Исследование физических характеристик офсетных термочувствительных пластин для цифровой записи

УДК 621.833

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОФСЕТНЫХ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПЛАСТИН ДЛЯ ЦИФРОВОЙ

ЗАПИСИ

Д. Саек, О.А. Карташева

Рассмотрены проблемы выбора офсетных термочувствительных пластин для цифровой записи печатных форм и аспекты влияния физических характеристик этих пластин на репродукционно-графические свойства печатных форм. В частности, рассмотрена морфология поверхности слоев широко применяемых в полиграфическом производстве пластин Azura и Energy Elite Pro фирмы Agfa, проведены исследования сил адгезии полимерного слоя к алюминиевой основе пластины.

Ключевые слова: термочувствительная пластина, офсетная печатная форма, микрогеометрия поверхности, адгезия.

В настоящее время на полиграфическом рынке плоской офсетной печати существует большое многообразие пластин для изготовления печатных форм цифровым способом. Перед производителем офсетной печатной продукции стоит проблема выбора оптимальных формных материалов, необходимых для качественной печати. Преобладание на рынке термочувствительных пластин для цифровой записи определено в основном возможностью широкого их выбора и высокими показателями качества. Проявляемые после записи в химических растворах позитивные пластины известных производителей (Agfa, Fuji Film, Kodak и др.) в настоящее время занимают основную часть рынка производства офсетных пластин для печати высококачественной продукции в Европе. В последнее десятилетие растет и потребление термочувствительных негативных пластин, не требующих обработки в химических растворах после записи. Эти пластины обладают явными преимуществами, такими, как бинарность и стабильность формирования элементов изображения [1-3].

Определение оптимальных формных материалов осуществляется в основном по таким параметрам, как репродукционно-графические показатели - интервал воспроизводимых градаций и точность воспроизведения мелких графических элементов. Немаловажным параметром для выбора является также тиражестойкость печатной формы. В научных работах, посвященных изучению технологических возможностей пластин, основное внимание уделяется изучению процессов записи изображения и оценке взаимосвязи и влияния параметров цифровой записи на качество изображения на печатной форме [4-7]. Но, как известно, на репродукционно-графические показатели формных пластин для офсетной печати - разрешающую и выделяющую способность и градационную передачу растрового изображения - влияют не только параметры и условия процессов записи и проявления печатных форм. Непосредственное влияние также оказывают такие параметры пластин, как природа и химический состав регистрирую-

348

щего полимерного слоя, его толщина и морфология поверхности, а также физическое состояние поверхности подложки пластины. Морфология поверхности полимерного слоя и его адгезионные свойства влияют на качество воспроизведения мелких (20...40 мкм) деталей изображения. Особое значение эти параметры поверхности слоев приобретают в процессах печати высокоточных изображений полиграфической продукции, например, с микроэлементами защиты от подделки [8, 9].

Морфология же поверхности алюминиевой основы пластины имеет непосредственное влияние на адгезию полимерного слоя к ней, следовательно, во многом определяет стабильность печатных элементов и тираже-стойкость пластины в процессе печати. Однако, количество научных работ по изучению структурных и физических характеристик термочувствительных пластин невелико [1, 10-12]. Для более глубокого понимания влияния физических параметров пластин на репродукционно-графические показатели печатных форм необходимо разработать методику определения необходимых показателей морфологии слоев пластин и степени адгезии полимерного слоя к подложке.

Цель данной статьи - разработка методологии оценки морфологии поверхности слоев термочувствительных печатных форм плоской офсетной печати и их адгезии к поверхности алюминиевой основы. Целью данного исследования является определение возможных аспектов влияния физических параметров формных пластин на репродукционно-графические показатели и на тиражестойкость печатных форм в процессе печатания.

Методы исследования морфологии поверхности слоев печатных

форм. Для анализа морфологии поверхности слоев были выбраны термочувствительные пластины Azura фирмы Agfa, работающие по негативному механизму плавления при воздействии излучения без усиления процесса проявлением в химических растворах, и пластины Agfa Energy Elite Pro (EEP), работающие по позитивному механизму термодеструкции с усилением процесса путем проявления.

Для описания микрогеометрии и шероховатости поверхностей в основном применяются такие параметры, как Ra - среднее арифметическое отклонение профиля микронеровностей, Rz - среднее значение высоты микронеровностей, Rq - среднеквадратическое отклонение профиля и Rmax - максимальное отклонение высоты профиля [13].

В настоящее время для оценки поверхностей, обработанных одним и тем же методом в тех же условиях, часто используют лишь один усредненный параметр, например Ra. Однако в данном случае при оценке морфологии поверхности форм с разным химическим составом полимеров и различным механизмом формирования поверхности полимерного слоя одного параметра оценки поверхности недостаточно, т.к. профили поверхностей с одинаковыми значениями Ra, например, платообразного и остроконечного типа, являются совершенно разными [14].

349

Формирование изображения на пластинах Azura фирмы Agfa осуществляется по технологии ThermoFuse: под воздействием ИК-излучения термопластичные частицы слоя латекса плавятся и соединяются, закрепляясь на поверхности алюминиевой основы [12]. Изображение регистрируется по негативному принципу: под воздействием излучения формируются печатающие элементы; пробельные элементы на поверхности гидрофильной алюминиевой основы образуются после удаления неэкспонированного слоя при помощи гумирующего раствора.

Запись термочувствительной позитивной пластины EEP фирмы Agfa производится по позитивному механизму, т.е. под воздействием теплового лазерного ИК-излучения происходит разрушение молекулярных связей термочувствительного полимера на активных пробельных участках печатной формы с последующим его удалением в процессе проявления. Полимерное покрытие на печатающих элементах остается в изначальном виде и тепловому воздействию не подвергается.

Для изучения морфологии поверхности основы и полимерных слоев пластин был применен метод лазерного сканирования на микроскопе АСМ марки NT-206. Величины максимальных микронеровностей Rmax поверхности (величина двух противоположных экстремумов) определялась из про-филограмм исследуемых поверхностей [15]. Для оценки морфологии поверхности основы и характера изменения морфологии поверхности слоя латекса при температурном воздействии были измерены следующие образцы печатных форм Azura: 1) поверхность алюминиевой основы; 2) поверхность неэкспонированного латекса; 3) поверхность экспонированного (100 мВт) латекса. Для оценки морфологии поверхности слоев пластины Agfa EEP были измерены следующие образцы: 1) поверхность полимерного слоя на печатающих элементах, 2) поверхность алюминиевой основы после удаления остатков полимера на пробельных элементах. В результате измерений были зафиксированы профилограммы изучаемых поверхностей печатных форм и в программе прибора рассчитаны значения средней арифметической величины профиля Ra и среднеквадратического отклонение профиля Rq.

Результаты исследования морфологии поверхности слоев печатных форм. В результате оценки поверхностей слоев печатных форм Agfa Azura зафиксированы профилограммы (длина образца 16 мкм). На профилограммах (рис. 1) и на графических рисунках пространственного вида (рис. 2) представлены величины и характер изменения микронеровностей исследуемых поверхностей. Из профилограммы (рис. 1, а) видно, что Rmax поверхности алюминиевой основы достигает 860 нм, а ее Ra составляет 200 нм (рис. 2,а). Поверхность неэкспонированного слоя является достаточно ровной, что видно из профилограммы (рис. 2, б): ввиду частичной полимеризации латекса и воздействия сил внутреннего натяжения отдельные микрочастицы образуют вторичный нанорельеф поверхности (рис. 3,

б). Яа свежего латекса составляет 64,2 нм (рис. 2, б), однако отдельно взятые пики на нем составляют порядка 230...250 нм шириной 2,4 мкм (рис. 1, б).

II, нм Ь, нм

ж

¡f щ

v.....hi" Vt- н4-

....{ .. ;... psj / ; -

jWvi

\Л __

>11]4Sl Г«1Ц И UDUKH • I « »«««га«« и вини

г. L, мкм ~ L, г.-к

а о

h, нм

J '!'

Z'.'tZIZZ

\ J г

X/.....w

V i 1

atiiiitritauaoHi

Q . МКМ

Рис. 1. Профилограммы поверхностей

в

Рис. 2. Фрагменты пространственного вида поверхностей (пластина Agfa Azura): а - основы; б - неэкспонированного латекса;

в - экспонированного латекса

351

После экспонирования ИК-лазером морфология поверхности слоя латекса меняется, микронеровности увеличиваются, флуктуации морфологии уменьшаются и слой становится более равномерным (см.рис.1,в). Ra профиля поверхности увеличивается до 106 нм (см.рис.2,в), отдельно стоящие пики на нем составляют порядка 324 нм шириной 1,7 мкм (см.рис.1,в). Rq профиля возрастает от 87,9 нм до экспонирования до 133,2 нм после экспонирования (см.рис.2,в).

Характер структуры поверхностей слоев печатной формы Agfa Azura представлен на микрофотографиях (рис. 3), а количественные значения параметров приведены в табл. 1.

й .....

• -Ж а

Щ: ^¡St

б

в

Рис. 3. Микрофотографии поверхности образцов пластины Agfa Azura: а - основа; б - неэкспонированный латекс; в - экспонированный латекс

Таблица 1

Результаты оценки морфологии рабочих поверхностей пластины Agfa Azura

№ Поверхность Rmax, нм Ra, нм Rq, нм

1 Алюминиевая основа 860 200 200

2 Неэкспонированный латекс 370 64,2 87,9

3 Экспонированный латекс 440 106 133,2

Результаты исследования морфологии поверхности слоев пластины Agfa EEP представлены на рис. 4, количественные значения параметров и их сравнение с соответствующими параметрами пластины Agfa Azura - в табл. 2. Так как экспонированный слой на пробельных элементах этой пластины во время проявления формы удаляется с ее поверхности, его показатели не измерялись.

Как видно из результатов исследований, показатели структуры поверхностей Ra и Rq полимерного слоя пластин Agfa Azura и EEP отличаются незначительно (табл. 2). Однако из профилограмм видно, что Rmax полимера пластины Agfa EEP составляет 150 нм (рис. 5), в то время как Rmax слоя латекса пластины Agfa Azura значительно больше - 440 нм (см.рис.1,

352

в). Характерные отдельно взятые пики на первой пластине составляют 126 нм шириной порядка 250 нм (рис. 5), а на пластине Agfa Azura такие пики составляют 324 нм шириной 1,7 мкм (см.рис.1,в).

а б

Рис. 4. Фрагменты пространственного вида поверхностей (пластина Agfa EEP): а - поверхность алюминиевой основы; б - поверхность термополимера

Таблица 2

Основные измеренные показатели морфологии поверхностей образцов

№ Марка Ra, нм Rq, нм Rmax, нм Ra, нм Rz, нм

пластины полимера полимера полимера алюминия алюминия

1 Agfa Azura 106 133 440 200 300

2 Agfa EEP 92 115 150 200 300

h, нм

Рис. 5. Профилограмма поверхности фрагмента образца полимера

353

Как и можно было предположить, показатели Ra и Rq профилей поверхности алюминиевой основы обеих пластин не различаются.

Результаты исследований показывают, что значения основных показателей микрогеометрии поверхности Ra, Rq и Rmax указывают на большую шероховатость поверхности регистрирующего слоя пластины Agfa Azura. Тонкий (0,5-1 мкм) слой латекса после его плавления при нагреве становится шероховатым и достаточно неравномерным. По сравнению с этой пластиной, поверхность полимерного слоя пластины Agfa EEP является более гладкой (толщина слоя - 2-2,5 мкм), характер микрорельефа -более равномерным, а Rmax составляет около 150 мкм (табл. 2).

Методы исследования адгезии полимерного слоя к основе пластины. Для определения сил адгезии тонких слоев применяются различные методы в зависимости от структуры материалов, их химического состава, сил и связей внутреннего взаимодействия. В данном случае исследуемый материал - относительно тонкие полимерные пленки (толщина 0,5...2,5 мкм), поэтому для измерения значения адгезии целесообразно применять метод скрайбирования (scratch testing). Разработаны модели для исследования различных типов отделения слоев при помощи специальных игл - инденторов [16]. Для определения сил адгезии в рамках данного эксперимента применялись два метода скрайбирования - с переменной и с постоянной нормальной нагрузкой индентора. Для отслоения полимерного слоя применялся прибор RA-120, регистрирующий нормальную FN и тан-генсную Fj силы скрайбирования. Образец закреплялся на специальном столике прибора под небольшим углом наклона, и индентор постепенно углублялся в слой покрытия до полного его отслоения от подложки. Во время прохождения идентора через слой нагрузка постепенно возрастает и фиксируется ее величина, при которой начинается отслаивание покрытия. Тензосенсор регистрирует деформации. Для обработки результатов прибор оснащен специальным программным обеспечением. Этот метод удобен для определения сил адгезии в тонком слое покрытия, а также для определения изменения величины адгезии при переменной толщине слоя или химического состава [10, 16].

При определении относительного значения силы адгезии с постоянной нормальной нагрузкой индентора для расчета силы адгезии измеряется ширина полоски следа индентора. Однако, в данном случае из-за минимальных размеров толщины покрытия применение этого метода затруднено сложностью процесса точного углубления индентора до предела размежевания слоев.

Результаты оценки адгезии полимерного слоя к основе пластины. Результаты определения сил адгезии представлены на примере пластин Agfa Azura. В рамках эксперимента проводились измерения сил адгезии латекса к поверхности основы на следующих образцах: 1) слой латекса до воздействия на пластину ИК-лазером; 2) слой латекса после воздейст-

вия на пластину ИК-лазером; 3) слой латекса после температурного нагрева. Адгезия слоя нерасплавленного латекса до воздействия излучения на пластину является слабой, слой легко удаляется с поверхности, например, при помощи водного раствора. Распределение нормальной и тангенсной РТ сил (рис. 6) не дает четкого понимания о фиксировании сил в момент отслаивания. По-видимому, возможности прибора не позволяют фиксировать столь низкие значения силы адгезии. Очень маленькая толщина пленки (0,5 мкм) и достаточно небольшой радиус закругления индентора (30 мкм) в данном случае ограничивают возможности применения этого метода.

Рис. 6. Распределение нормальной Гы и тангенсной ГТ сил при скрайбировании слоя нерасплавленного латекса: 1 2 -ЖТ; 3 - зона отслаивания покрытия

При воздействии излучения адгезия слоя латекса к поверхности основы меняется в зависимости от степени плавления. На графике (рис. 7) показано распределение нормальной и тангенсной Бт сил слоя латекса в условиях нагрева лазером мощностью 100 мВт до 186 °С [12].

Для сравнения величины адгезии слоя латекса к поверхности подложки при воздействии излучения и при нагревании до соответствующей температуры с помощью регулируемого источника нагрева непрерывного действия (±1 °С) образец той же пластины нагревался в течение 3 минут при температуре 185 °С. При экспонировании лазером воздействие тепловой энергии на тонкую пленку покрытия является импульсным (т=10- с), и тепловая энергия распространяется в основном только в поверхностном слое латекса и только частично - на поверхности алюминиевой основы. В случае с применением источника нагрева распространение температуры имеет другой характер - наряду с нагревом латекса происходит и нагрев поверхности алюминиевой основы. По этой причине адгезия пленки латек-

355

са, расплавленного лазерным излучением и нагреванием при помощи регулируемого источника, должна быть различной. Распределение нормальной Бн и тангенсной Бт сил при скрайбировании слоя расплавленного нагревом латекса показано на рис. 8.

Рис. 7. Распределение нормальной ^ и тангенсной ¥Т сил при скрайбировании расплавленного излучением слоя латекса (100 мВт): 1 2 -¥Т; 3 - зона отслаивания покрытия

Рис. 8. Распределение нормальной Гм и тангентной ¥Т сил при скрайбировании слоя латекса, расплавленного нагревом (Т =185 °С): 1 2 -ЖТ; 3 - зона отслаивания покрытия

По результатам скрайбирования расплавленного латекса (рис. 7, 8) можно предположить, что адгезию пленки к подложке при нагревании определяет тип источника тепловой энергии и градиент распределения температуры. При использовании импульсного лазерного источника темпера-

356

тура распределяется только в пределах тонкой пленки, происходит также частичное отражение тепловой энергии от поверхности металлической основы. Сила отслоения FT слоя латекса, расплавленного при воздействии излучения, составляет 0,1 Н (рис. 7). При отслаивании латекса, расплавленного нагревом, сила FT увеличивается до 0,15 Н (рис. 8). Очевидно, что за это время подложка тоже нагревается, и градиент температуры оказывает положительное влияние на адгезию пленки латекса к подложке.

Расчеты относительной силы адгезии FA при скрайбировании образцов методом с постоянной нормальной нагрузкой индентора показали, что относительная адгезия FA латекса, расплавленного излучением, состав-

7 7

ляет 4,5-10 Па, а слоя, нагретого тепловым источником, FA - 6,75-10 Па [10], т.е., значение относительной адгезии FA слоя, нагретого с помощью теплового источника, в полтора раза выше адгезии слоя латекса, нагретого ИК-излучением. Такой результат может быть объяснен влиянием градиента температуры в зоне раздела слоев при обработке покрытия: чем меньше разница температур слоя покрытия и подложки, тем больше сила адгезии слоя к подложке и, наоборот, чем разница температур больше, тем слабее действие сил адгезии слоя.

Результаты проведенных исследований физических свойств слоев термочувствительных печатных форм показали значительное различие их состояния - как микрогеометрии поверхности полимеров, так и степени их адгезии к поверхности алюминиевой основы. Эти аспекты влияют на ре-продукционно-графические показатели и на тиражестойкость печатных форм, поэтому определение данных физических параметров является немаловажным фактором как при производстве формных пластин, так и при выборе их предприятием офсетной печати.

Список литературы

1. Саек Д., Карташева О.А., Куркова А.В. Термочувствительные пластины Amigo и их возможности по воспроизведению элементов изображения // Innovations of publishing, printing and multimedia technologies. 2009. Kaunas, 2009. С. 87- 92.

2. Карташева О. А. Формные пластины, не требующие обработки в химических растворах, возможности и перспективы применения // Innovations of publishing, printing and multimedia technologies. 2009. Kaunas, 2009. С. 12-20.

3. Хилл Р. Вверх по ступеням или СТР - технологии без химии // Курсив. № 1. 2007.С. 12 - 14.

4. Саек Д., Валчюкас В. Оценка функции передачи модуляции системы цифровой записи на термочувствительные офсетные формные пластины // Innovations of publishing, printing and multimedia technologies. 2011. Kaunas, 2011. С. 49-57.

5. Севрюгин В.Р. Методы оценки точности и стабильности воспроизведения элементов изображения в процессах с поэлементной записью // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2012. №6. С. 66-80.

6. Севрюгин В.Р. Методы оценки параметров качества воспроизведения элементов изображения в процессах поэлементной записи бинарных изображений // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2013. №1. С. 44 -58.

7. Андреев Ю.С., Макеева Т.А. Функция передачи модуляции для оценки полиграфических репродукционных систем // Полиграфия. 2007. № 4. С.30-32.

8. Полянский Н.Н., Карташева О.А., Надирова Е.Б. Технология формных процессов: учебник для вузов / под ред. Н.Н. Полянского. М.: МГУП, 2007. 366 с.

9. Маргялявичюс И., Саек Д., Карташева О. А. Application of Modern Physical Research Methods for the Technological Process Control of the Accurate Printing // International Circular of Educational Institutes for Graphic Arts: Technology and Management. 2015. 8. С. 28-35.

10. Маргялявичюс И., Саек Д. Formation of graphical elements by laser radiation onto thermosensitive latex layer // Mechanika 2010. Kaunas, 2010. С. 293-298.

11. Карташева О. А., Маргялявичюс И., Саек Д. Анализ морфологии поверхности термочувствительной пластины и изготовленной на ней печатной формы // Innovations of publishing, printing and multimedia technologies. 2009. Kaunas, 2009. С. 47-53.

12. Маргялявичюс И., Вайтасюс К.,Саек Д. Effect of Temperature Gradient to Dispersion of Discreet Element Dimension // Mechanika 2012. Kaunas, 2012. С. 188-194.

13. ISO 4287:1 Surfaces roughness. Terminology. Part 1. Surface and its parameters. International Standard, 1984.

14. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности: параметры, характеристики, обозначения. М: Изд-во стандартов. 7 с.

15. Eaton P., West P. Atomic force microscopy / Oxford University Press. 2010. 246 p.

16. Bull S.J., Berasetegui E.G. An overview of the potential of quantitative coating adhesion measurement by scratch testing // Tribology International, 2006. 39. Р. 99-114.

Саек Дайва, лектор, зав. кафедрой, daiva. sajek@go. kauko. lt, Литва, Каунас, Каунасская коллегия,

Карташева Ольга Алексеевна, канд. техн. наук, доц., okartasheva@bk.ru, Россия, Москва, Высшая школа печати и медиаиндустрии Московского политехнического университета

ANALYSIS OF PHYSICAL PARAMETERS OF DIGITAL OFFSET THERMOSENSITIVE

PRINTING PLATES

D.Sajek, O.A. Kartasheva

The issues regarding the choice of digital offset thermosensitive printing plates have been analysed as well as the aspects of impact of the physical properties on the reproduction and graphic parameters of the printing forms. In particular, morphology of the surface layers of the commonly used printing forms such as Agfa Azura and Energy Elite Pro has been measured. In addition, the research has been carried out to determine adhesion of the polymer layer to the aluminium base of the plate.

Key words: thermosensitive plate, offset printing form, surface micro geometry, adhesion.

Sajek Daiva, lecturer, head of chair, daiva. sajek@,go. kauko. lt, Lithuania, Kaunas, Kauno Kolegija,

Kartasheva Olga Alexeevna, candidate of technical sciences, docent, okartashe-va@bk.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnical University, Higher School of Printing and Media Industry

УДК 655.3.066.364

БАНКНОТНЫЙ ДИЗАЙН: ВОЗМОЖНОСТИ ИНТЕГРАЦИИ

ЗАЩИТНЫХ ПРИЗНАКОВ

Я.Р. Голубничая, Н.Е. Проскуряков

Рассмотрены основные принципы, роль и особенности банкнотного дизайна в процессе изготовления бумажных денег. Приводятся примеры разработки концепции оформления банкнот в зависимости от использования защитных элементов и банкнотного субстрата.

Ключевые слова: банкнотный дизайн, презентационная банкнота, тестовая банкнота, защитный признак, полимерные деньги, гибридные субстраты.

Несмотря на неуклонный и устойчивый рост доли безналичных платежей в мире, наличное денежное обращение продолжает оставаться важнейшей частью экономической деятельности любого государства. Банкноты - это не просто красочные произведения печати,

359