Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология послепечатных процессов. Учебно-методическое пособие
.pdf
Принято считать, что образование адгезионной связи в системе «клеящее вещество – субстрат» происходит в две стадии:
1. Смачивание и адгезия клея к поверхности субстрата.
2. Формирование клеевой пленки.
На первой, так называемой транспортной стадии происходят перемещение молекул адгезива к поверхности субстрата и их определенное ориентирование в межфазном слое, в результате чего обеспечивается тесный контакт между молекулами (их функциональными группами) адгезива и субстрата. Основную роль здесь играют реологические свойства адгезива и способность его смачивать поверхность субстрата. Протеканию данной стадии процесса способствуют повышение
температуры и давления, а также перевод адгезива в жидкое состояние
растворением его в подходящем растворителе или плавлением.
Действительно, чем ниже вязкость клея, тем интенсивнее он способен растекаться по поверхности и с большей скоростью заполнять
углубления и поры субстрата.
Смачивание твердой поверхности, в первую очередь, зависит от
поверхностного натяжения контактирующих фаз. Поверхностное натяжение возникает на границе раздела несмешивающихся жидкостей или
жидкости и твердого тела. Силы поверхностного натяжения стремятся
как бы сократить поверхность соприкосновения жидкости с окружающей средой. Так, чем выше поверхностное натяжение твердого тела,
тем лучше его смачиваемость жидкостями. Известно, что поверхность
металлов и других твердых тел с прочными связями (вещества с высокой поверхностной энергией
ат.
> 500 мДж/м2) хорошо смачивается
г
практически любыми жидкостями. В то же время жидкость тем лучше
смачивает твердую поверхность, чем меньше ее
аж.
(слабее взаимо-
г
действие между ее молекулами, слабее силы когезии), поэтому неполярные жидкости с малым поверхностным натяжением (например, углеводороды с поверхностным натяжением 20–25 мДж/м
рошо смачивают любые поверхности. Ртуть (
аж.
= 500 мДж/м2) спо-
г
2
) обычно хо-
собна смачивать только поверхность металлов, а вода с поверхностным
натяжением 73 мДж/м
2
смачивает лишь полярные поверхности. Согласно приближенному правилу лучше смачивает поверхность та жидкость, которая ближе к ней по полярности и имеет меньшее поверхностное натяжение.
Чем меньше значение краевого угла смачивания на границе
«клей – склеиваемая поверхность», тем лучше смачивание и,
41
следовательно, больше поверхность контакта, на которой могут реализоваться те или иные связи (водородные, химические и другие взаимодействия). Например, полярные адгезивы (крахмал, животный клей) являются хорошими клеями для бумаги, которая представляет собой полярный материал. В то же время при нанесении полярных адгезивов на
парафинированную (неполярную) поверхность бумаги прочной связи
получить не удается. При окислительной обработке такой поверхности,
например, коронным разрядом, на ней появляются полярные группы,
что приводит к увеличению адгезии полярного клея.
На смачивание поверхности твердого тела значительное влияние
оказывает ее шероховатость: чем сильнее шероховатость, тем резче
проявляются смачивание или несмачивание этой поверхности жидкостями. Данное явление можно объяснить следующим образом. При краевом угле смачивания θ < 90° жидкость проникает в капилляры и поры
субстрата, что улучшает смачивание поверхности. Если θ > 90°, то жидкость не смачивает стенки углублений и капилляров и не проникает
вглубь них, это ухудшает смачивание шероховатой поверхности. Иными
словами, гидрофильной поверхности шероховатость придает еще большую гидрофильность, а гидрофобной – большую гидрофобность.
Установлению адгезионных связей между субстратом и клеем
способствует давление (склеиваемые поверхности сильно прижимают
друг к другу). Применение давления усиливает различные виды адгезии: клей интенсивнее и глубже проникает в поры субстрата и отверждается в них, что способствует прочности клеевого соединения. Давление на склеиваемую систему усиливает также и специфическую адгезию, происходящую за счет межмолекулярного взаимодействия клеевого вещества и функциональных групп поверхности фибриллярных
элементов бумажного листа (путем образования физических и водородных связей).
Согласно диффузионному механизму адгезия обусловливается
взаимным проникновением молекул в поверхностные слои взаимодействующих фаз. Процесс диффузии приводит к размыванию границы
раздела фаз, взаимному их растворению в местах контакта. Вследствие
возрастания интенсивности теплового движения макромолекул повышение температуры увеличивает скорость диффузии молекул клея в
подложку, а вместе с тем и прочность склейки.
На второй стадии процесса склеивания происходит формирование клеевой пленки между двумя поверхностями. В зависимости от при-
роды клея такая пленка образуется:
42
- в результате испарения растворителя;
- при переходе жидкого клея в твердообразное состояние под дей-
ствием специально добавленного вещества, называемого отвердителем;
- в результате охлаждения расплава полимера (термоклеи).
К онтрольные вопросы
1. На каких операциях применяют операции склеивания на ста-
дии послепечатных процессов?
2. Какие преимущества имеет склеивание?
3. В чем заключаются недостатки клеевых соединений?
4. Что такое склеивание?
5. Какие клеи используются в полиграфии?
6. Дайте характеристику водно-дисперсионным клеям
7. Где находят применение водно-дисперсионные клеи?
8. В чем заключаются недостатки водно-дисперсионных клеев?
9. На какие операциях применяют клеи животного происхожде-
ния?
10. В чем заключаются достоинства и недостатки клеев живот-
ного происхождения?
11. При каких температурах применяю клеи животного проис-
хождения?
12. Для каких операций применяют полиуретановые клеи?
13. В чем преимущества и недостатки полиуретановых клеев?
14. Какие преимущества имеют термоклеи?
15. Что входит в состав термоклея?
16. Какие типы клеевых соединений применяются в технологии
отделки печатной продукции и в технологии брошюровочно-переплетных процессов?
17. В каких операция применят плоское клеевое соединение?
18. В каких операциях применяют соединение Ш-образног
типа?
19. В к
аких операциях применяют соединение Т-образного
типа?
о
43
20. Когда применяют комбинированные клеевые соединения,
сочетающее Ш- или Т-образное с плоским?
21. Сколько этапов у процесса склеивания?
22. Что является необходимым условием прилипания?
23. Сколько условий схватывания существует?
24. Что является первым условием схватывания?
25. Что является вторым условием схватывания?
26. Что является третьим условием схватывания?
27. Вследствие чего происходит закрепление клеевого слоя?
28. Как рассматривает процесс склеивания адсорбционная теория склеивания?
29. В чем сущность диффузионной теории склеивания?
30. Как теорию склеивания рассматривает электростатическая
теория склеивания?
31. Что предполагает химическая теория склеивания?
32. Чем определяются прочность и все другие свойства клеевого
соединения?
33. Какое влияние оказывает шероховатость на смачивание поверхности твердого тела?
34. Какие механизма действуют в реальном процессе склеивания?
35. Что способствует установлению адгезионных связей между
субстратом и адгезивом?
Т естовые задания
1. … – это прилипание, превосходящее по силе сцепления когезию данного вещества. В силу этого при отрыве на поверхности
непременно остается липкое вещество, т. е.
происходит когезионный
контакта
тип отрыва, причем такое соотношение между силами адгезии и когезии тел остается весьма д
лительное время.
2. В клей ПВАД должно содержаться пластификатора:
А) 10 %
Б) 35 %
44
В) 20 %
Г) 15 %
3. Следующий пластификатор вводят в клей ПВАД:
А) глицерин
Б) дибутилфталат
В) трифенилфосфат
Г) этиленгликоль
4. Пластификатор в клей вводят:
А) для лучшего закрепления
Б) лучшего смачивания поверхности клея
В) уменьшения старения клеевой пленки
Г) быстрого образования адгезионного шва
5. Открытое время термоклея, предлагаемого рынком:
А) 1…60 с
Б) 10…60 мин
В) 60…120 мин
Г) более 120 мин
6. Согласно диффузионной теории склеивание происходит в результате:
А) затекания клея в поры и трещины поверхности субстрата
Б) взаимодействия между молекулами адгезива и субстрата
В) взаимодействия противоположных по знаку зарядов
Г) растворения адгезива или субстрата
7. Согласно электрической теории адгезия происходит в результате:
А) затекания клея в поры и трещины поверхности субстрата
Б) взаимодействия между молекулами адгезива и субстрата
В) взаимодействия противоположных по знаку зарядов
Г) растворения адгезива или субстрата
8. Согласно механической теории адгезии склеивание происходит в результате:
А) взаимодействия между молекулами адгезива и субстрата
Б) растворению адгезива или субстрата
В) затекания клея в поры и трещины поверхности субстрата
Г) взаимодействия противоположных по знаку зарядов
45
9. Шероховатость поверхности прочность склеивания:
А) уменьшает
Б) увеличивает
В) не играет роли для прочности склеивания
Г) зависит от используемого субстрата
10. Температура нанесения полиуретанового клея не должна превышать (градусов Цельсия):
А) 120…130
Б) 260…280
В) 70…90
Г) 160…180
11. Время отверждения полиуретанового клея, обеспечивающее последующую трехстороннюю обрезку книжных блоков:
А) 1,5…2,5 мин
Б) 1…60 с
В) 1…60 мкс
Г) 10…60 мин
12. Срок службы термоклея:
А) 7–10 лет
Б) 1–10 мес.
В) 70–100 лет
Г) менее 1 года
13. Согласно молекулярной (адсорбционной) теории адгезии:
А) склеивание происходит в результате растворению адгезива
субстрата
Б) взаим
одействия противоположных по знаку зарядов
В) взаимодействия между молекулами адгезива и субстрата
Г) затекания клея в поры и трещины поверхности субстрата
14. Аутогезия – это…
А) сцепление частиц одного и того же вещества под действием
притяжения, обусловленных межмолекулярным взаимодействием
или хим
ической связью
Б) связь между приведенными в контакт однородными поверхностями
В) связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями
46
или
сил
15. Адгезия – это…
А) сцепление частиц одного и того же вещества под действием сил
притяжения, обусловленных межмолекулярным взаимодействием
или
Б) связь между приведенными в контакт однородными поверхностями
В) связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями
16. Когезия – это…
А) сцепление частиц одного и того же вещества под действием сил
притяжения, обусловленных межмолекулярным взаимодействием
или
Б) связь между приведенными в контакт разнородными поверхностями
В) связь между приведенными в контакт однородными поверхностями
17. Недостатки у клея на основе ПВАД следующие:
А) требуется сушка
Б) плохая липкость
В) образует неэластичную пленку
Г) клеевая пленка подвержена быстрому старению
18. Прочность склейки листов и тетрадей блока влияет:
А) на долговечность издания
Б) прочность издания
В) величину кантов
Г) энергоемкость
ической связью
хим
ической связью
хим
19. Лучшую раскрываемость книги при КБС обеспечивает клей:
А) ПВАД
Б) термоклей
В) крахмальный
Г) костный
Глава 3
О СНОВЫ ТЕОРИИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
И МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ
Прочность и долговечность книжных изданий зависят от многих
показателей и прежде всего от прочности и долговечности исходных
материалов, технологии и режимов их переработки в полуфабрикаты и
готовые издания, а за пределами полиграфического предприятия –
от условий хранения и эксплуатации.
Так как подавляющая часть материалов, применяемых в полиграфическом производстве, относится к классу полимеров, знание основных положений теории долговечности полимеров весьма полезны в повседневной деятельности инженера-технолога полиграфического производства.
3.1. Основы теории долговечности материалов
Прочность характеризует свойство материала сопротивляться
разрушению под действием механических напряжений. Прочность полимеров – это важная техническая характеристика. Расчеты показали,
что теоретическая прочность у неориентированных полимеров составляет 20–50 МПа, а после ориентации увеличивается примерно в 10 раз.
Однако экспериментально определенная прочность как напряжение,
вызывающее разрушение образца, во много раз меньше ее теоретического значения. Это является следствием существования в их реальной
структуре дефектов, обусловленных методикой получения полимерного материала и появившихся в результате изготовления образца для
испытаний. В последнем случае чаще всего возникают поверхностные
дефекты, которые наиболее опасны как концентраторы дополнительных напряжений.
Долговечность полимеров – это прочностное свойство, характе-
ризующее продолжительность времени от момента нагружения до
48
разрушения полимерного тела при сохранении постоянного напряже-
𝑡д=#𝑡'exp
(
!"#$#%
)*
ния. Основное положение теории долговечности полимеров утверждает, что долговечность полимеров зависит от величины приложенной нагрузки (напряжения δ, Па), времени ее действия t (с) и температуры Т (К) полимера. Зависимость прочности от времени действия
нагрузки характерна для всех материалов, но у полимеров она ощутима
уже в области температур, близких к нормальной комнатной.
Многочисленные исследования отечественных и зарубежных
ученых показали, что логарифм долговечности полимеров от напряжения при постоянной температуре убывает по линейному закону и выражается формулой
t
= A • e
д
-αδ
, (3.1)
где t
– долговечность, с; σ – напряжение, Па; А, α — константы при
д
температуре Т = const.
Согласно кинетической термофлуктуационной теории, разрабо-
танной школой С. Н. Журкова, разрушение полимерного материала
происходит из-за разрушения химических связей полимера, которое
вызывается совместным действием энергии теплового движения атомов и работы внешней силы. Разрыв связей, ослабленных действием
внешней нагрузки, происходит благодаря флуктуации кинетической
энергии, возникающей при тепловом колебании атомов.
Уравнение С. Н. Журкова для оценки долговечности твердых тел
представлено ниже:
, (3.2)
−23
Дж/К –
где t
= 10
o
−12
−13
÷10
– период флуктуации атома, с; k = 1,38 • 10
постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура, К.
Значение коэффициента t
как множитель в формуле времени ожидания флуктуации энергии должен быть равен ≈ 10
−13
с – периоду собственных колебаний атомов
≈ 10
o
−13
с является закономерным, так
в твердых телах.
Таким образом, в основе процесса разрушения твердых материалов лежит единичный элементарный термофлуктуационный акт, а разрушение материала – это процесс последовательных термофлуктуа-
49
ционных разрывов связей между атомами твердого тела. Внешняя сила
в процессе разрушения лишь снижает начальный потенциальный барьер, изменяя расстояния между атомами в молекулах полимера. Тепловое движение атомов способствует разрыву связей, а явление энергетической флуктуации, случаи разрывов межатомных связей, резко увеличивает их число. При отсутствии напряжений в материале энергетические флуктуации вызывают лишь весьма медленное при обычных
температурах испарение атомов вследствие деструкции полимера.
Физико-механические показатели и внутренние напряжения,
определяющие долговечность материалов, зависят от степени неоднородности и дефектности надмолекулярной структуры. Исследование
структурных превращений на различных стадиях формирования и старения полимерных материалов свидетельствует о том. В соответствии
с кинетической термофлуктуационной теорией это приводит к накоплению дефектов.
Согласно термофлуктуационной теории картина разрушения полимеров заключается в следующем. Напряжение, возникающее в деформируемом теле от действия внешней силы, распределяется по межатомным связям и несколько ослабляет силы сцепления атомов, снижает потенциальный барьер, препятствующий распаду межатомных
связей, от U
В течение времени t
до U = Uo – γ • σ.
o
ср
наступают флуктуации с энергией Еф = U,
которые и разрывают межатомные связи. Разрывные флуктуации поступают на некоторые атомы сразу после приложения к материалу
внешней нагрузки, на другие – позже, но за время t
возникнут в боль-
ф
шой части атомов и разорвут значительное число связей.
Термофлуктуационная теория рассматривает разрушение не как
критическое явление, наступающее при достижении предельного
напряжения или деформации, а как кинетический процесс накопления
повреждений, развивающийся в теле с момента приложения нагрузки.
Механические напряжения только снижают активационный барьер, облегчая разрыв когезионных связей в полимере. Непосредственное разрушение полимера объясняется образованием трещин в местах
концентрации напряжений, а зарождение и развитие трещин рассматривается как следствие кинетического процесса термофлуктуационного разрыва связей.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]