电磁波谱在印刷行业的实际应用*①

韩春柏

(上海理工大学理学院 上海出版印刷高等专科学校 上海 200093)

杨毅 王孟禄 尹国盛

(河南大学物理与电子学院 河南 开封 475004)

电磁波谱是大学物理课程中的一部分内容.一般的大学物理教材在讲述电磁波谱的时候，仅对电磁波按波长(或频率)划分为若干个波段简单介绍一下，即无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等都是电磁波，只是由于它们的频率(或波长)不同，而呈现不同的特征[1].这对于一般的理工类专业而言，是可行的;但对于印刷专业来说，就显得远远不够了.现仅从电磁波谱在印刷行业的实际应用做一探讨，以弥补不足，并供参考.

1 微波

微波是波长在1 m～1 mm之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称.我们着重介绍微波的热效应及其在包装印刷上的应用.

微波对生物体的热效应是指由微波引起的生物组织或系统受热而对生物体产生的生理影响.热效应主要是生物体内有极分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热；体内离子在微波作用下振动也会将振动能量转化为热量；一般分子也会吸收微波能量后使热运动能量增加.

利用微波的热效应可以使物料温度升高，产生热化和膨化等一系列物化过程从而达到微波加热干燥的目的.例如，印刷用纸需要纸张含水量适度，过干或过湿都不利于印刷.纸张含水在15%～20%的情况下采用微波干燥比通常的蒸气干燥效果好.由于微波的自动平衡作用，能使整个纸张达到湿度非常均匀的水平，不易出现过度干燥.可使纸张的物理性能、强度、印刷适性等均较好.

在印刷包装方面，微波在纸板及几层粘合的纸张烘干方面效果良好，3～5 min即可达到干燥的质量要求，层与层之间粘合牢固、无起层现象；便于实现流水生产，改善劳动条件，提高生产质量[2].

微波还可以杀菌.微波杀菌是电磁场的热效应和生物效应共同作用的结果.微波对细菌的热效应是微波产生的热使蛋白质变化，从而使细菌失去营养、繁殖和生存的条件而死亡.微波对细菌的生物效应是微波电场改变细胞膜断面的电势分布，影响细胞膜周围电子和离子浓度，从而改变细胞膜的通透性能，细菌因此营养不良，不能正常新陈代谢，导致细胞结构功能紊乱，生长发育受到抑制而死亡.此外，微波能使细菌正常生长和稳定遗传繁殖的核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)的若干氢键松弛、断裂和重组，从而诱发遗传基因突变，或染色体畸变甚至断裂.

微波加热、杀菌技术应用于印刷包装行业，是一种有效的防虫害、防霉菌包装技术.

2 红外线

红外线是电磁光谱中波长0.6 mm～760 nm的一段.我们着重介绍红外线的热效应及其在包装印刷上的应用.

红外线具有明显的热效应.一切物体都在不停地辐射红外线.物体的温度越高，辐射的红外线就越多.红外线照射到物体上最明显的效果就是产生热效应.当红外线投射到物体上时，如果物体中存在两个间隔为E的能级，当红外光子的能量hν=E时，光子就可能被吸收.在宏观上吸收表现为红外线的热效应.所以现代物理学称红外线为热射线.

物体吸收红外线后，转化成能量，温度升高，这是红外加热的原理.如果物体足够厚，红外线的透入率又很高，可使物体内部温度高于表面温度，从而导致很大的温度差.大的温度差变化可以激发质量的迁移，使物体内的水分蒸发，这就是红外干燥的机理.

红外加热、红外干燥的加热方式为内外同热，能在很短时间内达到所要求的温度，且能按规定的程序控制加热过程，易于实现自动化.

红外加热与红外干燥技术应用于印刷包装行业，辐照50 s就可以消灭包装件表层的害虫或霉菌，是一种有效的防虫害、防霉菌包装技术.

我们知道，通常液体的黏度随着温度的升高而减小.利用红外测温计测油墨的温度，可方便准确地掌握油墨的黏度和流变性.

红外线通过如氯化钠或锗等材料特制的透镜或棱镜成像或色散，可使特制的底片感光，并通过“图像变换器”转变成可见的像.红外照相就是按此原理制成的[3].

3 紫外线

紫外线是波长在400 ～10 nm的电磁波.我们着重介绍紫外线的光化学效应、荧光效应和生理效应及其在包装印刷上的应用.

(1)紫外线的光化学效应.波长在200～400 nm的紫外线的能量(3～6 eV)正是许多物质(化学键能也在3～6 eV的范围内)吸收后产生光化学反应所需的能量.尤其是短波紫外线的光子能量较大，对光化学反应特别有效，能直接引起一些物质的化合和分解.紫外线能够使含有溴化银的照相底片感光就是其光化学作用的体现.

印刷制版和晒版新工艺采用重氮盐感光性树脂制成PS版，其感光过程实质就是一个紫外线光化学效应过程，即当重氮基团受到紫外线照射后，感光剂迅速分解并放出氮气.分子的其他部分进行结构重排而生成易溶于碱水的羧酸衍生物.根据曝光后版面溶解性的不同，就很容易地把紫外线照射的非图像部分经过显影而除掉.版面上仅留下有图像的部分，构成印刷版材[4].

(2)紫外线的荧光效应.所以当紫外线照射到很多物质上时使其分子受激而发出荧光.这些物质辐射荧光的现象就称为紫外线的荧光效应.

在机械制造(包括印刷机械制造)工业中，以前对零件的探伤常采用超声波或X光等方法，但都不如用荧光方法简便.荧光探伤就是把被检测的零件在荧光物质的溶液中浸泡一定时间，取出后用毛刷把零件表面的荧光物质刷掉，由于浸入零件裂缝中的荧光物质不可能被刷掉，经过这样处理的零件放入暗室里，用不透明玻壳的紫外线高压汞灯照射零件表面，残存在裂缝内部的荧光物质发射出荧光来，就可以找出有伤痕的零件.

另外，对于一些特殊的印刷品(例如文件、纸币、证件、邮票、历史文物和书画等)，借助荧光分析可以辨别其真伪.

(3)紫外线的生理效应.当紫外线照射人体或生物体后，使人体或生物体发生生理变化，如紫外线对血色有益，能杀菌、消毒.

细菌中的脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)和核蛋白吸收紫外线的最强峰在254～257 nm.波长200～290 nm的紫外线能穿透细菌、病毒的细胞膜，细菌吸收紫外线后，引起DNA链断裂，造成核酸和蛋白的交联破裂，杀灭核酸的生物活性，致细菌死亡.

紫外线应用于印刷包装行业，用其照射包装材料和被包装产品，属于防虫害、防霉菌，具有快速、高效、无污染的灭虫、杀菌效果.

紫外线还有固化油墨的作用：在紫外线照射下，能够快速干燥油墨，使之短时间内从液态变成固态.

4 X射线

X射线是波长范围在0.01～1.0 nm的电磁波.现主要介绍X射线杀虫机理、防虫害包装和X射线印刷.

X射线是原子内层电子跃迁发出的辐射，辐射波长短(0.01～1.0 nm)，能量高(1～100 eV)，具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如上千页的书、2～3 cm的木板、3.5 mm厚的铝板、0.018 mm厚的铂板等.各种物质对X射线的吸收不一样，因此X射线一经发现即得到应用，例如医院中的透视、拍片.在机械制造(包括印刷机械制造)工业中，常采用X光对机械零件进行探伤等[5].

X射线的直接作用是在生物体中被吸收时，射线作用于具有生物活性的大分子，如核酸、蛋白质(包括酶类)等，使其发生电离、激发或化学键的断裂，造成分子结构和性质的改变，从而引起功能和代谢的障碍.实验证明，辐射可引起DNA的断裂、解聚、合成障碍等，此外还可引起某些酶的活性降低.

X射线的间接作用是射线作用于体液的水分子，引起水分子的电离和激发，形成化学性质非常活泼的一系列产物,继而作用于生物大分子引起损伤.由于机体的多数细胞含水量很高，一般达70%以上，所以有机分子的辐射损伤几乎全是由水的辐射分解产物自由基的作用而引起的[6].

印刷包装中利用X射线的对生物体的直接作用和间接作用，使害虫死亡或者不孕，从而达到防虫害的目的，称为防虫害包装技术.

X射线印刷是用阴影印刷复制图形的一种技术.所需的图形在掩模上产生，而掩模在涂镀灵敏材料(感光性树脂)的晶片前精确定位.X射线照射掩模在晶片上投下一个阴影，从而将图形由掩模传送到晶片上.X射线波长较短，因而可以得到较高的分辨率.这一方法现在正发展为一门新技术，用于生产下一代微芯片和组件.

X射线印刷除了用于制造微电路元件外，也可用于制造很小的机械零件，可直接使用曝光过或显影过的光刻胶，也可用模子来生产另一种材料(陶瓷或金属)的元件[7].

5 γ射线

γ射线是波长λ≤0.01 nm的电磁波，又称γ光子.现主要介绍γ射线在包装印刷上的一些应用.

γ射线有很强的穿透本领，工业中可用来探伤、研究机械磨损、测量物体的厚度或密度、实现流水线的自动控制[8].

由于各种物质对γ射线都有一定的吸收作用，因而可以根据探测器所测得的γ射线的强度确定γ射线在物质中穿越的距离.将放射源和探测器分别放在待测样品的两侧，可立即测出金属板(片)、纸张、塑料板(膜)等样品的厚度.还可以将探测器所接收到的辐射信号加以放大，用以控制压辊的间隙，实现厚度的自动控制[9].

利用γ射线照射包装的商品是印刷包装防虫害、防霉腐包装技术之一.

生物体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到生物体的内部，并与体内细胞发生电离作用.电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦遭到破坏，就会导致生物体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡.

通过γ射线作用于害虫的机体，利用γ射线的杀伤能力破坏害虫的生理机能和机体结构，劣化害虫的生活条件，促使害虫死亡或抑制害虫繁殖，从而达到防虫害的目的.

包装的商品经过γ射线辐射后即完成了消毒灭菌作用，既简便又不会改变受消毒物品的形态.经照射后，如果不再污染，配合冷藏条件，小剂量辐射能延长保存数周到数月.大剂量辐射可彻底灭菌，长期保存.

γ射线的直接作用是当γ射线通过微生物时能使微生物内部成分分解而引起诱变或死亡.其间接作用是使水分子离解成为自由基，自由基与液体中溶解的氧作用产生强氧化基团，此基团使微生物酶蛋白的-SH基氧化，酶失去活性，因而使其诱变而死亡.用γ射线杀菌灭虫，照射不会引起物体升温，故称其为冷杀菌.

物理是一切自然科学和工程技术的基础，物理课更重要的是为学生打好坚实的知识上、思想上、方法上的基础. 对于以上物理学在印刷上的应用内容的补充，为学生提供了一些“看得见、摸得着”的实际应用的例子，使学生感觉得到物理学离印刷很近，这对提高印刷专业学生学习物理的兴趣起到了一定的作用.

参考文献

1 尹国盛,等.大学物理.北京：机械工业出版社，2010.152

2 曹茂盛,等.物理学与现代工程技术. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.82

3 复旦大学,等.物理学，电磁学.上海：上海科学技术出版社，1979.349

4 任静,等.紫外线技术及其应用.现代物理知识，2001(6)： 32

5 顾建中.原子物理学.北京：高等教育出版社，1986.11

6 刘东华,等.神奇的外科手术刀——γ刀与X刀.现代物理知识，2005(5)：29

7 朱爱民.加速器的应用.现代物理知识，1996(3)：16

8 褚圣麟.原子核物理学导论.北京：高等教育出版社，1987.147～148

9 刘克哲.物理学(第二版下卷).北京：高等教育出版社，1999.713