1. Теоретические основы технологии отделки печатной продукции и технологии брошюровочно-переплетных процессов

В технологии отделки оттисков и в ТБПП в 30 различных операциях, от припрессовки полимерной пленки к оттискам до штриховки готовых книг, материалы, полуфабрикаты, издания и изделия испытывают силовое воздействие, сопровождающееся обратимыми и необратимыми деформациями сжатия, растяжения, изгиба и сдвига. Целенаправленное силовое воздействие в этих операциях позволяет получить удобные в работе или необходимые размеры заготовок и конфигурацию деталей, готовых изданий и изделий, изменить фактуру поверхности и плотность материалов, обеспечить надежную склейку деталей и облегчить проведение последующих операций, уменьшить нагрузки на швейное и клеевое скрепление при пользовании книжным изданием, продлить срок его службы.

Процессы склеивания используются в 18 операциях — от припрессовки полимерной пленки к оттискам до вставки блоков в крышки и наклейки ярлыков на упаковку. По крайней мере в трех операциях ТБПП — при приклейке форзацев, заклейке корешка блоков и клеевом бесшвейном скреплении — качество склеивания определяет прочность и долговечность книжных изданий, а в других случаях оно обеспечивает надежное и быстрое соединение деталей книжной конструкции при минимальных затратах финансов, материалов и производственного времени.

Процессы сушки неразрывно связаны с процессами склеивания деталей клеями, содержащими влагу, а инженерно грамотное их проведение позволяет получить требуемое качество полуфабри катов на последующих операциях, связанных с процессами деформирования, резко сократить сроки выпуска заказов.

1.1. Основы теории деформирования полимеров

1.1.1. ВИДЫ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛИМЕРОВ

Всякое силовое воздействие на материал сопровождается деформацией - изменением его формы, объема и плотности, а егоконечный результат зависит от величины силового воздействия, химической природы и физико-механических свойств материала, За редким исключением (кроме полиграфической проволоки, алюминиевой и бронзовой пудры) печатная бумага и все переплетные материалы являются органическими веществами и относятся к классу полимеров, причем основные материалы - бумага и картон - состоят в основном из целлюлозы и древесной массы. Многие виды бумаги в своем составе содержат клеящие вещества (золи), обычно эфиры олигомера канифоли, и минеральные наполнители - белые мелкодисперсные порошки оксидов титана, цинка, гидроксида алюминия или каолина. Их наличие, безусловно, влияет на конечный результат действия внешней силы, но основное влияние на процессы деформирования, на качество полуфабрикатов и продукции оказывают основные компоненты - целлюлоза и древесная масса. Деформация полимеров сопровождается деформацией и перемещением молекул полимера или их агрегатов. Современная теория деформирования полимеров рассматривает четыре вида деформации - упругую, высокоэластическую, вынужденную высокоэластическую и пластическую, - которые по мере нагружения деформируемого тела возникают и в разной степени изменяют его размеры и определяют конечный результат силового воздействия. В плотных и однородных по структуре материалах по мере возрастания деформирующей силы и напряжения в теле возникает упругая деформация , затем высокоэластическая , вынужденная высокоэластическая и пластическая , сумма которых определяет полную деформацию тела :

(1.1)

Если материал имеет неоднородную структуру и плотность, то в разных его участках в один и тот же момент времени могут развиваться два, три и даже все четыре вида деформации. В теории деформации материалов пользуются понятием относительной деформации (%)

(1.2)

 

где - размеры тела до и после (или в момент) деформирования, м.

Это удобно, так как величина e практически не изменяется при изменении размера . На практике, в производственных условиях пользоваться этим понятием неудобно, так как необходимо сделать два измерения()и три арифметических действия. Для оценки качества полуфабрикатов в ТБПП важен конечный результат деформирования тетрадей, блоков, переплетных крышек, который регламентируется нормативными документами и может быть определен одним измерением, без арифметических действий, с помощью металлической линейки или индикаторного глубиномера. По этим причинам в производственных условиях пользуются понятием абсолютной остаточной деформации , выражаемой в единицах длины - мкм, мм, см. Абсолютную остаточную деформацию, состоящую из вынужденной высокоэластической и пластической деформаций следует измерять не сразу, а через 0,5-2 ч после снятия нагрузки.

 

 

1.1.2. УПРУГАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

При получении упругой деформации необходимо преодолеть силы ионного, молекулярного взаимодействия или химических связей. Большие по величине, эти силы действуют на малых расстояниях, а при их преодолении упорядоченная структура материала разрушается. По этим причинам относительная упругая деформация в кристаллах, требующая значительно меньших напряжений, чем это необходимо для преодоления химических связей в молекулах, не превышает 0,2% от полной деформации тела. В полимерах упругая деформация может составлять 0,1-1,0% от величины обратимой деформации:

 

(1.3)

Связь между элементарными частицами в кристаллической решетке неорганических веществ и в кристаллических образованиях полимеров много слабее химической связи в молекулах, поэтому упругая деформация первой возникает и исчезает при приложении и снятии нагрузки. Зависимость упругой деформации от напряжения описывается законом Гука

 

(1.4)

где - напряжение, Па; Е - модуль Юнга, Па. Модуль Юнга (модуль упругости) численно равен напряжению, изменяющему размер деформируемого тела в 2 раза.

Кристалличность целлюлозы естественного происхождения оценивается в 70%, но в процессе переработки в полиграфических и других материалах она снижена примерно вдвое, до 35%. Считая, что упругая деформация в полимерах на основе целлюлозы затрагивает лишь кристаллические образования, подсчитаем ее долю при обрыве бумажного полотна в рулонной печатной машине:

 

(1.5)

где = 0,09% - удлинение бумаги № 1 при разрыве в машинном направлении; kкр = 35% - кристалличность бумаги, состоящей из целлюлозы; ky = 1% - максимальная доля упругой деформации в полимерах.

Это немногим более 0,03 мм на 1 м длины полотна - величина, которой можно пренебречь.

В процессе блинтового и конгревного тиснения обратимая деформация сжатия картона за счет его пористой структуры может достигать 35%, поэтому абсолютная упругая деформация сжатия толстого картона будет равна

 

(1.6)

где K = 3,0 мм - максимальная толщина переплетного картона; = 35% - относительная обратимая деформация картона.

Полученное значение более чем на порядок превышает точность измерительных инструментов, которыми рекомендуется оценивать качество тиснения на переплетных крышках.

 

 

1.1.3. ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Высокоэластическая деформация характерна только для полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии. Она возникает при наличии гибких макромолекул и обусловлена возможностью изменения их формы под действием внешней силы.

Полимеры могут находиться в высокоэластическом состоянии в интервале температур от их температуры стеклования Тс до температуры текучести Тт. В интервале температур Тс - Тт есть относительно малая по величине переходная температурная область, в которой высокоэластическая деформация при малом времени действия механических и электромагнитных полей может и не развиться. Эта температурная область характеризуется температурой механического стеклования Тм, которая больше Тс, но значительно меньше температуры текучести. При переходе через Тм деформационные свойства полимера резко изменяются. При относительно малых напряжениях в полимере, находящемся в стеклообразном и высокоэластическом состоянии ниже Тм, возникает только упругая деформация с модулем упругости порядка 2-6 ГПа (20-60 тс/см2), выше Тм возникают как упругая, так и высокоэластическая составляющие обратимой деформации.

Если упругая деформация сопровождается изменением средних межатомных и межмолекулярных расстояний и деформацией валентных углов полимерной цепи, то высокоэластическая деформация - ориентацией и перемещением звеньев гибких цепей; по величине она практически равна полной обратимой деформации, так как превышает упругую в 100-1000 раз. При деформации полимера в несколько процентов высокоэластическая деформация пропорциональна напряжению, но высокоэластический модуль Ев зависит от скорости нагружения. В высокоэластичных материалах (в полимерных пленках, резинах) этот модуль зависит от скорости и при деформации в сотни процентов.

После снятия нагрузки релаксация напряжения в линейных полимерах с течением времени приводит к полному исчезновению напряжения, а в сшитых полимерах - к достижению отличного от нуля напряжения. При тиснении на переплетных крышках штампом комнатной температуры время релаксации деформации не превышает 3 ч, а при тиснении нагретым до 100-150°С штампом релаксация деформации не наблюдается.

 

 

1.1.4. ВЫНУЖДЕННАЯ ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

При высоких нагрузках высокоэластическая деформация твердых полимеров, находящихся в кристаллическом или высокоэластическом состоянии, может перерасти в вынужденную высокоэластическую деформацию , которая развивается и ниже температуры механического стеклования Тм. В этом случае деформация полимеров происходит вследствие быстрого перемещения цепей макромолекул или в результате взаимного смещения относительно крупных элементов надмолекулярной структуры. Этот вид деформации может достигать сотни процентов и сохраняться длительное время после снятия нагрузки.

Процесс вынужденной высокоэластической деформации в аморфных полимерах объясняется релаксационной теорией. Время релаксации , характеризующее скорость перегруппировки сегментов макромолекул и скорость высокоэластической деформации, зависит от абсолютной температуры Т, энергии активации , определяемой потенциальными барьерами, которые преодолевают эти элементы структуры при переходе из одного равновесного состояния в другое:

 

(1.7)

где - постоянная, с; а - постоянная, зависящая от объема сегмента цепочечной молекулы, м3; k = 1,38Ч10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, К; - напряжение, Па. При низких температуре и напряжении время релаксации может стать гораздо больше времени наблюдения, поэтому высокоэластическая деформация воспринимается необратимой. Вынужденную высокоэластическую деформацию иногда ошибочно отождествляют с пластической, так как по внешнему признаку они схожи. При нагревании до температуры стеклования или при набухании полимера, например, во влажном воздухе она полностью исчезает, а полимер восстанавливает свою форму.

 

 

1.1.5. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Пластическая деформация у твердых полимеров проявляется при высоких напряжениях и (или) температурах и обусловлена необратимым перемещением макромолекул или их агрегатов. Она всегда сопровождается развитием высокоэластической деформации, что усложняет ее наблюдение и качественную и количественную оценку. При пластической деформации любое твердое вещество утрачивает свойства, определяемые понятиями "твердость" и "жесткость", приобретает свойство текучести, которое характеризуется вязкостью и описывается уравнением Ньютона

 

(1.8)

где - тангенциальное (касательное) напряжение, Па; - динамическая вязкость, Па*с; - градиент скорости относительного перемещения соседних слоев жидкости, м/(с?м) = .

У полимеров, проявляющих признаки течения при высоких нагрузках, зависимость между напряжением и скоростью деформации для сравнительно небольшого диапазона скоростей может быть описана степенным законом

 

(1.9)

где - скорость относительной деформации,%/c;1, - константы.

При постоянной скорости деформации напряжение с течением времени изменяется по кривой с максимумом (рис. 1.1), так как в деформируемом полимере одновременно протекают два процесса - развитие высокоэластической деформации, повышающее напряжение, и тиксотропное (обратимое) разрушение структуры полимера, приводящее к его снижению.

По мере разрушения структуры полимера напряжение стабилизируется, но с увеличением скорости деформации оно возрастает.

При испытаниях полимеров на сжатие необратимую деформацию характеризуют условным показателем пластичности

 

(1.10)

где - соответственно толщина образца - начальная, под нагрузкой F и после снятия нагрузки и восстановления.

 

Бумага и переплетные материалы на основе целлюлозы при нормальной, нормируемой ГОСТом влажности порядка 5-10% вряд ли способна к пластической деформации, вязкому течению, описываемому уравнениями (1.8) и (1.9). Целлюлоза, основной компонент бумаги, - сравнительно жесткоцепный полимер, температура плавления которого выше температуры термической деструкции, а нагревание ее свыше температуры стеклования (около 220°С) может привести лишь к разложению макромолекул. Термическая деструкция целлюлозы начинается уже при температуре 150°С; при температуре от 170°С она окисляется молекулярным кислородом, а при температуре свыше 300°С происходит пиролиз.

В сухой целлюлозе практически все ОН-группы целлюлозы участвуют в образовании водородных связей между молекулами в микро-, макрофибриллах и в волокнах. Энергия водородной связи весьма высока (в воде при 0°С она равна 20 кДж/моль), поэтому вероятность разрыва водородных связей при деформировании материалов на основе целлюлозы маловероятна. Связь между волокнами бумаги и картона осуществляется за счет значительно более слабых ван-дер-ваальсовых сил, а в бумаге № 2 и № 3 и в переплетном картоне, содержащих относительно грубые и шероховатые волокна древесной массы, и за счет сил трения. Преодоление этих сил может сопровождаться относительным смещением волокон; в процессах разрезки и тиснения возможно разделение волокон на фибриллы и микрофибриллы, но этот процесс следует отнести к механической деструкции надмолекулярной структуры, но не к вязкому течению в жидкостях. При склеивании бумаги и картона клеями с большим содержанием воды водородные связи между молекулами целлюлозы заменяются мостиковыми связями через диполи воды. Такая связь сравнительно легко может быть разрушена при силовом воздействии, но это уже другой материал - "папье-маше" [18, 24, 29, 31].

Гладкий срез бумаги и картона, получаемый в процессах разрезки, перфорации и высечки, не может служить свидетельством наличия в них пластической деформации, так как механическое разрушение надмолекулярной структуры, раздвижение агрегатов микрофибрилл на половину их длины обеспечивает класс шероховатости поверхности, соответствующий высшему классу чистоты механической обработки 14в, полированной поверхности (0,025-0,032 мкм).

 

 

1.1.6. Особенности деформационных свойств бумаги и картона

Бумага и картон микронеоднородны по всем трем направлениям — машинному (долевому), поперечному и толщине. При их изготовлении волокна бумажной массы ориентируются преимущественно по машинному направлению, вдоль движения сетки бумагоделательной машины, причем в большей степени по сеточной (нижней) стороне. На сеточной стороне этих материалов всегда меньше волокон малого размера, проклеивающих веществ и наполнителей. Из-за односторонней ориентации волокон прочность бумаги в машинном направлении больше, чем в поперечном, а относительное удлинение при растяжении и увлажнении — меньше. При складывании листа бумаги пополам перпендикулярно машинному направлению она, в зависимости от композиции, теряет от 20 до 80% прочности. С учетом этих особенностей строения раскрой всех конструктивных деталей книжных изданий из бумаги и картона следует делать долевым: машинное направление должно быть вдоль корешка. Упаковка волокон целлюлозы и древесной массы в бумаге и картоне неплотная: от 40 до 60% их объема занимают поры и капилляры, которые в воздушно-сухих материалах заполнены воздухом и на 5–10% по массе — адсорбированной водой. Пористое строение этих материалов определяет важную их особенность при деформировании: если при растяжении вплоть до разрыва относительное удлинение воздушно-сухих материалов не превышает 4,2%, то деформация сжатия может превышать 50%. Вследствие этого в процессах прессования тетрадей, блоков и книг и при тиснении на переплетных крышках при снятии нагрузки происходит быстрое и значительное восстановление размеров материалов в основном за счет расширения защемленного в порах и капиллярах воздуха и обратимой высокоэластической деформации. Относительно малое, на 3–5%, повышение влажности материалов и наличие мелкодисперсных наполнителей ослабляют связи между волокнами, заметно пластифицируют материалы, приводят к значительным остаточным деформациям при одинаковых нагрузках.