Влияние температуры на реологические свойства печатной краски

УДК 658.5

Старченко О. П., кандидат технических наук, ассистент

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕЧАТНОЙ КРАСКИ

В статье установлены температурные зависимости реологических свойств краски: вязкости, поверхностного натяжения, краевого угла смачивания. По результатам обработки эмпирических данных построены аппроксимирующие функции зависимости реологических свойств от температуры краски. Полученные результаты могут быть использованы для моделирования поведения краски в процессе сушки оттиска.

In the article temperature dependences of such rheological properties of ink as viscosity, superficial tension, limiting wetting angle are established. By means of processing of the empirical data approximating functions of rheological properties 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. Структурно-механические свойства печатных красок, определяющие их поведение в печатном процессе и условия питания системы, переноса краски на бумагу, существенно сказываются на качестве оттиска. Под структурно-механическими свойствами обычно понимают реологические, когезионные (прочностные) и адгезионные свойства красок, зависящие от их структуры. Структура краски, как дисперсной системы, в свою очередь зависит от характера взаимодействия частиц пигмента (дисперсной фазы) между собой и со связующим (дисперсионной средой).

Структурно-механические свойства красок — это основные их технологические свойства, предопределяющие устойчивость при хранении, деформационное поведение при поступлении в красочную систему и в процессе печатания, а также условия взаимодействия красок с бумагой. От деформационных свойств краски зависит прежде всего ее способность течь по коммуникациям, плавно и равномерно питать красочную систему, распределяться тонким слоем на красочных валиках и печатной форме, давать однородные по интенсивности оттиски и хорошо закрепляться на них [1].

Подавляющее большинство печатных красок представляет собой структурированные дисперсии на масляных связующих. Связующие, в свою очередь, являются также дисперсными — коллоидными системами или растворами полимеров. Поэтому поведение печатных красок в отдельных стадиях технологического процесса зависит в значительной мере от характера и прочности их структуры, степени ее разрушения и кинетики тиксотропного восстановления.

Данные о реологических свойствах красок особенно важны при выборе режима печатного процесса и условий взаимодействия бумаги и краски, которые влияют на качество оттиска [1].

Изучение реологических свойств красок позволяет анализировать их поведение в процессе печатания. Одной из особенностей печатных

красок, оказывающих существенное влияние на реологические свойства, является способность большинства из них к тиксотропному структу-рообразованию.

В основном печатные краски — это неньютоновские жидкости, реологические свойства которых не могут быть описаны одним коэффициентом вязкости, постоянным только в пределах прямолинейного участка кривой течения. Однако в печатном процессе краска проходит несколько различных стадий, резко отличающихся друг от друга характером и величиной напряжений и скоростей деформации: это стадии подачи из красочного ящика в раскатную систему, раската и наката краски, собственно печатный процесс, заключающийся в переносе части красочного слоя с печатной формы или офсетного полотна на бумагу, и, наконец, закрепление краски на оттиске [2].

С технологической точки зрения основное назначение красочного аппарата — формирование слоя краски необходимой толщины для последующей передачи на печатную форму. Краски для высокой и офсетной печати имеют повышенную вязкость и склонность к структурированию. Именно эти особенности обуславливают многозвенность цепи передачи краски до печатной формы.

Краска должна быть подготовлена к нанесению на форму, т. е. преобразована в относительно маловязкую систему, способную эффективно распределяться по поверхности печатающих элементов формы, обеспечивая образование на них сплошного и достаточного по толщине слоя.

Основная часть. На условия взаимодействия краски и бумаги в печатном процессе сильное влияние оказывает давление, под действием которого в момент печатного контакта краска внедряется через приповерхностные поры в ее толщу. Проникновение краски в структуру бумаги в условиях быстрого (10-2 с) заполнения краской внешних пор поверхности листа под

давлением печатного контакта рассмотрено в работах [3, 4]. Была определена глубина проникновения краски в поровое пространство бумаги под воздействием давления печати для сплошного [4] и дискретного [3] фронта ее проникновения.

В механизме закрепления краски важную роль играет температурный фактор. Для ускорения закрепления красок в период активного впитывания и фильтрации краски в поровом пространстве бумаги используется температурное воздействие, осуществляемое различными излучающими устройствами.

Тепловыделяющие устройства интенсифицируют процесс тиксотропного структурообра-зования краски. При этом не происходит снижение качества печатной продукции, характерное для излишнего впитывания краски в бумагу. Колориметрическая насыщенность цветных оттисков и оптическая плотность черно-белых изображений сохраняются, расход краски на получение каждого оттиска не возрастает.

Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают комбинированные газопламенно-воздуходувные устройства, применяемые в практике работы полиграфических предприятий. В начальной по ходу движения бумажного полотна зоне камеры оно подвергается обогреву открытым газовым пламенем, а затем на него воздействует интенсивный поток подогреваемого воздуха. На выходе из камеры поток холодного воздуха снижает температуру бумажного полотна до исходной. Комбинированные устройства позволяют уменьшить степень обогрева оттиска и сократить длину пути, проходимого бумажным полотном в процессе закрепления краски.

Глубину капиллярного впитывания краски определяет уравнение Уошборна [5]:

о

где /к — длина капилляра; аж — поверхностное натяжение краски; г — радиус капилляра; Т — время; 9 — краевой угол смачивания; ^ — вязкость краски.

Зависимость изменения вя

Воздействие температуры в процессе прохождения оттиска в сушильном устройстве печатной машины влияет на капиллярное впитывание краски. От температуры зависят такие параметры, как аж, а также угол 9.

Зависимость ^ от температуры описывается уравнением Френкеля - Андраде [2]:

Ж

ц = ц0ект,

где ^о — некоторая начальная вязкость; Ж — энергия активации процесса течения; к — константа Больцмана; Т — температура.

В исследованиях Л. А. Козаровицкого и Т. И. Гудковой [1] влияние температуры на реологические свойства краски было изучено на образцах быстрозакрепляющейся краски. В табл. 1 приведены значения зависимости вязкости краски от температуры, рассчитанные по полученным полным реологическим кривым.

Из опытных данных Л. А. Козаровицкого и Т. И. Гудковой (таблица 1) видно, что наиболее резкое падение 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. Температурный коэффициент вязкости при этом равен 3,3 и 0,23 П/град.

Температурные зависимости вязкости пурпурной и черной офсетных красок № 1, также приведенные в табл. 1, установлены при исследовании вязкости печатных красок в зависимости от рабочих температур, характерных для красочных секций печатных машин [6]. Нижние две строки в табл. 1 — данные о зависимости вязкости краски от температуры, полученные Е. Казарцевым [7] для интервала температур 15-35 °С.

Далее была проведена обработка экспериментальных данных из табл. 1. Для этого уравнение (2) путем замены переменных приведено к линейному виду. Коэффициенты линейной функции определялись с помощью метода наименьших квадратов.

Таблица 1

краски от температуры

Вид краски Вязкость краски, П, при температуре, °С

15 20 25 30 35 40 45 50 60 80

Черная быстрозакрепляю-щаяся краска 125 67 27 20

Офсетная черная № 1 117 73 45 29 19 14 10 8 6 —

Офсетная пурпурная № 1 121 81 52 33 22 17 13 10 8 —

Офсетная черная № 2 105 53 30 15

Офсетная пурпурная № 2 105 53 30 15

На рис. 1 представлены полученные графики зависимости вязкости краски от температуры. Снижение вязкости краски от температуры наиболее четко проявляется в интервале 20-50 °С. Температурные коэффициенты вязкости краски изменяются в пределах 1,8-2,5 П/град.

200 180 160 140120100 80 60 40 20 0 -

-2

В

— с

— Б

Е

♦—Е I--О

—х—Н

I

*—J —К

т, к

Рис. 1. Зависимости вязкости краски от температуры:

В, С — соответственно экспериментальные значения и функция (2) для быстрозакрепляющейся черной краски; Б, Е — экспериментальные значения

и функция

для офсетной пурпурной краски № 1; Н, I — экспериментальные значения и функция

для офсетной черной краски № 2; J, К — экспериментальные значения и функция (2) для офсетной пурпурной краски № 2

Поверхностное натяжение большинства жидкостей с увеличением температуры уменьшается практически линейно. Рамзей и Шилдс описали температурную зависимость поверхностного натяжения уравнением [5]:

аж а / Рж ) = ks

где — молекулярная (атомная) масса; рж — плотность жидкости; Тк — критическая температура; К — константа, равная (2,1-2,2)х10_3 Дж/К.

Для определения температурных коэффициентов поверхностного натяжения краски (3) были взяты экспериментальные данные для масел ГК и ТКп, аналогичных входящим в состав печатной краски [8]. Однако в литературном источнике [8] температурные зависимости поверхностного натяжения определялись в интервале температур от 20 до 50 °С. Для того чтобы приблизить температурный диапазон к условиям, реализуемым в сушильной камере печатной машины, также были использованы зависимости поверхностного натяжения родственной краске жидкости (стеариновой кислоты), имеющей равную с краской молекулярную массу [9].

В табл. 2 приведены экспериментальные данные зависимости поверхностного натяжения масел ГК, ТКп от температуры, а в табл. 3 — стеариновой кислоты [8, 9]. На рис. 2 представлена кинетика изменения поверхностного натяжения этих веществ от температуры.

В

—X—с --о

—*—Е

—Е

—+—О —Н

300

350

400

450

Т, К

Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения от температуры: В, С — экспериментальные значения

и функция

и функция (3) для масла ТКп (Е); Е, О — экспериментальные значения (Е) и функция (3) для стеариновой кислоты (О); Н — функция (3) для печатной краски

Таблица 2

Зависимость поверхностного натяжения от температуры

Вещество Поверхностное натяжение, мН/м°С, при температуре, °С

20 25 30 35 40 45 50

Масло ГК 30,25 29,25 29,00 28,50 27,50 27,00 26,25

Масло ТКп 31,00 29,72 29,36 28,72 28,36 27,72 27,36

Таблица 3

Зависимость поверхностного натяжения от температуры

Вещество Поверхностное натяжение, мН/м°С, при температуре, °С

70 80 90 100 110 120 130 140 150

Стеариновая кислота 28,90 28,15 27,41 26,66 25,92 25,17 24,42 23,68 22,93

Для определения температурных коэффициентов зависимость Рамзея и Шилдса (3) преобразуется к виду

аж = к,

где А = к5 (Тк - 6)/(ца / рж); В = к5 / (ца / рж). Из зависимости (4) следует, что выражение для температурного коэффициента будет иметь вид

йаж / йТ = -£

Правая часть выражения (5) не зависит от температуры, обозначим ее В\ и получим

йа ж / йТ = -Вг

Проинтегрируем уравнение (6). Учитывая, что при начальной температуре Т0 поверхностное натяжение краски ст0, имеем

'а ж = Bi { dT.

В результате получим

BX

Исходное поверхностное натяжение сжо - 30 мН/м, определено при температуре Т0 = 30 °С [9].

Анализ рис. 2 показывает, что поверхностное натяжение исследованных веществ изменяется по линейному закону и уменьшается с ростом температуры. Температурные коэффициенты поверхностного натяжения печатной краски и ее компонентов составляют диапазон 0,10-0,13 мН-м-1/град.

Степень смачивания характеризуется равновесным краевым углом смачивания 6, величина которого определяется соотношением поверхностных натяжений на границе раздела трех фаз: жидкость - воздух, твердое тело - воздух и жидкость - твердое тело [8]. Поскольку в литературе отсутствуют данные о температурной зависимости угла 6, было выполнено соответствующее экспериментальное исследование [10].

Температурные коэффициенты cos 6 краски для образцов газетной и офсетной бумаги при нагревании составляют 2х10-3 и 3х10-3 1/град, для глянцевой и матовой мелованной бумаги - 1Х10-4 1/град.

Заключение. Из уравнения (1) видно, что на капиллярное впитывание краски влияют все перечисленные показатели. Поскольку наибольшее воздействие температура оказывает на изменение вязкости краски, можно предположить, что в наибольшей степени температура будет влиять на капиллярное впитывание краски через коэффициент вязкости. Следовательно, с увеличением температуры вязкость будет значительно уменьшаться, а глубина проникания краски в капилляр будет расти. Поверхностное натяжение по сравнению с вязкостью краски в меньшей степени (на порядок) под-

вержено воздействию температуры, поэтому его влияние на значение глубины впитывания краски меньше. Минимальное действие оказывает изменение cos 6, что видно из анализа полученных температурных коэффициентов.

Проведенные исследования будут использованы далее при изучении процесса капиллярного впитывания краски в процессе сушки оттисков.

Литература

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

2. Шахкельдян, Б. Н. Полиграфические материалы / Б. Н. Шахкельдян, Л. А. Загаринская. — М.: Книга, 1988. — 328 с.

3. Старченко, О. П. Закономерности влияния давления печатного контакта на изменение размера растровых точек / О. П. Старченко, М. И. Кулак, Д. М. Медяк // Известия НАЛ Беларуси. Сер. физ.-техн. наук. — 2007. — № 1. — С. 61-67.

4. Старченко, О. П. Перколяция типографской краски в пористой структуре бумаги / О. П. Старченко, М. И. Кулак // Сб. науч. тр. / Белорус. нац. техн. ун-т. — Минск, 2005. — Вып. 19: Теоретическая и прикладная механика. — С. 192-197.

5. Адамсон, А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон. — М.: Мир, 1979. — 568 с.

6. Дорош, А. О. Реологические свойства краски. Исследование зависимости вязкости печатных красок от рабочих температур красочной секции печатных машин / А. О. Дорош, О. О. Гуцол // Технолопя i техшка друкарства: зб. наук. пр. / Нац. техшч. ун-т Укр. «Кшвский полтгехн. ш-т», Видавничо-пол1граф. фак-т; ред-кол.: П. О. Киричок (голов. ред.) [та шш.]. — Кпв, 2007. — № 1-2. — С. 122-130.

7. Казарцев, Е. Влияние некоторых технологических факторов на технологические характеристики офсетных красок для листовой печати / Е. Казарцев [и др.] // Технолопя i техшка друкарства: зб. наук. пр. / Нац. техшч. ун-т Укр. «Кшвский полтгехн. ш-т», Видавничо-пол1граф. фак-т; редкол.: П.О. Киричок (голов. ред.) [та шш.]. — KiiB, 2006. — № 3. — С. 91-98.

8. Ионова, И. В. Поверхностные явления в масляных фракциях / И. В. Ионова [и др.] // Структура и динамика молекулярных систем. — 2003. — Вып. X, ч. 3. — С. 121-123.

9. Физико-химические свойства органических соединений: справочник / под. общ. ред. А. М. Богомольного. — М.: Химия, КолосС, 2008. — 544.

10. Старченко, О. П. Влияние температуры и неоднородности структуры порового пространства бумаги на капиллярное впитывание печатной краски / О. П. Старченко, М. И. Кулак, Д. М. Медяк // Известия НАН Беларуси. Сер. физ.-техн. наук. — 2010. — № 2. — С. 69-77.

Поступила 15.04.2011

о

о

о