熒光來，就可以找出有傷痕的零件.

另外，對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偽.

(3)紫外線的生理效應.當紫外線照射人體或生物體后，使人體或生物體發生生理變化，如紫外線對血色有益，能殺菌、消毒.

細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峰在254～257 nm.波長200～290 nm的紫外線能穿透細菌、病毒的細胞膜，細菌吸收紫外線后，引起DNA鏈斷裂，造成核酸和蛋白的交聯破裂，殺滅核酸的生物活性，致細菌死亡.

紫外線應用于印刷包裝行業，用其照射包裝材料和被包裝產品，屬于防蟲害、防霉菌，具有快速、高效、無污染的滅蟲、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，使之短時間內從液態變成固態.

4 X射線

X射線是波長范圍在0.01～1.0 nm的電磁波.現主要介紹X射線殺蟲機理、防蟲害包裝和X射線印刷.

X射線是原子內層電子躍遷發出的輻射，輻射波長短(0.01～1.0 nm)，能量高(1～100 eV)，具有很高的穿透本領，能透過許多對可見光不透明的物質，如上千頁的書、2～3 cm的木板、3.5 mm厚的鋁板、0.018 mm厚的鉑板等.各種物質對X射線的吸收不一樣，因此X射線一經發現即得到應用，例如醫院中的透視、拍片.在機械制造(包括印刷機械制造)工業中，常采用X光對機械零件進行探傷等[5].

X射線的直接作用是在生物體中被吸收時，射線作用于具有生物活性的大分子，如核酸、蛋白質(包括酶類)等，使其發生電離、激發或化學鍵的斷裂，造成分子結構和性質的改變，從而引起功能和代謝的障礙.實驗證明，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，形成化學性質非常活潑的一系列產物,繼而作用于生物大分子引起損傷.由于機體的多數細胞含水量很高，一般達70%以上，所以有機分子的輻射損傷幾乎全是由水的輻射分解產物自由基的作用而引起的[6].

印刷包裝中利用X射線的對生物體的直接作用和間接作用，使害蟲死亡或者不孕，從而達到防蟲害的目的，稱為防蟲害包裝技術.

X射線印刷是用陰影印刷復制圖形的一種技術.所需的圖形在掩模上產生，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陰影，從而將圖形由掩模傳送到晶片上.X射線波長較短，因而可以得到較高的分辨率.這一方法現在正發展為一門新技術，用于生產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械零件，可直接使用曝光過或顯影過的光刻膠，也可用模子來生產另一種材料(陶瓷或金屬)的元件[7].

5 γ射線

γ射線是波長λ≤0.01 nm的電磁波，又稱γ光子.現主要介紹γ射線在包裝印刷上的一些應用.

γ射線有很強的穿透本領，工業中可用來探傷、研究機械磨損、測量物體的厚度或密度、實現流水線的自動控制[8].

由于各種物質對γ射線都有一定的吸收作用，因而可以根據探測器所測得的γ射線的強度確定γ射線在物質中穿越的距離.將放射源和探測器分別放在待測樣品的兩側，可立即測出金屬板(片)、紙張、塑料板(膜)等樣品的厚度.還可以將探測器所接收到的輻射信號加以放大，用以控制壓輥的間隙，實現厚度的自動控制[9].

利用γ射線照射包裝的商品是印刷包裝防蟲害、防霉腐包裝技術之一.

生物體受到γ射線照射時，γ射線可以進入到生物體的內部，并與體內細胞發生電離作用.電離產生的離子能侵蝕復雜的有機分子，如蛋白質、核酸和酶，它們都是構成活細胞組織的主要成份，一旦遭到破壞，就會導致生物體內的正常化學過程受到干擾，嚴重的可以使細胞死亡.

通過γ射線作用于害蟲的機體，利用γ射線的殺傷能力破壞害蟲的生理機能和機體結構，劣化害蟲的生活條件，促使害蟲死亡或抑制害蟲繁殖，從而達到防蟲害的目的.

包裝的商品經過γ射線輻射后即完成了消毒滅菌作用，既簡便又不會改變受消毒物品的形態.經照射后，如果不再污染，配合冷藏條件，小劑量輻射能延長保存數周到數月.大劑量輻射可徹底滅菌，長期保存.

γ射線的直接作用是當γ射線通過微生物時能使微生物內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生強氧化基團，此基團使微生物酶蛋白的-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，照射不會引起物體升溫，故稱其為冷殺菌.

物理是一切自然科學和工程技術的基礎，物理課更重要的是為學生打好堅實的知識上、思想上、方法上的基礎. 對于以上物理學在印刷上的應用內容的補充，為學生提供了一些“看得見、摸得著”的實際應用的例子，使學生感覺得到物理學離印刷很近，這對提高印刷專業學生學習物理的興趣起到了一定的作用.

參考文獻

1 尹國盛,等.大學物理.北京：機械工業出版社，2010.152

2 曹茂盛,等.物理學與現代工程技術. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.82

3 復旦大學,等.物理學，電磁學.上海：上海科學技術出版社，1979.349

4 任靜,等.紫外線技術及其應用.現代物理知識，2001(6)： 32

5 顧建中.原子物理學.北京：高等教育出版社，1986.11

6 劉東華,等.神奇的外科手術刀——γ刀與X刀.現代物理知識，2005(5)：29

7 朱愛民.加速器的應用.現代物理知識，1996(3)：16

8 褚圣麟.原子核物理學導論.北京：高等教育出版社，1987.147～148

9 劉克哲.物理學(第二版下卷).北京：高等教育出版社，1999.713