在凹版印刷中，油墨的表面张力特性与色序排列是影响印刷品质量的核心因素。本研究通过分析二者间的相互作用机理，旨在优化印刷参数、改善叠印效果，从而提升工艺适应性，筛选出与印刷色序密切相关的典型产品样本。基于光学接触角测量设备对不同稀释比例的油墨表面张力展开分析，通过评估样本涂布于铜版纸表面的油墨的流平性能，确定最佳稀释参数。运用模拟叠印工艺对比不同油墨的表面张力特性，构建科学合理的印刷色序方案。本研究提出的表面张力调节策略能够显著提升油墨叠印适配性、成功解决了叠印不良等印刷适应问题，为凹版印刷工艺的优化提供了可靠的理论依据和切实可行的技术路径。

随着绿色包装理念的普及，包装材料的油墨及印刷工艺迎来了更严苛的挑战。油墨，主要由主剂（颜料和连接料）和助剂组成。助剂通过调控表面张力，影响油墨在凹版上的铺展和固化效果，为最终决定印刷品色泽、精度和质量起到决定性作用。

为增强印刷品的视觉质感、拓展色域表现，叠色印刷工艺被广泛应用，以提升图文层次与立体效果，科学设定印刷色序，不仅关系到色彩还原的准确性，还与油墨呈色特性、物理属性密切相关。实际情况表明，油墨品质偏差或色序编排不合理，极易引发流平异常、叠印瑕疵等工艺缺陷，对印刷适性产生显著影响。

油墨与纸张的结合性能，是决定印刷质量的关键因素，其核心指标包括墨层储量、渗透效率等，这些参数受油墨表面张力、粘度，以及基材表面能等多因素协同调控。根据界面热力学原理，当基材表面自由能大于油墨表面张力（接触角θ＜90°），油墨便能在基材表面实现良好润湿。该理论框架为印刷工艺优化提供了双重调控路径：一方面，可通过优化油墨配方，降低其表面张力；另一方面，能采用电晕处理、等离子体改性等表面工程技术，提升承印物表面自由能。

不过，现行生产实践中存在两个技术瓶颈。其一，传统色序的确定依赖试错法，需要多次上机验证与调整，既耗费时间，又浪费材料。其二，BOPP剥离强度测试、达因笔表面张力测试等传统检测手段，测试结果受人为操作影响极大，主观性强且重复性差。同时，这些方法难以对表面张力参数进行定量化分析，无法为印刷工艺优化提供可靠依据。

目前，接触角测量方法可用于衡量油墨在纸张上的铺展与渗透效果，但接触角测量仪大多数应用于烟用材料包装机上机适应性的研究。董浩等通过接触角分析法，系统比较了水性和溶剂型油墨在接装纸基材上的润湿差异，为界面性能研究提供了参考。陈欣等通过镀铝纸接触角测试，揭示了吸水速率对卷烟机上机适应性的影响机制。值得留意的是，前人研究大多聚焦于基材表面性能表征，而油墨界面张力与印刷色序的量化关联机制，尚未被充分阐明。

鉴于此，本文将接触角测量技术应用于印刷适应性领域，通过量化凹印油墨的表面张力，探索最佳印刷色序组合，以解决流平不佳、叠印不良等关键适性问题，为印刷工艺优化提供新方法。

材料与方法

1.材料和仪器

主要材料：产品1所用油墨（底金、专红、橙金），购自浙江美浓涂料有限公司；产品2所用油墨（浅蓝、深蓝、紫蓝），购自深圳市深赛尔股份有限公司；铜版纸，福建泰兴特纸有限公司；白芯白卡纸，金太阳纸业有限公司；正丙酯，唐山三友化工股份有限公司；二碘甲烷（化学纯），国药集团化学试剂有限公司；超纯水，实验室自制。

主要仪器：DSA30S型光学接触角测量仪，上海市克吕士科学仪器有限公司；Unique-S15型超纯水系统，厦门锐思捷水纯化技术有限公司；ME104E型电子天平，感量0.0001g，瑞士METTLER TOLEDO公司；QBB QG-50mL不锈钢比重杯密度杯，南京科睿才设备有限公司；RK凹版涂布机，英国RK Print Coat仪器设备公司。

2.方法

（1）样品前处理

采用正丙酯稀释油墨，按重量比稀释，原墨与正丙酯的稀释比例分别为1:0、8:1、4:1、2:1、4:3、1:1、3:4、1:2、1:4、1:8，得到相应的样品。稀释底金油墨，得到样品a1～a10；稀释专红油墨，得到样品b1～b10；稀释橙金油墨，得到样品c1～c10。

（2）油墨密度的测定

使用分析天平和比重瓶进行称重法测定：首先称量空比重瓶质量，为M1，用待测溶液润洗比重瓶1～3次，随后沿内瓶壁缓慢注入油墨至比重瓶装满样品液，加盖后擦除外溢液滴，用滤纸吸干外部附着液体，确保瓶身无残留液体，再次称量加液后比重瓶的重量，为M2，比重瓶的体积用V表示，根据式（1）计算出液体的密度

（1）

（3）油墨表面张力的测定

采用DSA30S光学接触角测量仪的悬滴法进行测量。将待测液体滴加至外径为1.8mm针管尖端，借助重力形成稳定悬滴，基于杨-拉普拉斯（Young-Laplace）方程对悬滴轮廓的形状和大小进行数学建模，结合图像分析技术计算表面张力数值。在测试过程中，为提高测量准确度，需确保密度数值准确，且悬滴液处于悬而未滴的状态，形状系数B保持在0.60±0.06范围内。

（4）接触角的测定

基于DSA30S型光学接触角测量系统，采用座滴法开展接触角测定，测试时设置固定液滴体积为2μL，注射速率控制为2μL/s。针对不同粘度样品选用相应的针头，高粘度液体选用外径约为1.8mm的针管，低粘度液体选用外径约为0.5mm的针头。利用Ellipse（Tangent-1）算法对液滴轮廓进行拟合分析，系统自动校准基线位置，确保接触角计算精度。每次测量连续采集15帧图像（间隔0.5s），通过图像处理技术获取接触角数据，确保数据可靠性。每组样品实施5次平行测定，最终测试结果以算术平均值为准。

（5）纸张表面自由能的测定

在标准温湿度环境下，采用微量移液器在纸张表面分别滴注超纯水与二碘甲烷标准液滴。依据前文标准测试流程，运用接触角测量技术获取两种液体在纸张表面的平均接触角值。基于Owens-Wendt-Rabel-Kaelble表面自由能计算模型，联立超纯水与二碘甲烷的表面张力及其极性/色散分量，通过Young方程联立方程组推导得到纸张的表面自由能数值。

结果与讨论

1.样品的密度和表面张力

印刷色序的确定需综合考量油墨透明度、干燥性能及表面张力的关键参数。本研究中底金、专红、橙金油墨的透明度和干燥性能相差不大，故重点聚焦表面张力对色序的影响机制。通过调节溶剂稀释比例，系统研究油墨表面张力变化规律，按照前文所述制备3组梯度稀释样品（a1～a10、b1～b10、c1～c10），并分别测定样品的密度和表面张力。实验数据显示，随着稀释比例的递增，油墨质量分数呈梯度降低趋势，同时，密度与表面张力参数协同下降。如图1所示，质量分数和表面张力呈显著线性正相关，表面张力随着质量分数的升高而规律性递增。原墨的表面张力测试值依次为专红（26.40mN/m）＞橙金（24.83mN/m）＞底金（23.83mN/m），该序列与现行生产工艺色序完全吻合，该发现为基于表面张力梯度建立印刷色序决策模型提供了理论支撑。

图1 表面张力与质量分数的关系图

2.样品的铺展性

随着溶剂添加量的递增，油墨质量分数呈现梯度递减趋势，表面张力同步降低。根据界面物理化学理论框架，当液体的表面张力低于固体表面自由能时，液固界面将形成理想润湿状态，确保油墨的均匀铺展与附着。根据前文所述方法测定铜版纸的表面自由能，结果为43.41mN/m，显著高于底金（23.83mN/m）、专红（26.40mN/m）、橙金（24.83mN/m）这3种油墨的表面张力，这一结果表明铜版纸与实验油墨间存在良好的界面润湿性。基于界面热力学理论，建立液滴铺展模型发现：当油墨表面张力降低时，液滴回缩驱动力随之减弱，其铺展效能与表面张力呈现显著负相关。那么能否进一步稀释油墨，使油墨的表面张力足够低，使得油墨更容易在铜版纸上铺展，于是采用RK展色仪对梯度稀释样品（a1～a10、b1～b10、c1～c10）进行涂布实验。如图2所示，随着稀释比例增大，墨层厚度显著变薄，同时出现色彩浓度梯度分布不均现象。综合印刷适性评价结果，建议将稀释比例严格控制在1:1以内，以平衡墨层流平性与色彩均匀性。

图2 样品铺展在铜版纸上的展示图

3.印刷色序

基于前文测试结果，确定油墨与正丙酯的最佳配比为2:1，在溶剂型凹版印刷工艺中，采用干式叠印模式，即前色墨膜达到半固化状态时进行后色叠加，两色间的结合通过热风干燥系统实现。叠印效果与油墨界面结合力密切相关，界面结合力越高，色彩叠印效果越优。根据润湿理论，理想叠印需满足以下条件，一是先印墨膜表面可被后印油墨完全润湿；二是先印油墨的内聚力需大于后印油墨内聚力。

实验数据显示，样张A、B、C的表面自由能依次为40.55mN/m、38.77mN/m、39.38mN/m，a、b、c油墨的表面张力分别21.93mN/m、23.46mN/m、22.57mN/m，三者均低于样张表面自由能，满足条件一的润湿要求。根据表面热力学理论，内聚力作为分子间作用力的宏观体现，与表面张力存在正相关关系：油墨分子间作用力越强，内聚力越高，使得油墨分子排列更加紧密，导致表面张力升高。因此，条件二要求可以转化为表面张力梯度要求：先印油墨界面张力大于后印油墨界面张力。基于实测数据排序：专红（23.46mN/m）＞橙（22.57mN/m）＞底金（21.93mN/m），最终确定印刷色序为专红、橙金、底金，与生产实际一致。

通过模拟叠印工艺验证色序方案：按油墨与正丙酯的体积比为2:1稀释底金、专红、橙金油墨制得样品a、b、c，将其均匀涂布于铜版纸表面，干燥后分别标记为样张A、B、C。通过交叉滴定实验（样品a涂布于B/C，样品b涂布于A/C，样品c涂布于A/B），利用接触角仪量化分析不同组合的润湿特性。如表1所示，b滴定在A、C上的接触角值分别为40.04°、48.50°，均为各组最大值，表明专红油墨应放在第一道印刷。a在B上的接触角为35.51°，远大于滴定在C上的23.47°，说明底金墨层适合作为末道色序。c在A、B上的接触角分别为23.79°、18.60°，均呈现较低值，验证了橙金接触角（°）样品a滴定 样品b滴定 样品c滴定样张A — 40.04 23.79样张B 35.51 — 18.60样张C 23.47 48.50 —表1 样品abc滴定在样张ABC的接触角接触角（°）浅蓝油墨滴定 深蓝油墨滴定 紫蓝油墨滴定浅蓝样张 — 40.04 23.79深蓝样张 35.51 — 18.60蓝样张 23.47 48.50 —表2 浅蓝、深蓝、紫蓝油墨滴定在其涂布后的样张上的接触角作为中间色序的合理性。因此，印刷色序应该为专红、橙金、底金，这与表面张力推测出来的结果是一致的，说明以表面张力确定印刷色序的方法是可行的。

4.应用

当生产实际色序与基于表面张力梯度理论的色序决策模型存在偏差时，可通过油墨配方优化实现表面张力参数匹配。以产品2为例，浅蓝（24.73mN/m）、深蓝（25.51mN/m）、紫蓝（24.54mN/m）三色油墨理论色序应为深蓝、浅蓝、紫蓝。表2中接触角数据表明，浅蓝油墨滴定在深蓝样张的接触角较小，因此深蓝应当放在浅蓝前印刷；紫蓝油墨滴定在浅蓝样张上的接触角较小，因此浅蓝应当放在紫蓝前印刷。据此推断，印刷色序应当遵循深蓝、浅蓝、紫蓝的梯度排列，这与表面张力的结果是一致的。但实际生产中采用浅蓝、深蓝、紫蓝的固定色序，导致出现印刷适性问题。基于溶剂配比优化策略，通过精确调控溶剂或助剂量实现深蓝油墨表面张力的精准调控，使其表面张力值成功降至浅蓝与紫蓝油墨界面张力区间内，形成浅蓝（24.73mN/m）＞深蓝（24.12mN/m）＞紫蓝（23.74mN/m）的表面张力梯度，成功解决叠印不良问题。

结语

本研究建立了凹版印刷中油墨表面张力梯度调控与印刷色序优化的量化关系模型，主要可获得以下结论：

1）凹版印刷中油墨的表面张力会随着溶剂稀释比例的增加而逐渐降低，与油墨的质量分数呈现负线性相关。因此，可以通过加入溶剂来调整油墨的表面张力，当溶剂添加量增加时，油墨的表面张力随之降低。

2）稀释度对墨层流平性能和色彩均匀性有双重影响：稀释度增加可提升油墨的流平性能，但会导致色彩饱和度下降和墨层厚度不均匀。综合印刷适性评价：建议将原墨和溶剂/助剂按体积比的稀释比例控制在1:1以内。

3）提出基于表面张力梯度的色序决策准则：用表面张力较高的油墨优化印刷，后续油墨表面张力依次递减。此方法不仅可以确定印刷色序，还可以通过调整表面张力，使后一道印刷的油墨表面张力小于前一道油墨的表面张力，以此解决流平不良、叠印不良等印刷问题。

综上所述，本研究提出的色序决策模型将接触角测量技术转化为实际工艺参数，不仅显著提升叠印质量，还可减少试错成本，为凹版印刷的标准化、高效化生产提供技术支撑。