Исследование влияния капиллярного впитывания краски на растискивание растровых точек

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

УДК 519.72

Медяк Д. М., старший преподаватель

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАПИЛЛЯРНОГО ВПИТЫВАНИЯ КРАСКИ НА РАСТИСКИВАНИЕ РАСТРОВЫХ ТОЧЕК

В статье представлена дополненная модель процесса растаскивания растровых точек. В данной модели учтен процесс прохождения оттиска через сушильную камеру печатной машины. Выполнено исследование влияния впитывания краски при повышении температуры на процесс растаскивания точек на газетной, офсетной и мелованной бумаге. Проанализированы зависимости растаскивания от температуры сушки и времени прохождения через сушильное устройство.

In article the added model of process spread raster points is presented. In the given model process of passage of a print through the printing press drying cell is considered. Influence research ink trap paints is executed at rise in temperature on process spread points on newspaper, offset paper and coated paper. Dependences spread from temperature of drying and passage time through the drying cell are analyzed.

Введение. Процесс получения оттиска представляет собой совокупность различных по физической и химической природе процессов, тесно взаимосвязанных и оказывающих взаимное влияние. Растаскивание является одним из дефектов воспроизведения растровых точек при печати оттисков и выражается в увеличении их размера на бумаге по отношению к размеру, заданному на допечатной стадии технологического полиграфического процесса. Данный дефект является причиной искажения передачи полутонов и цветовых оттенков изображения, снижения количества передачи градаций. Обусловливать возникновение растаскивания могут как параметры процесса печати (конструкционные особенности печатной машины, скорость печати, давление, температура и влажность воздуха и т. д.), так и свойства используемых материалов, в основном бумаги и краски.

Базовая модель растаскивания, изложенная в [1], включала в себя учет только механической составляющей процесса растаскивания. Она рассматривала поведение краски на поверхности бумаги под действием давления печати: ее распространение по поверхности и проникновение вглубь бумажного листа. Дальнейшее развитие модель получила с учетом оптической составляющей процесса: поглощение света на граничных областях растровых точек. Результаты моделирования оптического растаскивания представлены в [2]. Интеграция двух разработок в единую комплексную модель и исследование полученных результатов проводилось в рамках работы [3]. В данном исследовании предполагается добавить к существующей модели растаскивания растровых точек еще один аспект технологического процесса печати — процесс прохождения оттиска через сушильную камеру пе-

чатной машины, а также оценить влияние температуры и времени прохождения через нее на процесс растаскивания точек.

Основная часть. Учет процесса воздействия повышенной температуры на оттиски предполагает некоторое изменение принципов, на которых базировались модели [1-3].

Для получения качественного оттиска необходимо, чтобы краска на поверхности бумаги создавала красочный слой определенной толщины, тогда изображение будет обладать необходимой оптической плотностью и хорошо различаться на поверхности бумаги. Однако известно, что при повышении температуры вязкость краски снижается и, соответственно, она легче проникает в толщу листа бумаги. Таким образом, процесс нагрева может привести к тому, что весь объем краски впитается в бумагу, и на оттиске не будет достигнута технологически необходимая оптическая плотность. Поэтому сразу следует рассматривать модель, учитывающую повышенную подачу краски и последующее ее впитывание в бумагу. Причем повышение подачи краски должно быть таким, чтобы на выходе из зоны сушильной камеры краска на бумаге образовывала технологически необходимую толщину для создания определенной оптической плотности изображения.

В соответствии с вышесказанным в механическую составляющую процесса растаскивания будут входить три фазы, описанные в [1]: нанесение на бумагу некоторого объема краски, превышающего необходимую величину (рис. 1, а); растекание краски по поверхности бумаги и частичное проникновение в толщу листа, определяемое начальной вязкостью краски, поверхностными свойствами бумаги и давлением

печати (рис. 1, б). Далее моделируется процесс взаимодействия краски с бумагой при повышенной температуре и определяется глубина и объем проникновения краски в толщу листа (рис. 1, в). Для описания данного процесса используется теория, математическая модель и результаты, полученные в [4]. Завершающая фаза процесса растаскивания учитывает влияние оптической составляющей на оставшемся слое краски для растровых точек различного размера (рис. 1, г). Предельным и нежелательным вариантом процесса прохождения сушильного устройства может стать полное впитывание краски из растровой точки в бумагу, отраженное на рис. 1, д.

Математически модель базируется на следующих выражениях, полученных в предыдущих работах. Длина пути краски по поверхности бумаги хр за время печатного контакта при воздействии давления определяется согласно [1]:

х - 2Щ0,

хр «I 'конт

V л

где Кп — коэффициент проницаемости пористой среды (бумаги); Р0 — давление в зоне печатного контакта; ^ — динамическая вязкость краски; 'конт — время печатного контакта.

Глубина проникновения краски в бумажный лист Нр на втором этапе процесса определяется

в результате решения интегрального выражения из [1]:

I вд^

= о,

где Р — коэффициент извилистости порового пространства; П — пористость бумаги; к — коэффициент проницаемости элементарной поровой ячейки.

Капиллярное впитывание краски под действием температуры может быть описано уравнением Уошборна, которое отражает кинетику проникновения жидкости в капилляр, и уравнением Френкеля — Андраде, которое описывает зависимость вязкости жидкости от температуры.

Таким образом, выражение, позволяющее определить глубину проникновения краски в бумагу под действием температуры, имеет следующий вид [4]:

Апр =-

СТ Я'С080

ш

2ц0еК

Р

где сж — поверхностное натяжение краски; Я — радиус капилляра; ' — время; 9 — краевой угол смачивания; % — вязкость краски; Ш— энергия активации процесса течения; К — константа Больцмана; Т — температура.

Рис. 1. Принципиальная схема растаскивания растровой точки с учетом капиллярного впитывания

Оптическая составляющая процесса растаскивания определяется исходя из геометрических соображений, представленных в [2]. Увеличение размера растровой точки хт определяется по формуле

х „ =

H + h + 2K ''

где hT — толщина красочного слоя; hS — глубина проникновения света в толщу листа; В — расстояние от растровой точки до источника освещения в измерительном приборе; г — радиус растровой точки; Н — высота расположения источника освещения в измерительном приборе.

Величина растаскивания растровых точек относительно необходимого размера определялась по формуле, полученной в [1].

Для моделирования описанного процесса использовались характеристики реальных печатных материалов и технологических процессов, в частности такие параметры бумаги, как фрактальная размерность поверхности, толщина листа, средняя высота микронеровностей поверхности; характеристики краски — температура, вязкость; параметры печатного процесса — толщина щелевого зазора, давление печати, время печатного контакта, время прохождения через сушильное устройство, температура нагрева. При выполнении расчетов использовались параметры газетной, офсетной и мелованной видов бумаги, а также характеристики печатной краски Exact.

Реализация модели и расчеты проводились в программе Mathcad. В результате моделирования получен ряд зависимостей, отражающих влияние учета процесса прохождения оттиска через зону сушки на растаскивание растровых точек различного размера. На рис. 2-4 представлены зависимости величины растаскивания от температуры сушильного устройства при фиксированном времени его прохождения (3 с) для трех видов бумаги (газетная — рис. 2, офсетная — рис. 3, мелованная — рис. 4). Рис. 6-8 отражают зависимости, полученные при фиксированном значении температуры 80 °С. Выбор данного значения объясняется тем, что технологически максимально возможная температура в сушильных устройствах составляет 80-100 °С во избежание возгорания бумаги. Для сравнения значений, полученных для различных видов бумаги, на отдельные рисунки вынесены значения растаскивания для 50%-ной растровой точки при фиксированном времени прохождения сушки (рис. 5) и при фиксированной температуре (рис. 9).

Анализируя рис. 2, где представлены зависимости для газетной бумаги, можно отметить, что повышение температуры нагрева в сушильной камере приводит к снижению величины растаскивания растровых точек: для 20%-ной растровой точки на 22% относительно начальной величины растаскивания, для 50%-ной — на 27%, для 70%-

ной — на 29% (рис. 2). Фактически это означает, что, например, 50%-ная точка при температуре 20 °С будет иметь размер 77%, а при температуре 100 °С — 69%. На офсетной бумаге снижение величины растаскивания имеет следующие значения для различных градационных участков: 20%-ная растровая точка — уменьшение на 25,5%, 50%-ная — на 31%, 70%-ная — на 31% (рис. 3). То есть реальный размер 50%-ной растровой точки на оттиске составит при температуре 20 °С — 70%, а при температуре 100 °С — 64%. Для мелованной бумаги получены следующие результаты: 20%-ная растровая точка при повышении температуры снизит величину растаскивания на 29%, 50%-ная — на 28%, 70%-ная — на 27% (рис. 4). Фактически данные результаты свидетельствуют о том, что 50%-ная растровая точка будет воспроизводиться 70% при температуре 20 °С и 65% при 100 °С.

При сравнении результатов, полученных на 50%-ной растровой точке для трех видов бумаги, можно отметить, что приближение к необходимому размеру растровой точки на оттиске при повышении температуры воздуха на данных образцах офсетной и мелованной бумаги имеет схожий характер. В результате прохождения зоны сушильного устройства в обоих случаях достигается 5-6%-ное уменьшение размера. На газетной бумаге, обладающей большей впитывающей способностью, размер точек снижается на 7%. Кроме того, имеет место более интенсивный процесс изменения величины растаскивания при повышении температуры. Это отражено на рис. 5 в виде более крутого спуска прямолинейного участка кривой газетной бумаги по сравнению с кривыми офсетной и мелованной бумаги. Анализируя рис. 5, также следует отметить, что для газетной бумаги характерно достижение стабильного значения растаскивания начиная с 70 °С, это свидетельствует о том, что достигнуто предельное значение впитывания для данного объема подачи краски и растровая точка полностью впиталась в бумагу, поэтому дальнейшее изменение растаскивания не происходит (см. рис. 1, д). Таким образом, для получения на газетной бумаге достаточной величины оптической плотности изображения следует избегать высоких температур (более 60 °С) в сушильном устройстве. На офсетной и мелованной бумаге достижение данного эффекта не наблюдается.

Анализ зависимостей величины растаскивания от времени прохождения через сушильное устройство (рис. 6-8) позволил выявить следующие закономерности. На газетной бумаге у 20%-ной растровой точки снижается величина растаскивания на 41%, у 50%-ной — на 44%, у 70%-ной — на 44,4%. На офсетной бумаге величина растаскивания снижается для 20%-ной растровой точки на 37,7%, для 50%-ной — на 35,5%, для 70%-ной — на 34,7%.

&S, доли

1,0т

0,80,6-

0,4-

0,2

. доли

0,0 0,2 0,4 0,6

0,8

1,0

Рис. 2. Зависимость растаскивания от температуры на газетной бумаге

Д£, доли 1,0-,

0,80,60,40,2-

0,0 0,2 0,4 0,6

0,8

1,0

доли

Рис. 4. Зависимость растаскивания от температуры на мелованной бумаге

Д£, доли 1,00,80,60,40,2

0.01 с 0.1 с 0.5 с 1.0 с 1.5 с 2.0 с 2.5 с 3.0 с

доли

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1,0

Рис. 6. Зависимость растаскивания от времени на газетной бумаге

Д£, доли 1,00,80,60,40,2-

0.01 с 0.1 с 0.5 с 1.0 с 1.5 с 2.0 с 2.5 с 3.0 с

доли

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1,0

Рис. 8. Зависимость растаскивания от времени на мелованной бумаге

Для мелованной бумаги получены следующие значения: растаскивание 20%-ной растровой точки снижается на 32,4%, для 50%-ной —

Д£, доли 1,0-,

0,80,60,4-

0,2-

0,0 0,2 0,4 0,6

0,8

1,0

-5, доли

Рис. 3. Зависимость растаскивания от температуры на офсетной бумаге

0,55-| 0,500,450,400,350,300,25-

Д£, доли

газетная бумага офсетная бумага мелованная бумага

20

40

60

80

100 Т, С

Рис. 5. Зависимость растаскивания от температуры для 50%-ной растровой точки

доли 0.01 с

- 0.1 с

- 0.5 с 1.0 с 1.5 с

- 2.0 с

- 2.5 с

- 3.0 с

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

доли

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1,0

Рис. 7. Зависимость растаскивания от времени на офсетной бумаге

Д£, доли 0,7-,

0,6-

0,5-

0,4-

0,3

газетная бумага офсетная бумага мелованная бумага

г, с

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Рис. 9. Зависимость растаскивания от времени для 50%-ной растровой точки

на 30,4%, для 70%-ной — на 30%. Таким образом, можно отметить, что изменение величины растаскивания в зависимости от времени нахо-

ждения в сушильном устройстве имеет практически такой же характер, что и при изменении температуры. То есть, на газетной бумаге наблюдается более выраженное влияние впитывания краски в толщу листа бумаги, чем на офсетной и мелованной бумаге.

Сравнительную характеристику влияния времени протекания процесса сушки оттисков на растаскивание 50%-ной растровой точки, отпечатанной на различных видах бумаги, можно получить при анализе рис. 9. Убывание кривых подтверждает снижение величины растаскивания с увеличением времени. Причем на газетной бумаге наблюдается более интенсивный процесс впитывания краски, который приводит к полному поглощению краски растровой точки бумагой через 2,5 с, что недопустимо с технологической точки зрения. На офсетной и мелованной бумаге можно отметить плавное снижение значения растаскивания, однако офсетная бумага имеет более «рыхлую» структуру, чем меловальное покрытие мелованной бумаги, поэтому уменьшение растаскивания растровой точки на мелованной бумаге происходит медленнее.Кроме того, по представленным зависимостям (рис. 2-4, рис. 6-8) можно проанализировать влияние воздействия повышенной температуры и капиллярного впитывания на растаскивание растровых точек различных участков тонового диапазона. Общая тенденция растаскивания такова — чем меньше размер растровых точек, тем выше величина растаскивания [3]. Однако под действием температуры растровые точки светов быстрее уменьшаются в размерах, так как впитывание краски происходит с одинаковой скоростью на всех участках бумаги и не зависит от длины фронта краски.

Заключение. В модель, описывающую процесс растаскивания растровых точек, интегрирован дополнительный модуль, который позволяет учесть влияние прохождения оттиска через зону с повышенной температурой в сушильном устройстве печатной машины. Изменение температуры приводит к изменению реологических свойств красок, что соответствующим образом сказывается на величине точек

астра. Анализ зависимостей, полученных для различных характеристик реальных печатных материалов, показывает, что увеличение температуры воздуха в сушильном устройстве и времени прохождения оттиска через него приводит к снижению величины растаскивания. Причем уменьшение более ярко выражено на газетной бумаге, которая обладает более высокими впитывающими характеристиками по сравнению с офсетной и мелованной. Однако следует учитывать, что процесс обработки оттиска при повышенной температуре приводит к повышенному впитыванию краски, а значит, требуется изначально увеличенная подача краски на бумагу для компенсации последующих эффектов.

Таким образом, в данной работе получена модель, которая позволит прогнозировать изменение величины растаскивания растровых точек при печати оттиска с последующей сушкой в печатной машине. Результаты расчетов с использованием реальных характеристик печатных материалов могут быть использованы для построения калибровочных компенсационных кривых на до-печатных стациях полиграфического процесса.

Литература

1. Кулак, М. И. Закономерности влияния давления печатного контакта на изменение размера растровых точек / М. И. Кулак, Д. М. Медяк, О. П. Старченко // Весщ HAH Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. — 2007. — № 1. — С. 61-67.

2. Медяк, Д. М. Структурная модель оптического растаскивания растровых точек / Д. М. Медяк // Труды БГТУ. Сер. IX, Издат. дело и полиграфия. — 2008. — Вып. XVI. — С. 22-25.

3. Медяк, Д. М. Моделирование процесса растаскивания растровых точек / Д. М. Медяк // Труды БГТУ. Сер. IX, Издат. дело и полиграфия. — 2009. — Вып. XVII. — С. 17-20.

4. Кулак, М. И. Влияние температуры и неоднородности структуры порового пространства бумаги на капиллярное впитывание печатной краски / М. И. Кулак, Д. М. Медяк, О. П. Старченко // Весщ HAH Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. — 2010. — № 2. — С. 69-77.

Поступила 19.03.2010