Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология послепечатных процессов. Учебно-методическое пособие
.pdf
Связь между элементарными частицами в кристаллической решетке неорганических веществ и в кристаллических образованиях полимеров намного слабее химической связи в молекулах, поэтому упругая деформация первой возникает и первой исчезает при приложении и
снятии нагрузки (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Расположение частиц вещества при приложении и снятии
нагрузки
Зависимость упругой деформации от напряжения описывается
законом Гука:
Ϭ = Е • Ɛ
, (1.4)
у
где Ϭ – 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 она снижается примерно
вдвое, до 35 %. Считая, что упругая деформация в полимерах на основе
целлюлозы затрагивает лишь кристаллические образования, ее доля
при обрыве бумажного полотна в рулонной печатной машине равна
Ɛ
у = ∆lp
•·kкр •·kу = 0,009 •·0,35 •·0,01 = 3,15 • 10
-5
≈ 0,003 %, (1.5)
11
где ∆l
направлении; k
лозы: k
= 0,09 % – удлинение бумаги № 1 при разрыве в машинном
p
= 35 % – кристалличность бумаги, состоящей из целлю-
кр
= 1 % – максимальная доля упругой деформации в полимерах.
у
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
∆d
K•· Ɛоб • k
у =
• kу = 3,0 • 0,35 • 0,35·•·0,01 ≈ 0,004 мм (1.6)
кр
где К = 3,0 мм – максимальная толщина переплетного картона;
= 35 % – относительная обратимая деформация картона.
Ɛ
об
Полученное значение более чем на порядок превышает точность
измерительных инструментов, которыми рекомендуется оценивать качество тиснения на переплетных крышках.
1.1.2. Высокоэластическая деформация
Высокоэластическая деформация, связанная с гибкостью длинных цепных молекул или участков этих молекул, свойственна только
высокомолекулярным соединениям Она возникает при наличии гибких
макромолекул и обусловлена возможностью изменения их формы под
действием внешней силы. Высокоэластическая деформация полимеров
не может быть равновесной, поскольку состоянию покоя соответствует
свернутая в клубок форма макромолекул.
Высокоэластическая деформация – это механически обратимый
и термодинамически необратимый процесс, протекающий во времени.
Деформированное тело, после того как приложенное напряжение
снято, медленно восстанавливает исходную форму, а часть затраченной
механической энергии рассеивается в виде тепла в процессе преодоления внутреннего трения. Высокоэластическая деформация носит релаксационный характер. Это означает, что при приложении постоянного
напряжения, деформация развивается во времени, постепенно достигая
12
равновесного значения. После снятия напряжения также происходит
релаксация деформации, но уже в обратном направлении. Высокоэластическая деформация является обратимой.
Высокоэластическая деформация сопровождается изменением
положения звеньев и участков цепей, но при этом обязательным условием является отсутствие поступательного перемещения самих макромолекул друг относительно друга.
Под действием напряжений, кроме упругой деформации, происходит выпрямление участков – сегментов макромолекул без того,
чтобы молекула в целом переместилась в новое положение. Достигаемые деформации в этих условиях могут быть очень велики. Устранение
деформируюшей силы приводит к обратному скручиванию молекул и
восстановлению размеров тела: цепи стремятся приобрести исходную
конформацию. Это происходит со скоростью, которая определяется
временем релаксации этого процесса при данных условиях.
Полимеры могут находиться в высокоэластическом состоянии в
интервале температур от их температуры стеклования Т
туры текучести Т
. В интервале температур Тс–Тт есть относительно
т
до темпера-
с
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 Т
чести. При переходе через Т
, которая больше Тс, но значительно меньше температуры теку-
м
деформационные свойства полимера
м
резко изменяются.
При относительно малых напряжениях в полимере, находящемся
в стеклообразном и высокоэластическом состоянии ниже Т
, возникает
м
только упругая деформация с модулем упругости порядка 2–6 ГПа (20–
60 тс/см
2
). Выше Тм возникают как упругая, так и высокоэластическая
составляющие обратимой деформации.
При деформации полимера в несколько процентов высокоэластическая деформация пропорциональна напряжению, но высокоэластический модуль Ɛ
зависит от скорости нагружения. В высокоэластичных
в
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
13
температуры время релаксации деформации не превышает 3 ч, а при
тиснении нагретым до 100–150 °С штампом релаксация деформации не
наблюдается.
1.1.3. 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 Т
. В этом случае деформация полимеров происходит
м
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.
Возникновение вынужденной высокоэластической деформации
в полимерах обусловливается сегментальной подвижностью в них цепных макромолекул, свойственной полимерам с фибриллярной структурой. Таким образом, способность полимеров образовывать волокна и
пленки связана с цепным строением их макромолекул, обладающих
определенной гибкостью.
Величина вынужденной высокоэластической деформации связана со степенью гибкости полимерных молекул, сегментальной диффузией проходных цепей и наличием границ раздела между надмолекулярными структурными образованиями в пленке. На этом участке
начинаются внутренняя перестройка супердоменов, обусловленная перемещением доменов, и их ориентирование в направлении прилагаемой нагрузки. При этом отрезки проходных цепей в междоменных областях удлиняются за счет вытягивания некоторых складок из доменов
и принимают развернутую форму.
Процесс вынужденной высокоэластической деформации
в аморфных полимерах объясняется релаксационной теорией. Время
релаксации t
, характеризующее скорость перегруппировки сегментов
p
макромолекул и скорость высокоэластической деформации, зависит от
14
абсолютной температуры Т, энергии активации U
𝑡!= ! 𝑡о∙ ! 𝑒
!"#$%
&'
, определяемой по-
o
тенциальными барьерами, которые преодолевают эти элементы структуры при переходе из одного равновесного состояния в другое:
– постоянная, с; а – постоянная, зависящая от объема сегмента
где t
o
цепочечной молекулы, м
3
; k = 1,38 · 10
, (1.7)
-23
Дж/К – постоянная Больцмана;
Т – абсолютная температура, К; σ – 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 деформацией, 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.
1.1.4. Пластическая деформация
Пластическая деформация полимеров связана со смещением макромолекулярных цепей относительно друг друга, причем это проскальзывание имеет необратимый характер. Склонность к развитию пластической деформации, так же как высокоэластической, возрастает с повышением температуры, а также при введении в состав полимеров различных пластификаторов. Пластическая деформация в сильной степени определяется формой и размерами макромолекулярных цепей:
чем короче полимерные цепи, тем легче они смещаются относительно
друг друга. Поэтому введение низкомолекулярных пластифицирующих
веществ позволяет усилить эффект вязкого течения.
Диффузионные процессы, лежащие в основе пластической деформации полимеров, происходят не мгновенно, а в течение определенного времени.
Пластическая деформация у твердых полимеров проявляется при
высоких напряжениях и (или) температурах и обусловлена
15
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:
τ = η ν, или η = τ / ν, (1.8)
где τ – тангенциальное (касательное) напряжение, Па; η – динамическая
вязкость, Па·с; ν – градиент скорости относительного перемещения со-
седних слоев жидкости, м/(с·м) = с
−1
.
У полимеров, проявляющих признаки течения при высоких
нагрузках, зависимость между напряжением и скоростью деформации
для сравнительно небольшого диапазона скоростей может быть описана степенным законом:
dε/dt = Ψσ
n
, (1.9)
где dε/dt – скорость относительной деформации, %/c; Ψ˂1, n≥3 – константы.
При постоянной скорости деформации напряжение с течением
времени изменяется по кривой с максимумом (рис. 1.2), 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:
k = (d
где d
, d1 и d2 – соответственно толщина образца: начальная, под нагруз-
o
– d2)/(d1 + d2), (1.10)
o
кой F и после снятия нагрузки и восстановления.
16
Рис. 1.2. Изменение напряжения в полимере во времени
при постоянных температуре и скорости деформации (
w
>
w
)
2
1
1.2 . Особенности деформационных свойств
бумаги и картона
Механические свойства бумаги можно разделить на прочност-
ные и деформационные. Деформационные свойства проявляются при
воздействии на материал внешних сил и характеризуются временным
или постоянным изменением формы или объема тела.
Основные технологические операции полиграфии сопровождаются существенным деформированием бумаги, например, сжатием,
растяжением, изгибом, сдвигом, кручением (рис. 1.3).
От того, как ведет себя бумага при этих воздействиях, зависит
нормальное (безаварийное) течение технологических процессов печатания и последующей обработки печатной продукции. Так, при печатании высоким способом с жестких форм при больших давлениях бумага
17
должна быть мягкой, т.е. легко сжиматься, выравниваться под давле-
Кручение
Растяжение
Сжатие
Сдвиг
Изгиб
нием, обеспечивая наиболее полный контакт с печатной формой.
Мягкость бумаги связана с ее структурой, т.е. с ее плотностью и
пористостью. Так, крупнопористая газетная бумага при сжатии может
деформироваться до 28 %, а у плотной мелованной бумаги деформация
сжатия не превышает 6–8 %.
Для высокой печати важно, чтобы эти деформации были полностью обратимыми, т. е. после снятия нагрузки бумага полностью восстанавливала бы первоначальную форму.
Рис. 1.3. Виды деформации
18
В противном случае на оттиске видны следы оборотного рельефа,
свидетельствующие о том, что в структуре бумаги произошли серьезные
изменения. Если же бумага предназначена для отделки тиснением, то целью становится, наоборот, остаточная деформация, а показателем качества является ее необратимость, т. е. устойчивость рельефа тиснения.
Для офсетной печати на высокоскоростных ротационных машинах очень важны прочностные характеристики бумаги, а именно: прочность на разрыв, на излом, стойкость к выщипыванию, влагостойкость.
Прочность бумаги зависит не от прочности отдельных компонентов, а от прочности самой структуры бумаги, которая формируется
в процессе бумажного производства. Это свойство характеризуется
обычно разрывной длиной в метрах или разрывным усилием в ньютонах. Так, для более мягких типографских бумаг разрывная длина составляет не менее 2500 м, а для жестких офсетных она возрастает уже
до 3500 м и более.
Бумаги, предназначенные для плоской печати, должны иметь минимальную деформацию при увлажнении, так как по условиям технологии печатного процесса они соприкасаются увлажненными поверхностями. Бумага – материал гигроскопичный. При увеличении влажности ее волокна набухают и расширяются, главным образом по диаметру, бумага теряет форму, коробится и морщится, а при высушивании происходит обратный процесс: бумага дает усадку, в результате
чего меняется формат. Повышенная влажность резко снижает механическую прочность бумаги на разрыв, бумага не выдерживает высоких
скоростей печатания и рвется. Изменение влажности бумаги в процессе
многокрасочной печати приводит к несовмещению красок и к нарушениям цветопередачи.
Для повышения влагостойкости бумаги в состав бумажной массы
при изготовлении добавляют гидрофобные вещества (эта операция
называется проклейкой в массе) или же проклеивающие вещества наносятся на поверхность уже готовой бумаги (поверхностная проклейка).
Хорошо проклеиваются офсетные бумаги и особенно те из них, которые используются в условиях резкого изменения климата, например,
картографические бумаги.
Строение бумаги определяется используемым сырьем и компонентами, а также методом ее получения и конструкцией бумагоделательной машины. Бумаге присуща анизотропия. Она обусловлена технологическими процессами изготовления бумаги, в которых физические воздействия на бумажную массу и формирующееся полотно
19
в бумагоделательной машине имеют определенные направления. К ним
относятся:
- гидромеханические воздействия, приводящие к ориентации
волокон целлюлозы преимущественно по направлению течения пульпы
в подающей системе, совпадающему с направлением движения полотна;
- одномерный (одно- или двусторонний) массоперенос по нор-
мали к бумажному полотну при отжатии и сушке;
- то же для теплопереноса;
- то же для прессования в каландрах, когда бумага испытывает
несоизмеримые нормальные и касательные напряжения.
Все это приводит к тому, что некоторые свойства бумаги оказываются различными в машинном, поперечном и нормальным к поверхности листа направлениях.
Движение проволочной сетки бумагоделательных машин во
время производственного процесса придает бумаге характеристику,
называемую направлением волокон. Направление волокон – это тенденция целлюлозных волокон выстраиваться по длине в одно направление в результате движения сетки бумагоделательной машины. Большинство волокон выравниваются в одном направлении, что влияет на
такие характеристики, как, например, разрывное усилие и легкий сгиб.
Бумага сгибается и обрывается легче в одном направлении, чем в другом: сгиб либо вдоль волокон, либо поперек волокон. Сгиб вдоль волокон означает, что он проходит параллельно волокнам бумаги. Это обеспечивает самый ровный сгиб; он будет более отчетливым по сравнению
с поперечным сгибом и защитит поверхность бумаги от повреждений.
Направление волокон является важным фактором в процессе печатания и крайне важно в послепечатной обработке. В идеале сгибы
должны быть параллельны бумажным волокнам. Конечно, этот не всегда возможно; во многих операциях используются взаимоперпендикулярные фальцы.
При печатании книжной и журнальной продукции листы бумаги
необходимо располагать таким образом, чтобы направление волокон
было параллельно как корешку блока, так и обложке, в результате чего
получится прочная книга с ровными страницами.
Различаются свойства лицевой и сеточной сторон бумаги. Это
различие усиливается при односторонней поверхностной проклейке
или иной односторонней обработке бумажного полотна и может быть
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]