Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптические свойства полиграфических материалов и продуктов. Учебное пособие
.pdf
В основу теории положены количества рассеянного (s) и
поглощенного (k) света.
Светорассеяние (s) можно рассматривать на примере снега. Коэффициент
преломления льда порядка 1,3. Свет преломляется и отражается во множестве
кристалликов льда, т. е. в неоднородностях или шероховатости поверхности.
Результатом является сильное светорассеяние, что делает снег белым. При
таянии снега рассеивающая способность поверхности уменьшается и исчезает.
Материал делается прозрачным и теряет белизну. Таким образом, рассеяние
света зависит от коэффициента преломления и от степени шероховатости
поверхности материала. С точки зрения бумажной технологии большое
рассеяние света – это хорошо, так как бумага становится непрозрачной и
кажется более белой. В бумаге рассеяние света увеличивается по мере
того, как свет отражается и преломляется от поверхности волокон, частиц
наполнителя, а также от пор и трещин в самих волокнах.
Светопоглощение (k) зависит от хромофорных групп, вызывающих
цвет: чем больше светопоглощение, тем темнее выглядит материал. Если
поглощение различно на различных длинах волн, мы воспринимаем
материал окрашенным.
Соотношение между светорассеянием и светопоглощением
определяет величину диффузного отражения, что влияет на восприятие
материала наблюдателем. Простой пример: если бутылку коричневого
стекла разбить на мелкие кусочки, степень рассеяния света увеличится и
осколки будут казаться более светлыми, чем есть на самом деле, хотя цвет
не изменился, ведь поглощение осталось прежним.
Кубелка и Мунк в 30-х гг. прошлого века вывели два уравнения,
которые и легли в основу их теории. Эти уравнения справедливы для так
называемых полупрозрачных материалов при условии, что и освещение, и
измерение происходят в условиях рассеяния (диффузии), т. е. глянец как
направленное отражение теорией не учитывался.
31
Итак, различные процессы в производстве целлюлозы и бумаги
связаны со светорассеянием s и светопоглощением k. Оба параметра
измеряются в м2/кг. Например, при размоле (фибриллировании) волокон
целлюлозы s уменьшается, а при добавлении наполнителя – увеличивается.
Отбелка волокон всегда приводит к уменьшению k. Расчеты этих
параметров по формулам Кубелки–Мунка позволяют прогнозировать
влияние тех или иных операций или добавок на свойства бумаги.
Например, одним из полезных уравнений для расчета является уравнение:
ρ = 1+ , (16)
где ρ – коэффициент отражения от стопки листов.
Эта формула устанавливает связь между параметром ρ, который
можно определить экспериментально, и характеристиками k и s для
данного материала. Из уравнения (16) видно, что ρ зависит от соотношения
k/s. Так, при большом s и/или малом k будем иметь большое
светорассеяние и малое поглощение (рис. 13).
Рис. 13. Зависимость коэффициента отражения от соотношения s/k
Коэффициенты s и k могут быть определены различными способами,
например с помощью функции яркости . Для простоты ориентации
коэффициенты обозначают следующим образом: s ( ) и k ( ).
32
Величина s ( ) для целлюлозы изменяется в пределах от 15 до 60
Тип волокна
k (ρ
457
), м
2
/кг
Яркость ρ
457
, %
Небеленая сульфатная
целлюлоза
20–70
33–15
Небеленая сульфитная
целлюлоза
2–15
70–40
Дефибрерная древесная
масса
5–12
67–55
Осиновая ХТММ
5–12
55–45
Беленая осиновая ХТММ
0,1–2,0
90–70
Беленая сульфатная
целлюлоза
0,1–2,0
90–70
2
м
/кг. Коэффициент светопоглощения k ( ) может быть уменьшен за
счет отбелки в десятки раз: с 40 до 0,05 м
2
/кг. Поэтому удаление
окрашенных компонентов целлюлозы очень важно для достижения
высокой яркости. Меры, увеличивающие светорассеяние, оказывают на
яркость очень малое влияние.
1.3. Влияние факторов производства на оптические свойства
бумаги
Влияние факторов производства на оптические свойства бумаги
зачастую неоднозначно, рассмотрим основные из них.
Отбелка волокон
Отбеливание кардинально меняет цвет бумаги – от коричневой крафт-
целлюлозы до очень белой. Небеленая целлюлоза имеет высокое
поглощение в синей зоне спектра. При отбелке поглощение света
снижается, а яркость растет (табл. 6).
Таблица 6
Светопоглощение и яркость для различных типов волокнистой массы
Целлюлоза с наименьшим поглощением имеет яркость около 85 %.
33
Размол целлюлозных волокон
Материал
s, м2/кг
Калька
15
Бумага без наполнителя
30–32
Бумага с наполнителем
40–60
Мелованная бумага
45–60
Газетная бумага
55–65
Во время размола (фибриллирования) поверхность волокон
увеличивается, и можно было бы ожидать увеличения рассеяния света, но
в процессе сушки свободная поверхность волокон уменьшается за счет
более плотного прилегания волокна к волокну. В результате
светорассеяние уменьшается и появляется прозрачность. В табл. 7
показано, как меняется светорассеяние в зависимости от материала: калька
как результат самого жирного помола дает малое светорассеяние, а у
газетной бумаги из-за высокой пористости рассеяние самое высокое.
Таблица 7
Рассеяние света s для различных материалов
Длинноволокнистые хвойные целлюлозы дают меньшее
светорассеяние, чем лиственные целлюлозы, у которых волокно короткое,
поэтому из твердых пород древесины (береза, осина, тополь, эвкалипт)
получается более непрозрачная бумага, чем из мягких пород (ель, сосна,
пихта).
Вид волокна (сравнение целлюлозы и древесной массы)
Древесная масса дает высокое рассеяние света из-за большого
количества так называемой «волокнистой мелочи». Это делает ее
пригодной для печатных бумаг малого веса – газетных и книжножурнальных (LWC). Поскольку высок и коэффициент светопоглощения,
древесная масса всегда увеличивает непрозрачность бумаги.
34
Введение наполнителей
Материал
Показатель преломления
Светорассеяние s, м2/кг
Воздух
1,00
–
Целлюлоза
1,53
–
Глинозем (каолин)
1,57
130–150
Мел
1,61
130–150
Диоксид титана
2,60
около 1000
Оксид цинка
2,00
–
Если бумага содержит наполнитель, на оптические свойства листа
воздействует несколько факторов. Наиболее важны следующие:
показатель преломления наполнителя;
пористость (размер пор).
Рассмотрим влияние показателя преломления наполнителя. Он
должен быть высоким, поскольку светорассеяние растет в зоне контакта
сред с различными показателями преломления. Особое место занимают
диоксид титана и оксид цинка. Кроме высокого показателя преломления,
эти наполнители имеют и высокое значение показателя светорассеяния s,
поэтому их используют для повышения непрозрачности бумаги. В табл. 8
приведены показатели преломления и светорассеяния для некоторых
материалов.
Таблица 8
Показатели преломления и светорассеяния некоторых материалов
Благодаря высокому показателю преломления, диоксид титана имеет
хорошие рассеивающие свойства. Также он имеет низкое светопоглощение
в видимой области (рис. 14). Следовательно, в качестве наполнителя или
пигмента в покрытии он обеспечивает высокие показатели непрозрачности
и яркости. Однако следует помнить, что он снижает эффективность
оптических отбеливателей (ООВ), поскольку поглощает излучение в УФзоне. Кроме того, его использование ограничено высокой ценой. В США он
35
используется гораздо чаще, так как там его стоимость существенно ниже,
чем в Европе.
Рис. 14. Светопоглощение диоксида титана
Вторым важным фактором является размер пор. Как известно,
светорассеяние растет с увеличением удельной поверхности материала.
Чем тоньше наполнитель (чем выше степень дисперсности), тем выше
удельная поверхность. Однако есть предел: когда частицы наполнителя
становятся меньше половины длины световой волны (для 457 нм), т. е.
меньше 0,2–0,3 мкм, светорассеяние начинает падать. Свет
беспрепятственно огибает частицы (рис. 15).
Рис. 15. Зависимость светорассеяния от размера частиц наполнителя
36
Размеры частиц наполнителя в структуре бумаги измерить трудно,
зато можно оценить поры. Поскольку светорассеяние возникает на границе
«воздух – материал», его определяют поры. Для пор справедлив тот же
закон: если поры становятся меньше половины длины световой волны,
светорассеяние структуры снижается.
Подцветка (введение подсинителей) и «физическая отбелка»
(введение люминофоров)
Древесная целлюлоза обладает естественной желтизной, которую не
удается до конца удалить отбеливанием. Одним из способов уменьшения
желтизны является применение сине-лиловых красителей или
флуоресцентных отбеливающих добавок (оптических отбеливателей, или
ООВ). Поскольку синий краситель снижает желтизну бумаги, кажется, что
ее белизна растет. Оптические отбеливатели (люминофоры) увеличивают
отражение в синей зоне за счет флуоресценции в результате
преобразования невидимого ультрафиолета в синий свет. Оптические
отбеливатели представляют собой производные
диаминостильбенсульфоновых кислот (ди-, тетра- и гекса-
сульфопроизводные). Следует помнить, что ООВ слабо проявляют себя в
присутствии древесной массы (лигнин поглощает ультрафиолет). Тот же
эффект демонстрирует и диоксид титана (см. рис. 14).
Каландрирование
В процессе каландрирования увеличивается плотность бумаги и
уменьшаются ее поры. Это часто ведет к уменьшению светорассеяния, но
далеко не всегда. Если в структуре материала преобладают крупные поры,
сжатие может не повлиять на их внутреннюю поверхность, и
светорассеяние не изменяется. Это относится к бумагам с малым
содержанием наполнителя или без него. В случае мелких пор (например, у
37
бумаги с большим содержанием наполнителя) сжатие при
каландрировании приведет к уменьшению их размеров до критических
(меньше половины длины световой волны). В результате светорассеяние
снижается – повышается прозрачность.
Мелование
Для мелованных бумаг светорассеяние и светопоглощение должны
быть адаптированы друг к другу. В общем случае справедливо правило:
непрозрачность растет с увеличением веса покрытия.
Вопросы для самопроверки
1. Какие свойства запечатываемых материалов относятся к
оптическим? Почему они важны? На что влияют?
2. Какие оптические процессы происходят в толще бумаги? Какими
параметрами они определяются?
3. Что такое закон Снеллиуса? Что он показывает?
4. Что такое глянец и как он достигается при изготовлении бумаги?
Как его измеряют?
5. Используя формулу Френеля, объяснить, почему цвета на
глянцевых поверхностях выглядят более яркими и насыщенными?
6. Что такое индикатриса рассеяния света? Как ее получить? Какой
прибор позволяет это сделать?
7. Какие углы используются в стандартах для измерения глянцевых
поверхностей?
8. Перечислить преимущества и недостатки глянцевых поверхностей.
9. Что такое белизна? Степень белизны? Каким показателем она
характеризуется?
10. Какие средства и способы повышения белизны существуют?
38
11. Каков принцип действия на бумагу минеральных наполнителей?
Подцветки? Оптических отбеливателей?
12. Что такое яркость? Какие существуют стандарты для измерения
яркости?
13. Каковы параметры стандартных источников А, В, С, D?
14. Каковы нормы белизны для разных видов печатной бумаги?
15. Объяснить, в каких случаях измеренная степень белизны может
превышать 100 %?
16. От чего зависит светонепроницаемость бумаги? Какими
средствами ее можно повысить?
17. Объяснить механизм повышения прозрачности бумаги при печати
красками на масляной основе?
18. Каковы нормы непрозрачности для печатных бумаг? Привести
примеры.
19. Что такое оптическая плотность?
20. Дать понятие о теории Гуревича–Кубелки–Мунка. Где
применяется эта теория?
21. Привести примеры влияния на светопоглощение и светорассеяние
различных факторов производства.
22. Какая из перечисленных ниже «цепочек» не будет эффективно
работать на повышение видимой белизны бумаги? Почему?
а) беленая целлюлоза+диоксид титана+люминофор;
б) беленая целлюлоза+диоксид титана+подсинитель;
в) беленая целлюлоза+химический мел+люминофор;
г) беленая целлюлоза+химический мел+подсинитель.
39
2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРАСОК
Оптические свойства красок зависят, прежде всего, от пигмента и от
взаимодействия частиц пигмента со связующим. К оптическим свойствам
красок относятся:
цветовые характеристики;
прозрачность и кроющая способность;
глянец (блеск);
интенсивность (красящая сила);
светостойкость.
2.1. Цветовые характеристики
Следуя определениям субъективной (физиологической) теории цвета,
к цветовым характеристикам относят следующие: цветовой тон, чистоту
цвета (насыщенность) и яркость (светлоту).
Цветовой тон характеризуется доминирующей длиной волны λ и зависит
от того, в какой части спектра находится максимум отраженного света.
Например, область λ = 400–500 нм соответствует синей зоне спектра; область
λ = 500–600 нм – зеленой зоне спектра и область λ = 600–700 нм – красной зоне.
Тела, имеющие один и тот же цветовой тон, могут различаться
насыщенностью, или чистотой цвета.
Чистота цвета (насыщенность) – мера неразбеленности, т. е. показатель
того, насколько хроматический цвет разбавлен ахроматическим белым.
Излучение, определяющее цветовой тон тела, может быть смешано в
разных соотношениях с ахроматическим белым цветом. При этом цветовой тон
остается тем же, но изменяется степень его разбавления белым цветом,
называемая степенью разбеливания. Субъективно насыщенность
воспринимается как характеристика пигмента в краске или краски на оттиске.
Цвет является тем более насыщенным, чем больше он отличается от
ахроматического.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]