光干涉变色油墨

光干涉变色油墨

光干涉变色油墨简称光变油墨、又称光学变色油墨是二十世纪九十年代才问世的具有动态变色效果的新型油墨。用它印刷的图文从不同的角度观察能变幻出不同的颜色。特别在0°左右观察与在60°左右观察时将呈现出两种非常明显的截然不同的颜色。这种变色效果来自于油墨中的光干涉颜料。

何为光干涉颜料

这要从自然界的颜色讲起。众所周知颜色是眼睛和大脑对可见光谱波长范围400700nm的感光反应。当白光如自然光照在物体上时我们感受到的只是该物体表面被反射波长的光“反射色”其余的波长被物体吸收而感受不到。不同的物体对光波的吸收和反射是千差万别的世间万物因此各具特色。“反射色”由物体内在特性所决定无论观察的角度和光源的方向怎样变化物体的颜色保持不变。“干涉色”与此相反它不属于物体本身的特性是由于光干涉的物理作用而呈现出的颜色。如肥皂泡不吸收光本身是无色透明的但当它的厚薄满足光干涉条件时就会呈现出彩虹般的五颜六色。“干涉色”可随光线入射角和观察角度的变化而发生变色这是“反射色”所无法达到的。

光干涉颜料是人类模仿大自然的杰作。建立在平行平板多光束干涉原理基础上的薄膜光学是人造“干涉色”的理论基础。薄膜光学实现了人类对物体表面反射光谱及光学性能进行控制和选择的愿望。图1为一多层光学薄膜结构膜厚以纳米为单位示意图在此只讨论与我们有关的反射光及相关的物理量略去复杂的薄膜计算表达式。由薄膜光学理论得知入射光在各层薄膜界面上的反射光之振幅矢量分别为r1、r2e -2iδ1、……、rk1e -2iδ1δ2……δk其中r1、r2、……、rk1分别是界面两边的折射率N0与N1、N1与N2、……、Nk1与Nk的函数称为反射系数。δ为各反射光之间的位相差δ1 2π/λ·11cosθ1、……、δk 2π/λ·kkcosθk 式中λ为入射光波长1、k分别为第一层薄膜及第k层薄膜的厚度θ1、θk分别为光在第一层和第k层薄膜的入射角θ1、θ2、……、θk由θ0和N0、N1、……、Nk决定。多层光学薄膜的反射率R是各反射系数r也即N1、……、Nk和位相差δ也即λ、θ0和1、…、k的函数。

据此我们分析如下①对于一个确定按需要设计成型的膜系结构来看其膜层的材料N和厚度d及入射介质N0均为已知的定数其表面反射率R就只是入射光波长λ和入射角θ0的函数。给定一个θ0便可得到该膜系在这一θ0条件下按波长分布的反射光谱曲线。即每个确定的膜系都具有特定的反射光谱。而这反射光谱将随入射角θ0的改变而变化。这就是人造膜系产生的干涉色可随光线入射角和观察角度的变化而发生变色的缘由。②我们可根据需要进行膜系设计合理计算选配膜层材料及膜层厚度改变N、d值来达到预定的反射光谱及光学性能指标。实现人们对物体表面反射光谱及光学性能进行控制和选择的愿望。光干涉颜料就是将具有干涉结构的光学薄膜经粉碎、分级、表面处理等一系列颜料化处理后生成的。它成功地利用了光学薄膜能产生各种动态干涉色之特性。这种别具一格的片状颜料保持了光学薄膜的所有光学特性只要观察角度和光线入射角不同每片颜料就会向镜面一样反射出缤纷的变化色彩。准确地运用光干涉技术可以精确地控制颜色的变化。

光学薄膜是按膜系结构的要求在高真空条件下把不同折射率的材料依次交替淀积在同一载体上形成。材料是以分子或原子的形式被蒸发到载体上为保证膜

层的均匀性和致密性必须严格控制蒸发速率的一致性而为了控制膜系的颜色指标必须将膜层厚度的误差控制在埃1埃10-1纳米10-7毫米的范围内。由此可见光学薄膜生产的精密性和特殊性。

膜系设计在满足光谱要求的前提下膜层数应尽可能少以降低生产成本。目前较理想的光干涉颜料膜系为图2所示的5层对称式结构膜系厚度在1微米左右中间是不透明的反射层可视作上下两部干涉腔的共用基底两边是对称的透明无色介质层和半透明金属层使膜片上下两面都具有同样的干涉色。改变透明介质层的厚度就能改变膜系的颜色以获得各种颜色的光干涉颜料。由于膜系在高真空下制成使用的全是无色或透明的无机材料生成的光干涉颜料性能稳定、结构致密、不会褪色、耐候性极强、抗剪切性好、可按油墨对粒径的要求任意粉碎。

目前国际上还有利用天然云母片和金属铝片为基底用化学包覆的方法来制取的干涉颜料也有利用液晶片的特性制取的干涉颜料。但从颜色种类到物理特性都无法同光干涉颜料相比。它们主要用在涂料行业难以满足印刷油墨对片状颜料的苛刻要求。光变油墨的印制品所具有的动态变色效果无法用高清晰度扫描仪、彩色复印机及其他设备进行复制加之其设计和生产技术极具专业性制作工艺复杂投资巨大难以仿制因此它被世界上七十多个国家用于货币的防伪。自99版100元人民币使用以来该防伪标记在假币上至今未被仿制成为报刊上辨认真假人民币的重要宣传标记。此外还可广泛用于各类有价证券、著名商标、证件票据、产品包装等印刷品的防伪。

目前国际上只有美国能生产薄膜光干涉颜料采用美国颜料生产光变油墨的公司也屈指可数。国内惠州市华阳光学技术有限公司已成功自主研制并规模化批量生产光干涉颜料和光变油墨产品具有国际先进水平。目前已使用在多家著名卷烟包装和重要证件的防伪印刷上。