絲網印刷及表面科學問題探討

文 孫加振 魏先福 黃蓓青

絲網印刷技術作為四大印刷方式之一，以其可控的油墨墨層實現圖像原稿再現，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問題，但很少有關于絲網印刷的表面科學問題分析。行業內普遍認為根據絲網印刷工藝的特征對表面科學問題進行分析很大程度上已經是一件可有可無的事情，但是，隨著印刷技術發展以及與科學研究結合的需要，在絲網印刷工藝過程中探究相關的表面科學問題也就逐漸顯現出了其關鍵性。本文將根據絲網印刷工藝自身的特點，從表面科學問題的角度展開對絲網印刷工藝的一個初步討論，從而方便行業內相關人員更好的了解和使用絲網印刷并認識表面科學問題在絲網印刷應用中的關鍵作用，為絲網印刷的綠色化、功能化道路提供有意義的參考資料。

絲網印刷發展

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

絲網印刷原理

絲網印刷是將絲織物、合成纖維或金屬絲網繃在木質或金屬網框上，采用手工描繪雕刻或利用感光材料通過光化學的方法制成絲網印版。絲網印版的圖像部分網孔能夠透過油墨，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，完成油墨的轉移。

圖1 絲網印刷原理圖

絲網印刷印版

了解了網版印刷的基本原理，就不難明白網印的制版原理。簡單來說就是在絲網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，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，經紫外線曝光、顯影、沖洗得到絲網印版。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，形成通透的部分，印刷時能透過油墨，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，將網孔封住，印刷時油墨不能透過，就形成了空白部分。

圖3 絲網印刷印版

絲網印刷油墨

絲網印刷要注意控制油墨流動性，流動性大印跡容易擴大；流動性小，印跡易結網（網點交織的結點），出現結墨現象（亦稱網紋），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象，油墨靜止一定時間后變稠，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生變形后，仍保持其變形前的性質。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移性和印品質量，水性油墨粘度過低會造成色淺、網點擴大、傳墨不均勻等弊病；粘度過高，油墨轉移性能較差，易出現臟版、糊版等現象。在印刷過程中對油墨粘度的控制是非常重要的，實際制備中油墨流變性與連接料、顏料用量、分散狀態及印刷溫濕度等有關。

表面科學問題

在絲網印刷中，不難看出包括油墨鋪展到印版、油墨通過印版網孔、油墨轉印到承印物上。實際上，任何一個固體表面都不可能是絕對光滑、均勻的，實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，最普遍應用于解釋液滴表觀接觸角與固體表面粗糙度之間聯系的是Wenzel和Cassie方程。下面從這個方面展開液體與固體之間的關系，從而可以對絲網印刷中油墨與印版之間的表面科學關系中的科學問題進行探討。

Wenzel方程：早在1936年Wenzel就認識到了粗糙度對固體表面浸潤性的影響，他認為在Wenzel浸潤狀態時，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，于是在幾何上增強了疏水性 (或親水性)。即：(a)θ<90°時，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，θr隨著表面粗糙度的增加而變大，表面變得更疏水。

應該指出的是，Wenzel方程只適用于熱力學穩定平衡狀態，但由于表面不均勻，液體在表面上展開時需要克服一系列由于起伏不平而造成的勢壘。當液滴振動能小于這種勢壘時，液滴不能達到Wenzel方程所要求的熱力學平衡狀態而可能處于某種亞穩平衡狀態。

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系。當固體表面由不同種類的化學物質組成時，則不適用于此方程。Cassie和Baxter進一步拓展了Wenzel的上述處理，提出可以將粗糙不均勻的固體表面設想為一個復合表面，即他們認為液滴在粗糙表面上的接觸是一種復合接觸。當固體表面的粗糙不均勻性表現為宏觀起伏到一定程度時，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數f1和f2(f1+f2=1)來表示，它們相應的本征接觸角用θ1和θ2來表示。一般地，描述復合表面的公式為：

此即 Cassie-Baxter方程。該方程也適用于具有多孔的物質或粗糙至能截留空氣的表面。此時f2為多孔的分數或截留空氣部分的表觀面積分數，由于空氣對水的接觸角θ2=180°。因此，上式可以變為：

上式中f1和f2分別表示固/水界面和水/氣界面所占的分數(f1+f2=1)。但是，在上面方程中，對任意粗糙的表面來說，要準確確定f1和f2的值是很困難的。實際上，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r來修正，則：

對于不同粗糙結構的表面，粗糙系數r將取不同的數值。同時，從上述方程還可以看出，當本征角大于90°時，表面粗糙度的增大將增大表觀接觸角的大小。這一點與Wenzel方程不同，因為即使是本征接觸角小于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浸潤狀態之間的關系與轉變：

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之間的關系可以用上圖來表示，圖中同時給出了適用于Wenzel狀態與Cassie狀態的θ與θr之間的線性關系，這一關系與Shibuichi得出的實驗結果與上圖所示相一致。Dettre和Johnson在總結Wenzel及Cassie方程的基礎上，通過模擬粗糙表面發現，表面的粗糙度因子存在一個臨界值，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狀態和Wenzel狀態之間的能壘越高，Cassie狀態越穩定。

圖5 粗糙表面本征接觸角θ與表觀接觸角θr之間關系的實驗結果

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

當一個液滴在固體表面處于Cassie狀態，其接觸角符合Cassie方程時，在外界刺激如應力、光、電、熱、磁等的作用下，其形貌將發生變化，液體將填滿粗糙固體表面的溝槽，同時導致固體表面失去疏水性，進而其表觀接觸角也將由符合Cassie方程轉變成符合Wenzel方程。

當浸潤性從Wenzel態向Cassie態轉變時，其接觸角是增加的，并且其接觸角符合上文方程。通過聯合以上兩個方程可以得到臨界轉變角度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定的，浸潤性很容易從Cassie態轉變成Wenzel態。為了得到比較穩定的束縛空氣層，固體表面必須足夠的疏水，臨界轉變角度必須足夠小，因為Cassie浸潤狀態只有在θ>θT1或cosθ<-1/r時是穩定的。但是上述公式還只是經驗性和模型化的結果，因為固體表面不一定符合公式所描述的情況，它與表面的形貌有關。

因此，本文通過對絲網印刷的介紹及現在廣泛使用表面科學探討方法，將絲網印刷與表面科學進行了聯系。后可以對絲網印刷中的表面科學問題進行分析，結合表面科學問題的探討，聯系絲網印刷中的表面性能要求，建立油墨、印版、外力之間的關系。從而，得出絲網印刷中油墨、印版在表面科學方面的關系式，了解、指導、完善絲網印刷。