Влияние температуры на краевой угол смачивания бумаги печатной краской

УДК 658.5

Кулак М. И., профессор (БГТУ); Старченко О. П., ассистент (БГТУ);

Маслакова И. А., аспирант

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА КРАЕВОЙ УГОЛ СМАЧИВАНИЯ БУМАГИ ПЕЧАТНОЙ КРАСКОЙ

В статье рассмотрено экспериментальное исследование температурного воздействия на краевой угол смачивания бумаги печатной краски. По результатам обработки эмпирических данных построены аппроксимирующие функции зависимости косинуса краевого угла смачивания от температуры краски для различных образцов бумаги и краски. Полученные результаты могут быть использованы для моделирования поведения краски в процессе сушки оттиска.

In the article it is considered the experimental research of the temperature influence on a limiting wetting angle of paper with printing ink. By means of processing of the empirical data approximating functions of cosine of limiting wetting angle depending on temperature of ink for various samples of paper and ink are constructed. The received results can be used for the modelling of ink behaviour in the drying process of print.

Введение. Взаимодействие бумаги и печатной краски, служащее основой печатного процесса, заключается в восприятии краски бумагой благодаря смачиванию, адгезии и ее проникновении в поровое пространство. Проникновение происходит в два этапа: 1) быстрое (10-2 с) заполнение краской внешних пор поверхности листа под давлением печатного контакта; 2) впитывание, т. е. самопроизвольная фильтрация краски через тонкие поры бумаги после выхода листа из зоны контакта.

Условия длительного взаимодействия бумаги и краски после получения оттиска предопределяют скорость и характер закрепления полученного изображения, распределение краски в приповерхностных и объемных слоях листа, явление просачивания краски на его оборотную сторону.

В теории печатных процессов первостепенное значение имеет не только изучение физико-химических процессов, сопутствующих закреплению краски, но и анализ факторов, влияющих на продолжительность этого процесса, а также представление о возможностях ускорения процесса закрепления и предотвращения появления дефектов.

Поведение краски непосредственно в процессе получения оттиска определяется главным образом совокупностью ее реологических свойств. Реологические характеристики оказывают решающее воздействие на поведение краски и после получения оттиска, т. е. на этапе ее закрепления.

В механизме закрепления краски важную роль играют процессы тиксотропного структу-рообразования, т. е. соединения частиц и агрегатов пигмента в пространственную структурную решетку, или каркас. В процессе закрепления краски на первый план выступает взаимосвязь интенсивности процесса тиксотропного структу-рообразования и температуры краски, которая обусловила разработку и внедрение в практику печатания методов теплофизического воздействия на свежеотпечатанный оттиск.

При выходе бумажного листа из зоны печатного контакта начинается период активного впитывания и фильтрации краски в поровом пространстве бумаги. Для ускорения закрепления

красок на этой стадии используется температурное воздействие, осуществляемое различными излучающими устройствами. Наибольшее применение в практике работы полиграфических предприятий находят тепловыделяющие устройства, в которых используются в качестве промежуточных теплоносителей нагретый воздух, горячая вода или открытое газовое пламя.

Капиллярное впитывание краски, отражающее кинетику проникновения жидкости в капилляр, определяется уравнением Уошборна [1]:

, /сжгтсо$е

''Г-^ •

где ' — длина капилляра; сж — поверхностное натяжение краски; г — радиус капилляра; т — время; 9 — краевой угол смачивания; ^ — вязкость краски.

Воздействие температуры влияет на капиллярное впитывание. От температуры зависят такие параметры, как поверхностное натяжение и вязкость краски, а также краевой угол смачивания.

Условием смачивания является превышение сил молекулярного притяжения между жидкостью и смачиваемой поверхностью (адгезия) над силами притяжения между молекулами жидкости ^л (когезия) (рис. 1).

, 2

б^с р \

* УШ/Ш/Ш/У/Ш//

СТ32 <713 3 13

Рис. 1. Краевой угол смачивания: 1 — жидкость; 2 — воздух; 3 — твердое тело;

— сила притяжения молекул жидкости друг к другу; ¥13 — сила притяжения молекул жидкости к твердому телу

Тогда молекулы вытягиваются из объема жидкости и капля, нанесенная на поверхность, растекается по ней. Если же ^ц >

то молекулы втягиваются внутрь жидкой фазы — капля стягивается и жидкость не смачивает поверхность.

Степень смачивания характеризуется равновесным краевым углом смачивания 9, величина которого определяется соотношением поверхностных натяжений на границе раздела трех фаз: жидкость — воздух СТ12, твердое тело — воздух с23 и жидкость — твердое тело с13 [1]:

cos6 = °23 ~Cl3 .

а12

В исследованиях Л. А. Козаровицкого и Т. И. Гудковой [2] влияние температуры на реологические свойства краски было изучено на образцах быстрозакрепляющейся краски. Наиболее резкое пацение вязкости (почти в пять раз) наблюдается при повышении температуры на 30 °С (от 20 до 50°). Дальнейшее такое же повышение температуры на 30° (от 50 до 80°) приводит к относительно небольшому снижению вязкости.

Количественных результатов о температурной зависимости краевого угла смачивания 9 нет, поэтому необходимо проведение эксперимента и его статистическая обработка.

Основная часть. В ходе работы проведено экспериментальное исследование. Взяты образцы двух видов краски и четырех видов бумаги. Суть эксперимента заключается в нанесении капли краски на образец бумаги и съемке профиля капли цифровой камерой.

В исследовании использовался зеркальный цифровой фотоаппарат Sony Alpha DSLRA-A100 (светочувствительный элемент CCD, максимальное разрешение 3880^2600 dpi, количество пикселей 10,2 млн., диапазон выдержек 1/4000-30 с) с оптикой, предназначенной для макросъемки.

Примеры снимков представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Смачивание мелованной бумаги Lumi Art краской Rollo Term при комнатной температуре

Рис. 3. Смачивание газетной бумаги краской Exact при 90 °С с сушкой бумаги

Первый опыт проведен для печатной краски и образца бумаги комнатной температуры (23 °С). Поскольку рассматривается процесс сушки оттиска при выходе его из зоны печатного контакта, интерес представляет и температурная зависимость краевого угла смачивания при нагревании бумаги до температуры краски. Для последующих опытов печатная краска и один из двух образцов бумаги нагревались и выдерживались в термостате при определенной температуре, а затем капля наносилась на образец. Серии экспериментов проводились при 23, 40, 60, 80 и 90 °С для каждого образца бумаги.

Эксперименты проводились для образцов бумаги следующих видов: газетная бумага марки О (45 г/м2), офсетная бумага № 1 (80 г/м2), мелованные бумаги марок Lumi Art (100 г/м2) и Lumi Silk (100 г/м2). В качестве печатной краски использовалась офсетная краска Exact и бы-строзакрепляющаяся краска для ролевой газетной печати Rollo Term.

Полученные в результате проведения эксперимента снимки профилей капель краски обрабатывались с помощью инструментов программного пакета Adobe Photoshop с целью увеличения резкости. Затем в пакете CorelDraw были измерены краевые углы смачивания левой и правой стороны капли.

В ходе обработки экспериментальных данных в математическом пакете Mathcad были рассчитаны средние значения краевого угла смачивания образцов бумаги для каждой температуры. Поскольку для определения влияния температуры на капиллярное впитывание краски необходимы значения косинуса краевого угла смачивания, были также определены значения cosö.

Данные для красок Exact и Rollo Term представлены соответственно в табл. 1 и 2.

Таблица 1 Значения косинуса краевого угла смачивания образцов бумаги краской Exact

Вид бумаги cos9

Без нагревания бумаги

Температура, °С 23 40 60 80 90

Газетная 0,838 0,824 0,742 0,712 0,714

Офсетная 0,778 0,774 0,702 0,657 0,610

Lumi Art 0,529 0,554 0,562 0,494 0,574

Lumi Silk 0,570 0,571 0,560 0,550 0,473

С нагреванием бумаги

Газетная 0,838 0,826 0,712 0,767 0,778

Офсетная 0,778 0,739 0,644 0,698 0,618

Lumi Art 0,529 0,515 0,558 0,458 0,480

Lumi Silk 0,570 0,605 0,642 0,527 0,545

Таблица 2 Значения косинуса краевого угла смачивания образцов бумаги краской Rollo Term

Вид бумаги cos9

Без нагревания бумаги

Температура, °С 23 40 60 80 90

Газетная 0,705 0,707 0,615 0,588 0,667

Офсетная 0,633 0,631 0,605 0,559 0,653

Lumi Art 0,492 0,563 0,462 0,351 0,421

Lumi Silk 0,566 0,548 0,478 0,469 0,528

С нагреванием бумаги

Газетная 0,705 0,719 0,630 0,638 0,677

Офсетная 0,633 0,717 0,603 0,647 0,606

Lumi Art 0,492 0,527 0,448 0,431 0,469

Lumi Silk 0,566 0,536 0,501 0,568 0,511

С помощью метода наименьших квадратов по полученным экспериментальным данным построены аппроксимирующие зависимости, а также рассчитаны коэффициенты регрессии с использованием математического пакета Mathcad. Зависимость влияния температуры на краевой угол смачивания бумаги печатной краской является гиперболической функцией следующего вида:

COS0(T) =

1

а + Ъ  T

Коэффициенты аппроксимирующих функций косинуса краевого угла смачивания бумаги печатными красками Exact и Rollo Term и расчетные критерии Фишера для проверки адекватности модели представлены в табл. 3 и 4.

Из анализа табл. 3 и 4 следует, что расчетные значения критерия Фишера не превышают табличного значения, равного 5,41, что свидетельствует об адекватности полученных моделей.

На рис. 4-7 представлены графики экспериментальных точек и аппроксимирующие температурные зависимости косинуса краевого угла смачивания 9 образцов краской Exact с сушкой бумаги и без сушки.

Таблица 3 Аппроксимирующие функции косинуса краевого угла смачивания бумаги краской Exact

Вид бумаги Аппроксимирующая функция

Без сушки бумаги С сушкой бумаги

а Ъ F а Ъ F

Газетная 1,124 3,028х10"3 0,193 1,179 1,725x10-3 2,929

Офсетная 1,121 5,315х10"3 0,185 1,205 4,142x10-3 0,544

Lumim Art 1,854 -1,139x10" 4 0,806 1,762 3,686x10-3 0,124

Lumi Silk 1,599 4,201x10-3 0,213 1,601 2,359x10-3 0,064

Таблица 4

Аппроксимирующие функции косинуса краевого угла смачивания бумаги краской Rollo Term

Вид Аппроксимирующая функция

Без сушки бумаги С сушкой бумаги

бумаги а Ъ F а Ъ F

Газетная 1,361 2,916x10-3 0,075 1,378 1,890x10-3 0,210

Офсетная 1,572 9,416x10-4 0,269 1,470 1,638x10-3 0,373

Lumi Art 1,603 0,011 0,027 1,889 3,972x10-3 1,054

Lumi Silk 1,729 3,638x10-3 0,050 1,788 1,388x10-3 0,136

cos ö

1,00,8-

20 40 60 80 100

Температура краски, С

Рис. 4. Температурная зависимость краевого угла смачивания газетной бумаги краской Exact: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

cos н

1,0

Температура краски, °С

Рис. 5. Температурная зависимость краевого угла смачивания офсетной бумаги краской Exact: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

0,6

0,4

0,2

0,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

cos ö

1,00,8-

A B -C -D

20 40 60 80 100

Температура краски, °C

Рис. 6. Температурная зависимость краевого угла смачивания мелованной бумаги Lumi Art краской Exact: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

cos tí

1,0-

A B C

Температура краски, °С

Рис. 7. Температурная зависимость краевого угла смачивания мелованной бумаги Lumi Silk краской Exact: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

Из графиков видно, что с ростом температуры краски косинус краевого угла смачивания уменьшается. При увеличении температуры краски Exact в 2,9 раза cosö уменьшается на 15% без сушки и на 7% с сушкой для газетной бумаги, на 22% и 21% соответственно для офсетной бумаги.

Для мелованных бумаг нагревание краски оказывает меньшее влияние на краевой угол смачивания из-за наличия меловального слоя, препятствующего более глубокому проникновению краски в бумагу. При увеличении темпе-

ратуры краски в 2,9 раза cosö увеличивается на 9% без сушки и уменьшается на 9% с сушкой для бумаги Lumi Art и, соответственно, уменьшается на 17% и 4% для Lumi Silk.

Аппроксимирующие зависимости косинуса краевого угла смачивания 9 образцов краской Rollo Term от температуры и значения, полученные в ходе эксперимента, изображены на рис. 8-11.

Для краски Rollo Term при увеличении температуры в 2,9 раза cosö уменьшается на 5% без сушки и на 4% с сушкой для газетной бумаги, увеличивается на 3% и уменьшается на 4% соответственно для офсетной бумаги.

cos tí

1,0

0,8

20 40 60 80 100

Температура краски, С

Рис. 8. Зависимость краевого угла смачивания газетной бумаги краской Rollo Term: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

cos tí

1,0

0,8

20 40 60 80 100

Температура краски, С

Рис. 9. Зависимость краевого угла смачивания офсетной бумаги краской Rollo Term: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

0,6

0,4

0,2

0,0

0,6

0,4

0,2

0,0

D

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,6

0,4

0,2

0,0

cos ö

1,0-

G,8

A B G D

20 40 60 80 100

Температура краски, С

Рис. 10. Зависимость краевого угла смачивания мелованной бумаги Lumi Art краской Rollo Term: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

cos tí

1,0-

A B G

Температура краски, С

Рис. 11. Зависимость краевого угла смачивания мелованной бумаги Lumi Silk краской Rollo Term: A — экспериментальные значения для образцов, не подвергавшихся сушке; B — экспериментальные значения для нагретых образцов бумаги; C — аппроксимирующая функция для образцов, не подвергавшихся сушке; D — аппроксимирующая функция для нагретых образцов бумаги

Для мелованных бумаг увеличение температуры краски в 2,9 раза дает уменьшение cosö на 14% без сушки и на 5% с сушкой для бумаги Lumi Art и, соответственно, уменьшение на 7% и 10% для Lumi Silk.

Чтобы избежать чрезмерного проникновения краски в бумагу вплоть до перехода ее на оборотную сторону, подбор оптимальной температуры краски, влияющей на капиллярное

впитывание, должен осуществляться в некоторых температурных пределах с учетом используемых запечатываемых материалов.

Для оценки влияния температуры на краевой угол смачивания бумаги печатной краской рассчитываются температурные коэффициенты, представленные в табл. 5.

Таблица 5 Температурные коэффициенты краевого угла смачивания образцов бумаги краской

Вид бумаги Температурный коэффициент

Exact RolloTerm

Без сушки бумаги С сушкой бумаги Без сушки бумаги С сушкой бумаги

Газетная 1,85TG-3 8,96-1G-4 5,67-1G-4 4,18-1G-4

Офсетная 2,51TG-3 2,39-1G-3 2,99-1G-4 4,G3-1G-4

Lumi Art 6,72-1G-4 7,31-1G-4 1,G6-1G-3 3,43-1G-4

Lumi Sil k 1,45-1G-3 3,73-1G-4 5,67-1G-4 8,21-1G-4

Анализ температурных коэффициентов показывает, что изменение краевого угла смачивания при увеличении температуры вносит незначительный вклад в изменение капиллярного впитывания краски в бумагу по сравнению с температурными зависимостями вязкости и поверхностного натяжения краски.

Заключение. В результате проведения эксперимента и обработки полученных данных определено, что зависимость косинуса краевого угла смачивания бумаги печатной краской от температуры имеет вид гиперболической функции. Однако малые величины температурных коэффициентов угла смачивания свидетельствует о том, что температурная зависимость краевого угла смачивания оказывает незначительное влияние на первоначальное впитывание краски при сушке оттиска на выходе из зоны печатного контакта.

Проведенные исследования могут в дальнейшем использоваться в моделировании поведения краски на оттиске в процессе сушки, а также моделировании процесса растаскивания растровых точек под действием температуры.

Литература

1. Шахкельдян, Б. Н. Полиграфические материалы / Б. Н. Шахкельдян, Л. А. Загарин-ская. — М.: Книга, 1988. — 328 с.

2. Козаровицкий, Л. А. Бумага и краска в процессе печатания / Л. А. Козаровицкий. — М.: Книга, 1965. — 368 с.

Поступила 22.03.2010

0,6

0,4

0,2

0,0

D

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0