平版印刷的基本原理

平版印刷的基本原理

平版印刷是按印版形式分类的四大印刷方式之一，是报纸印刷、书刊印刷和装潢印刷业的骨干设备，在印刷业市场占有率达35%以上。传统的分类方法根据印版的结构形式分为凸版印刷、平版印刷、凹版印刷及孔板印刷。

所谓平版印刷，是指印版的图文和空白部分几乎在同一平面，从微观上图文平面比空白部分平面高出约0.05mm。

印版预涂有感光材料，经过胶片曝光以后，再经过化学处理，形成图文部分疏水亲油和空白部分亲水疏油的机理。印刷时先施水、后着墨，这样经过湿润的印版，版面只有亲水的空白部分接受水分，而疏水的图文部分则不粘水，再经过着墨后，只有版面上疏水的图文部分接受油墨。印版上的图文在制版时有网点，它的稀疏反映颜色的深浅。

在多色印刷时，各印版的颜色按比例搭配，可以印刷出五颜六色的图画。印版装在印刷机上，通过压力将印版上的着墨图文直接或间接地印刷到承印物上成为印刷品。

平版印刷已经过200多年的发展历史，从开始的石印、珂罗版印刷、铁皮印刷、直接平印发展到今天的胶印。最初的平版印刷是直接将印版上的图文向承印物上转移，直到1904年，一个叫鲁贝尔(I.W.Rubel)的美国人，在一次印刷中，他无意中将印版上的图案印刷到了一块橡皮布上，然后又将橡皮布上的图案转移印刷到纸上，他惊讶地发现，印出的图文远比原来印刷出的印刷品品质更高，这一偶然的发现促使他经过努力发明了间接印刷的平版橡皮印刷机，即胶印机。

我国在光绪三十四年，即1908年引进第一台平版轮转胶印机开始，才开始了缓慢的胶印历史。在20世纪70年代，随着王选教授发明汉字压缩技术和汉字激光照排系统的成功，胶印技术蓬勃发展，直到90年代中期几乎完全淘汰了落后的铅印印刷设备。今天，胶印已经在中国得到了相当广泛的使用，国内已经能够制造单张纸印刷机、卷筒纸印刷机、金属板印刷机、表格印刷机等几十个品种规格的系列产品。

一、  油和水不相混溶的原理

油和水不相混溶是人们日常生活中常见的自然现象，胶印就是运用这一现象达到平面印刷的目的，其原理是建立在图文部分能亲油疏水，空白部分能亲水疏油，在水和油不相混溶的基础上，使胶印和其它印刷有了明显的不同，而且这一原理贯穿了整个胶印工艺的始终。

油和水不相溶的原理可用物质分子结构的极性理论来阐明。液态水是最常用的一种极性溶剂，存在于自然界中，它是目前胶印工艺不可缺少的液体材料之一。纯水的分子是极性分子，根据极性理论的“同类的相亲和，不同类的不相亲和”的论断，与之接触的各种气、液、固态物质，可按它们各自的分子结构，是极性的还是非极性的，表现出它们与水的关系——亲水还是疏水。

必须说明的是胶印使用的水并不是纯水，它加有多种溶质，这又给水溶液添加了许多新的性质，它实际是加入了多种电解质和亲水胶体的稀溶液。油墨也不是单纯的油墨，而是含有多种成分的疏水胶体。为了搞清楚在上述复杂条件下的两者关系，必须先从极性分子和非极性分子的性质及其相互关系开始。

1.  水是极性分子

2.  油是非极性分子

油是油脂在常温下的液体状态。油墨是由不溶性颜料颗粒高度分散在连结料中的稳定悬浮体。油墨和水不相溶，主要是油墨中的连结料在起作用。连结料一般有油脂型和合成树脂型两类。

极性理论对整个胶印工艺过程起着指导作用。为了有效地控制生产，并且创新工艺方法，必须充分了解极性理论的主要内容：极性的溶解极性的，非极性的溶解非极性的，极性的不溶解非极性的。极性理论又称相似相溶规律。

水是极性分子，油是非极性分子，它们的性质不同，所以水和油不相溶。这合乎相似相溶定律。

二、  平版印版表面选择性吸附原理

平版印版用的版材是由亲水疏油和亲油疏水的两部分构成。在平版印刷过程中，只有始终保持这两部分的相对稳定性，才能提高产品质量，才能获得满意的印刷效果。在生活与生产实践中，油与水不相混溶这一客观规律，构成了平版印刷的理论基础。但是这一客观规律的运用，不可能单独实现，必须具备非常重要的基础，也就是不同的固体表面应具有强烈的亲油或亲水的性质。对平版印刷来说，必须在同一表面运用物理或化学的方法，建立起部分亲油或亲水的性质，以满足图文与空白基础的需要，这是构成平版印刷工艺原理的一项重要基本理论。

1.  印版的润湿特性

平版胶印用版的图文部分和空白部分处在同一平面，根据平版印刷工艺原理，图文部份应表现出亲油疏水，空白部分应表现出亲水疏油的特性。但在实际的印刷过程中，印版是先与输水部件接触，即先使印版的空白部分吸附水分，形成排斥油墨的基础；再使印版的图文部分吸附油墨，即为图文的转移创造条件。这时的印版上存在着油墨层和水膜层，在同一平面上形成了油、水相斥的状态。由此可见：平版印刷的版材选择及其润湿在平版印刷中是十分重要的。

润湿的概念：液体对固体的润湿是液体取代固体表面气体的过程。固体能否被液体润湿，关键在于固体表面的气体能否被液体取代。

当液体与固体表面接触时，附着层中的液体分子，一方面受到液体内部分子内聚力的作用，另一方面又受到固体分子附着力的作用。因此，液体是否能够润湿固体，要看液体的内聚力和液、固之间的附着力这两个力的大小来决定，如果液固之间的附着力大于液体的内取力 ，则固体实润湿，反之则固体不被润湿。

根据平版印刷的工艺原理的要求，平版印版表面必须具有两亲性，为适应空白基础的建立，能被液体水所润湿（称为亲水性）；为适应图文基础的建立必须具有亲油性，能被液体油墨所润湿。对于固体来说，极性较强的其亲水性较好，而非极性较强的则具有较好的亲水性。

液体对固体的润湿过程一般分为：沾湿、浸湿和铺展三个阶段，润版液对印版的润湿属于液体在空白部分的铺展。润版液在空白部分的铺展实质上是用固－液界面取代固－气界面的同时，液体表面也同时扩展的过程。

胶印中常用的固体材料，有的润湿性质既不太亲水，也不太亲油，除了涂布不同性质的膜层使之改变为亲水或亲油外，往往具有它先接触什么就表现出什么的现象，即固体的两亲性。这是由于先接触液体与固体表面发生化学反应，生成了另一种吸附层，或者这种液体掩盖了固体原有的润湿性质的结果。例如：金属板的空白部分，它是由金属构成，而其在干燥的状态下所表现出的性质是：当它先与水接触时，便表现出一种亲水性，而当它与油脂类的物质接触时，便表现出一种亲油性。而物质的这种两亲性最终会影响到它对液体的吸附，这一点也是平版印刷过程中，要使印版先与水接触，即在平版印版上形成一层水膜，以有效地区分空白部分与图文部分，再使之与输墨部件接触，而由于空白部分在图文部分与输墨接触前已建立了稳定空白基础。因此当在图文表面涂布油墨时，才能有效地区分图文与空白部分。在平版印刷过程中，为保证油墨层的正常转移，就要遵从“先水后墨”原则，这样才能使印刷有序地进行。

但是在同一金属板材表面要建立亲油和亲水两个基础是不可能的。因为不同的金属亲油亲水性各不相同。有的亲水性强，有的亲油性强。如果单独利用亲水性好的金属作印版，虽然对空白部分的建立非常有利，但对图文基础的建立非常不利，因为会造成图文基础的稳定性较差；如果利用亲油性好的物质作印版，有利于图文基础的建立，但会造成空白部分的上脏，影响了印版表面图文与空白基础的稳定性，从而影响到印品的质量，因为亲油性好的物质对水的亲附性会下降。既然没有任何一种金属具有高度的亲油性，又具有高度的亲水性，那么怎样在同一种金属版面既形成亲油的图文部分又形成亲水的空白部分呢？

尽管我们从金属的特点中可知任何一种金属只有一种润湿性质，但从吸附规律中可知：金属板的表面的性质是可以改变的，既可以全部地改变，也可以局部地改变，既可以增加其亲油性，也可以增加其亲水性。基于这种理论，我们就不难在同一金我属表面建立起两种吸附基附。

提高金属版表面的亲油性的主要方法有：涂布各种非极性的膜层，如重氮树脂；提高金属表面的亲水性的主要方法有通过化学处理使金属板表面形成极性的无机盐层①、氧化膜②等，而无机盐层具有强烈的吸附胶体的特性，因此在无机盐上形成亲水胶体的吸附膜，起到亲水疏油的作用。

印版的空白部分是在无机盐或无机酸类的作用下，与锌板进行表面的化学反应，在其表面生成一层透明的、结晶结构的不溶性无机盐层。无机盐层与亲水胶体相结合，进一步增强了亲水胶体的抗水性，胶体吸附在无机盐层的表面形成一层薄膜，薄膜层具有良好的亲水性，增强了印版表面的亲水排油性能。同样墨层在各种固体表面（包括纸张的表面）也会发生类似的改变，由油墨的表面性质变为固体的性质，亲油性降低了。油墨对印版的吸附作用的下降，是因为油脂型油墨中连接料的主要成分是甘油三酸酯，其中含有一定量的游离脂肪酸，而且酯易被分解为醇和酸，一般油脂在一定条件下易水解，其生成物为甘油和游离脂肪酸；加上输墨部件各墨辊摩檫生热，以及溶液中无机酸中的H+离子起了催化作用，这样连接料被水解的条件形成了，促使油墨中的游离脂肪酸增加，使油墨在亲水层表面形成定向吸附，这样在印刷过程中极易发生脏版现象，从而影响印刷的效果和质量。

2.金属板表面的吸附原理

从前面的讲述中我们发现：吸附作用在平版印刷过程中所起的作用是十分重要的，金属锌板或铝板经处理后表面具有良好的“两亲性”，才能使空白与图文部分建立在同一平面上，保持相对的润湿平衡。

（1）吸附的基础知识

物质之间或其不同的相态之间相互接触所处的分界线称为界面。界面可以由物理性质和化学性质都完全不同的物质组成，如重氮树脂和铝板；也可由物理性质相同而化学性质不同的物质形成，如水和油；或由物理性质不同而化学性质相同的物质构成，如水和冰。由于界面上的分子具有一定的表面自由能，因此物质在界面处常表现出特殊的性质，且变化较大，我们将这种现象称为界面现象。吸附就是界面现象的主要表现形式之一。

a.吸附现象与原理

吸附是一各界面现象，是指一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面上的现象。在印刷过程中的油墨固着在纸张表面的这一现象就属于吸附现象。吸附作用的产生是由于位于界面上的分子、原子或离子具有过剩的能量——自由表面能③，处于力场不平衡状态，这些不平衡的力场通过吸附其它分子、原子或离子得到补偿，降低了表面自由能，从面使界面处于相对稳定状态。因此任何物质都具有自动吸附那些能够降低其表面自由能的物质的性质。

平版印刷所用的金属锌板或铝板的表面与其它固体表面一样，也存在着一定的表面张力，固体表面上的原子或分子之间所受的力也是不对称的，因此在固体表面上过剩的表面自由能存在，可以吸附那些能降低其表面自由能的液体、气体或其它物。

锌板或铝板在制版过程中，经过各种物理和化学处理，就是增加固体板面的过剩自由能产生的不饱和力场和表面的活性和度，使它们对被吸附的物质产生较强的吸附作而形成稳固的基础层。

b.吸附的形式

吸附介质分子在吸附剂表面吸附时，按其作用力的性质可分为两类：物理吸附和化学吸附。

物理吸附是由分子间的静电作用引起的，所以这种吸附又叫范德华吸附。它是可逆的、不稳定的，在实践中很容易脱落，特别是在印刷过和中，由于印版受到摩檫力的作用。

化学吸附是物质表面发生化学反应的结果，主要是在物质表面形成化合物，吸附分子与吸附剂之间进行电子交换或共用，多数是不可逆的单分子层，因此这种吸附形式比较稳定、不易脱附。

c.物理、化学吸附与印版的关系

平面印版的图文和空白部分有一定的耐物理、化学的性质，在各种摩檫力和化学试剂的作用下不易脱附，能保持一定的耐印力，是完全建立在物理和化学吸附原理基础上的。

图文基础的吸附：图文基础的吸附是化学吸附的表面化学反应和物理吸附的结合，通过化学吸附的建立，保证了图文基础在印版的稳定性，为提高印版的使用寿命创造了条件。

空白区域中间层的吸附：锌板空白部分的形成是磷酸与锌板表面反应，生成不溶性磷酸锌吸附在版面，它完全以化学吸附的形式存在，然后无机盐的表面又以物理吸附的形式与胶体结合，以多层吸附形式构成亲水的膜层，无机盐层与版面附着的稳定性以及无机盐层与胶体结合的稳定性，决定了印版亲水性能的稳定性。

（2）改变金属板表面性质的理化处理

固体吸附作用与其表面性质和结构有着密切关系。为改变金属板材表面的性质和结构，使之在同一平面上构成图文区和空白区，一般采用物理和化学方法对版面进行处理。

a.对版基进行处理

固体表面的润湿性质及由它决定的对液体的吸引力，还不能完全决定它的吸附性能，根据平版胶印印刷的工艺特点，油与水同时作用与固体表面，工艺技术上为了保证固体表面对液体的稳定亲和力，就得设法提高固体表面的吸附能力，其主要手段是利用毛细现象。毛细现象的形成就是改变锌板或铝板的表面结构，一般是使其表面形成砂目，即让锌板或铝板表面粗糙化、多孔化的工艺操作，常用的方法是：机械球磨法和电解糙化法。它的目的在于：通过对板材表面的糙化处理，扩大了比表面（注：比表面积的简称。指单位质量物料所具有的总面积，单位为平方米/克）使金属板对液体有了润湿的条件和吸附的基础；产生了毛细管的凝结作用，使金属板表面更易于接受和贮存作用于其表面的液体；增加了无数的吸附中心，使金属板表面具备了既亲油又亲水的“两亲性”，形成了图文和空白的吸附基础；增强了表面的自由能，活化了表面，为吸附的牢固性和稳定性创造了条件；通过对金属板表面的糙化处理，可使光滑的金属表面产生很好的润湿性，增加了水分的贮藏量，从而使无机盐层的表面附着力增强，提高了清水层的稳定性。但是，砂目的存在也给印版带来了一定的副作用：由于在版面形成了砂目，这样当砂目的颗粒度过粗时，会使网点残缺不全，从而影响到复制品的质量，影响图文的再现性；砂目的存在还会使印版表面承受摩擦的面积减小，从而降低了印版的耐磨程度，缩短了印版的使用寿命；砂目粗细还会给印版的晒制及印刷过程中版面水分的掌握带来一定的困难，因为当砂目较粗时，版面贮存水分的能力增大，同时也容易造成网点的残缺不全，影响图文的层次效果，而当砂目的颗粒度较小时，即砂目较细，此时网点能被完整的再现，但是，版面贮存水分的能力降低，给版面水分的控制带来一定的困难，这样干扰到印刷过程中的水量与墨量的控制，造成油墨与水的失衡，严重时影响到产品的质量。

b.对版面进行的处理

对版面进行粗化处理，只使版面具备了“两亲性”的条件，即为水分的贮存及图文基础的建立创造了条件，但要在版面上形成图文和空白基础，还需要对版面进行化学处理，通过化学处理，在印版表面形成清水层及感光层，以进一步改变印版表面的性质。前腐蚀是晒版前用酸性腐蚀液在金属版面进行化学加工处理，其目的是为涂布感光液创造牢固的吸附基础。通过化学实验证明：金属在与空气接触的过程中，特别是将金属放置在潮湿的空气中，在金属表面易形成电解池，发生电化学反应，这样在金属板表面就会形成一层氧化层，例如：ZnO、Al₂O₃、Zn(OH)₂、Al(OH)₃等。这些自然形成的氧化层其结构疏松，极易与酸或碱发生反应，如果将感光液涂布在具有这种氧化膜的金属表面，由于金属板表面自由能的减弱，将会影响到感光树脂吸附的稳定性，这样在显影及腐蚀过程中，就会造成感光液膜层的脱落，从而很难保证图文和空白基础在指定位置或规定的面积内再现，从而也就根本上谈不上印版的质量。前腐蚀的作用就在于除去氧化膜，使得金属原有的化学性质及物理性质充分显示出来，增强金属板表面的活性和其表面的自由能，更进一步扩大比表面，从而增加对感光液膜层的吸附性。

涂布在版面的感光液，经曝光后形成硬化膜，即成为空白部分的保护层，图文部分未经感光保持原液性质可用显影液除去，这时锌原子裸露于表面，为了更好地取得锌面的自由能，使其表面活化，扩大其表面，再用腐蚀液与锌板进行腐蚀反应，使裸露的锌被腐蚀低凹，这时在干燥的情况下涂布基漆，基漆与锌原子产生较牢固的化学吸附而成为亲油性的图文基础，最后除膜即成印版。

空白部分进行化学处理。当除去感光液硬化膜层的金属版面即为印版的空白部分。对空白部分亲水性能处理一般用无机酸的弱酸及盐类，例如采用磷酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠及重鉻酸铵等，对锌版的版面作表面化学处理，版面即生成较厚的、透明的、不溶性的无机盐层（PS版为 氧化膜层），它以化学吸附形式牢固的吸附在版面上，然后与亲水性胶体（典型胶体为阿拉伯树胶），以物理吸附的形式结合在空白部分形成一层具有良好亲水性能的排油亲水膜层。

这就是平版印版形成亲油亲水并进行选择性吸附的原理。

三、  色彩的再现原理

在自然界中有各种绚丽的色彩，我们可以通过摄影、摄像、绘画、印刷等多种手段将其再现到我们的生活中来，而印刷是一种能进行大量复制生产的工艺技术，印刷对色彩的复制不同于摄影和绘画。摄影是通过银盐感光材料的感光乳剂层对光线强弱的敏感度来呈现颜色；绘画是通过绘画人员对色彩的设计和颜料的调配来呈现颜色的；而印刷则是首先对原稿的色彩信息进行分解，制成各单色版，再由各单色版一起还原出原稿的色彩。所以，为了提高印刷的质量，印刷技术人员必须了解色彩知识和色彩还原再现原理。

三原色理论

根据色彩学知识可知，自然界的一切颜色都来源于光，无光便无色。所以，要想真正弄清楚三原色理论就必须首先掌握色光三原色，其次是掌握和研究色料三原色。

（1）   色光三原色

太阳光是一种由各种不同波长的单色光组成的复色光，我们把不能分解的色光称为单色光，把能够分解的色光称为复色光。白光中的红光、绿光、蓝光三种色光以不同比例混合可以得自然界中的所有色光，但这三种色光都不能分解成其它色光，因此我们把红、绿、蓝称为色光三原色。而把色光相加混合得到其它颜色色光的变化规律称为色光加色法，其加色规律是：

若将三原色光，每两种或三种相加，可以得到下面的色光。

红(R)+绿(G)=黄(Y)

红(R)+蓝(B)=品红(M)

蓝(B)+绿(G)=青(C)

红(R)+绿(G)+蓝(B)=白(W)

（2）   色料三原色

各种有色物质都是可以称为色料，如颜料、染料、油墨、油漆等，而色料的呈色是对光线选择性吸收和反射（或透射）的结果。色光的三原色是红、绿、蓝三种色光，它们混合得到各种颜色。将红、绿、蓝三种色光能产生最大吸收的色料青、品红、黄称为色料三原色。理想的三原色应该完全吸收三原色光中的一种，完全反射另两种色光，如图2-5中的实线所示。色料三原色间相互混合可以得到印刷品所要表现的一切色彩，由于这种混合是对光线的吸收而呈色，这种混合呈色方式称为减色法混合。其混合规律是：

黄+品红=红

黄+青=绿

品红+青=蓝

品红+青+黄=黑(K)

两种原色的等量混合可以获得间色，三种原色的等量混合可以得到黑色或近似黑色。

(3)三原色油墨

三原色油墨习惯上称为套色墨，三原色油墨加黑版就可以进行四色作业，复制出色彩丰富的印刷品来。