Полимерные материалы в полиграфии. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна» Высшая школа печати и медиатехнологий

И. Г. Груздева

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПОЛИГРАФИИ

Учебное пособие

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 29.03.03 Технология полиграфического и упаковочного производства

профиль Технология и дизайн упаковочного производства

Санкт-Петербург Санкт-Петербургский государственный университет

промышленных технологий и дизайна 2017

УДК 655.3 ББК 37.8

Издание рекомендовано к публикации на заседании кафедры Технологии полиграфического производства

протокол № 11 от 03.07.2017 г.

Утверждено Редакционно-издательским советом СПбГУПТД

Груздева, И. Г.

Полимерные материалы в полиграфии : учеб. пособие / И. Г. Груздева. – Санкт-Петербург : СПбГУПТД, 2017. – 68 с.

УДК 655.3 ББК 37.8

Учебное издание соответствует содержанию дисциплины Б1.В.ОД.6 Репродукционные процессы направления подготовки 29.04.03 Технология полиграфического и упаковочного производства.

Электронное учебное издание зарегистрировано СПбГУПТД ВШПМ № 234 от 14.11.2017

© СПбГУПТД, 2017

б – крахмал

Рисунок 1 – Схема строения макромолекулы целлюлозы и крахмала

Коэффициент полимеризации n отличается у целлюлоз различного происхождения. Так у древесной целлюлозы он составляет около 3000 углеродных единиц, у хлопковой – 10000÷12000, а у льняной – 36000. Длиной молекулярной цепи и объясняется большая прочность хлопкового и особенно льняного волокна по сравнению с волокнами древесной целлюлозы. Целлюлозные волокна образованы из макро- и микрофибрилл различной толщины. Каждое структурное звено целлюлозы – остаток β – глюкозы – имеет по три спиртовых гидроксила. Поэтому целлюлоза, несмотря на волокнистое строение и нерастворимость в воде, подобно спиртам, способна образовывать простые и сложные эфиры. Спиртовые гидроксилы в молекуле целлюлозы являются причиной возникновения водородных связей между молекулярными цепями, обеспечивающих образование целлюлозного волокна и формирование на сетке бумагоделательной машины прочного листа бумаги при постепенной отдаче влаги и доведении сухости бумаги до 92÷96%.

Целлюлоза нерастворима в воде и органических растворителях. Она растворяется в сероуглероде СS2 и реактиве Швейцера [Сu(NH3)4](OH)2 , претерпевая при этом глубокие химические видоизменения. Целлюлоза выдерживает нагрев до 1500С без разрушения, при более высоких тем-

6

пературах начинается потеря прочности. При температуре выше 2700С происходит термическое разложение с выделением продуктов термораспада: уксусной кислоты, метилового спирта, кетонов, в остатке – уголь и деготь. Каждое растительное волокно, например, хлопковое, льняное, древесное представляет собой как бы клетку, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна – клетки есть канал – капилляр, доступный для проникновения воздуха и влаги, поэтому целлюлоза обладает гигроскопичностью. Длина технического волокна целлюлозы составляет около 2.5÷3.0 мм у ели и сосны и 20÷25 мм у льна и хлопка при среднем диаметре 20÷25 мкм. Структура оболочки целлюлозной клетки очень сложна, как уже говорилось выше, имеет фибриллярное строение. В промежутках между фибриллами находятся гемицеллюлозы и лигнин, причём содержание их увеличивается от внутренних слоев клеточной сетки к наружным. Так абсолютно сухое хлопковое волокно – это почти чистая целлюлоза (до 95%), волокна льна и конопли содержат до 80÷85% целлюлозы. Гемицеллюлоз в растительных клетках 20÷25%, лигнина до 30÷35% .

Гемицеллюлозы – это тоже полисахариды, нечто среднее между целлюлозой и крахмалом. Молекулы их построены из остатков ксилозы (пентозы) и маннозы (гексозы). Они не имеют волокнистого строения, набухают в воде, легко гидролизуются даже очень разбавленными кислотами, растворяются в щелочах. Гемицеллюлозы не являются вредными примесями целлюлозы, идущей для изготовления бумаги. Наоборот, древесная целлюлоза с большим содержанием гемицеллюлоз легко поддается размолу, а приготовленная из неё бумага имеет повышенную прочность (особенно прочность поверхности), таким образом, гемицеллюлозы – это хорошая естественная проклейка.

Лигнин (лат. lignum – дерево) – полимер сложного пространственного строения, точный состав и химическая формула – до сих пор предмет острых дискуссий. Условно лигнином считается та часть древесины, которая остается после обработки её серной кислотой высокой концентрации (72%) или дымящей соляной кислотой (41÷42%). Лигнин – соединение химически неустойчивое, реакционно способное: под действием света, тепла, влаги и кислорода воздуха он разрушается, вследствие чего волокна, содержащие лигнин, теряют прочность и темнеют. Эти процессы приводят к старению бумаги и картона, изготовленных из лигнинсодержащих полуфабрикатов. Модифицированный лигнин (например, тиолигнин, лигносульфоновые кислоты и пр.) растворяется в воде или

7

щелочи. На этом его свойстве и основано выделение целлюлозы из древесины, соломы и другого растительного сырья. С появлением большого количества лигнина связано одеревенение (омертвление) растительных клеток. Лигнин относят к инкрустирующим веществам: это своеобразная «облицовка» поверхности растительной клетки. Примерный состав древесины хвойных пород представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Примерный состав древесины хвойных пород^^ 41% – целлюлоза; 28% – гемицеллюлозы; 27% – лигнин; 4% – экстрагируемые вещества.

Крахмал – природный полимер в виде микроскопических зёрен, образующийся в зелёных частях растений из углекислого газа воздуха и влаги под действием света. Зёрна разных растений имеют различную форму и размер. Крахмал не растворяется в холодной воде, спирте и эфире. В горячей воде зерна его набухают, увеличиваются в объеме в сотни раз, теряют форму, образуют вязкий и клейкий раствор – клейстер. Крахмальный клейстер применяют в качестве переплётного клея для склеивания бумаги и картона, а также в качестве аппретирующего вещества в производстве переплётных тканей. Температура растворения крахмала в воде называется температурой клейстеризации: для картофельного крахмала она составляет 600С, для маисового (кукурузного) 700С, для пшеничного и рисового – 800С. Правильно приготовленный клейстер имеет наибольшую клеящую силу и минимальную способность промачивать склеиваемый материал.

Как и целлюлоза, крахмал является природным полисахаридом, принадлежит к классу углеводов и имеет формулу [С6Н10О5]n , но структурным звеном его является остаток α– глюкозы, рисунок 1б.

Декстрин [С6Н10О5]n – смесь продуктов частичного термического расщепления крахмала. Представляет собой аморфные порошки без запаха и вкуса, разлагающиеся при нагревании до 2250С и легко раство-

8

римые в воде. Водные растворы, содержащие 45÷50% декстрина, имеют хорошую липкость и применяются для некоторых переплетных работ, главным образом, для приклеивания бумаги, а также при производстве гофрокартона. В качестве добавки к костному клею декстрин традиционно использовали при работе с коленкором.

Декстрин картофельный получают термической обработкой крахмала в течение 5÷6 часов при 180÷1900С или частичным кислотным гидролизом крахмала при перемешивании его в течение 3÷3.5 часов с соляной кислотой при 125÷1550С.

Натуральный каучук и резина. Натуральный каучук по составу близок к полиизопрену – (СН2 – СН = С – СН2 )n – . Его добывают из латекса – сока некоторых тропических деревьев-каучуконосов, главным образом гевеи бразильской.

Латекс – это коллоидная система, золь из макромолекул (глобул) каучука в водной среде. При добавлении к латексу кислот или при нагревании устойчивость золя нарушается, происходит коагуляция, и каучук выпадает в виде осадка, который высушивается, вальцуется, нарезается листами и поступает на резиноделательные заводы. Очень крупные макромолекулы каучука (длиной около 8 мкм) закручены в клубок (глобулярная конформация), поэтому каучук имеет высокую эластичность. Однако каучук затвердевает на морозе, расплавляется при нагревании, впитывает воду, растворяется в бензине и т.д. Для исправления этих недостатков его подвергают вулканизации до получения резины. Вулканизация – это взаимодействие каучука с серой при повышенной температуре (120÷1500С). Атомы серы присоединяются к макромолекулам каучука по месту раскрытия двойной связи, «сшивая» цепи в пространственную систему.

Образующаяся резина – это прочный, упругоэластичный материал, тепло- и морозостойкий, нерастворимый в органических растворителях. Резиновая смесь представляет собой сложную композицию, состоящую из каучука, серы, катализаторов вулканизации, наполнителей, мягчителей, пигментов и т.д. Изменяя состав смеси и условия вулканизации, можно получать резины с различной степенью жесткости, маслобензостойкие и др. При серной вулканизации натурального каучука максимум прочности (29 МПа) при достаточно большой эластичности (850%) наблюдается при введении 4÷5% серы. Примерно такое количество вводится в каучук при изготовлении резины для автомобильных шин. При содержании серы около 50% каучук превращается в эбонит – жесткий и

9

прочный материал, практически не способный к деформации. Помимо натурального каучука, для получения резин используют и синтетический каучук, например, хлоропреновый. Резины с различными свойствами широко применяются в офсетной печати в составе ОРТП (офсетных резино-тканевых полотен) и в качестве эластомеров для изготовления красочных валиков печатных машин.

Шеллак – природная спирторастворимая смола, продукт жизнедеятельности насекомого (лакового червеца), паразитирующего на лаковом дереве. Места обитания – Индия, Суматра. Смола имеет плотность 1.009÷1.086 г/см3, температуру размягчения 65÷700С, температуру плавления 115÷1200С. Активно использовалась в качестве плёнкообразователя отечественных флексографских красок серии ФУШЛ и в производстве переплётной фольги. В настоящее время применяется реже.

Глютин – это твердая разновидность белка, получаемого переработкой коллагена, содержащегося в костях, рогах, копытах и покровных тканях животных, при их вываривании в горячей воде.

Желатина, в свою очередь, получается переработкой коллагена, содержащегося в соединительных тканях позвоночника, костях и сухожилиях, и представляет собой продукт более высокого качества. Это прозрачное твердое вещество в виде чешуек, в воде набухает, при нагревании растворяется, при охлаждении застудневает. Хромовые, алюминиевые квасцы и другие дубители задубливают желатину, и она теряет способность растворяться в воде. Различные виды желатины применяются для изготовления фотографических эмульсий, при производстве мелованной бумаги, в пищевой промышленности. В полиграфии желатиновые композиции (желатиновая вальцмасса) использовались для отливки красочных валиков машин высокой печати.

Глютиновые клеи, обладающие высокой липкостью, все еще применяются в брошюровочно-переплетных процессах, например, при работе с ледерином.

1.2 ИСКУССТВЕННЫЕ ПОЛИМЕРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПОЛИГРАФИИ

Искусственные полимеры получают путем химической обработки природного или синтетического сырья. Для полиграфических технологий особый интерес представляют эфиры целлюлозы, целлофан, поливиниловый спирт (ПВС) и поливинилацетали.

10