2. Свойства бумаги
Бумага, как и всякое физическое тело, характеризуется комплексом физических свойств. К ним относятся показатели структуры, молекулярно-физические, механические, оптические и другие свойства. Все это определяет реакцию бумаги на различные воздействия на нее. В полиграфии это непосредственно все то, что определяет поведением бумаги в процессе производства продукции.
В печатных процессах контакт поверхности бумаги с формой, а также восприятие и закрепление краски зависят от рельефа поверхности бумаги ее смачиваемости и впитывающей способности, прочностных и деформационных свойств, благодаря которым она сглаживается под давлением и выдерживает без разрушения механические воздействия.
Некоторые физические свойства бумаги являются и потребительскими. Это оптические и механические свойства, стойкость к свету и др. в совокупности потребительские свойств бумаги обеспечивают внешний вид и качество полиграфической продукции, а также определяют поведение бумаги в процессе использования печатной продукции, соответствие ее своему назначению и долговечность.
2.1. Структура бумаги
Под структурой бумаги понимается ее состав, распределение и ориентация компонентов по площади и толщине листа, характер связей между ними. Условно различают микроструктуру и макроструктуру. К первой относятся строение компонентов бумаги, их ориентация и особенности контактов и связей между ними, распределением по толщине листа. Макроструктура характеризует распределение компонентов бумаги по площади листа, равномерность которого нарушается сгустками массы.
Общее представление о строении бумаги как физическом теле дают толщина, масса квадратного метра, плотность и пористость.
Толщина существенно влияет на многие свойства любого листового материала. С увеличением толщины повышаются прочность, деформация сжатия, снижается прозрачность.
В полиграфии применяют бумагу толщиной от 0,03 до 0,25. Более толстый материал считается картоном. Основные виды бумаги для печатания имеют толщину 0,07-0,1 мм.
Масса квадратного метра является косвенной характеристикой толщины. Измерения на толщиномере (рис. 10) дают условные значения из-за неровности поверхности бумаги и неоднородности ее толщины.
Рис. 10. Измерение толщины бумаги: 1 – плоскости измерительного инструмента, 2 – бумага, h — измеряемая условная величина, hср — усредненная толщина
Усредненное значение толщины должно быть пропорционально массе одного квадратного метра при неизменной плотности бумаги.
В полиграфии применяют бумагу, масса квадратного метра которой от 20 г до 200 г, и картон массой до 2000 г.
Плотность d (г/см3)определяется как отношение массы листа бумаги (m) к его объему (V):
Объем рассчитывается по толщине определенной на толщиномере, без учета неровностей поверхности. Действительный же объем будет несколько меньше, а плотность больше. Плотность бумаги косвенно связана с пористостью.
Пористость. Межволоконные пространства в бумаге или поры, количественно определяются отношением объема пор (Vпор) к объему бумаги (Vб):
Представления о пористости можно получить, сопоставляя плотность волокна с плотностью бумаги. Плотность различных видов целлюлозы и древесной массы примерно равна 1,5 г/см3. Плотность бумаги может быть от 0,5 до 1,35 г/см3 и определяется по формуле:
Аналогично плотность волокнистого материала равна:
где mб - масса бумаги; mв – масса волокнистого материала; Vб – объем бумаги; Vв – объем волокнистого материала.
Масса бумаги, не содержащей наполнителя, будет соответствовать массе содержащегося в ней волокнистого материала (mб=mв). Тогда
и
Подставив сюда значения плотности бумаги без наполнителя (0,6 г/см3 для газетной бумаги) и плотности волокнистого материала (1,5 г/см3):
найдем, что 0,4 объема бумаги приходится на волокно, 0,6 на поры. Следовательно, 60% объема газетной бумаги приходится на поры. Фактически пористость несколько меньше, так как при определении объема бумаги не принимались в расчет неровности ее поверхности.
Высокая пористость облегчает впитывание жидкостей (в том числе красок). Поэтому плотность может характеризовать впитывающую способность как свойство, связанное с пористостью.
Приведенный расчет пористости справедлив лишь при отсутствии в бумаге наполнителей. В общем случае расчет усложняется необходимостью определения объема наполнителя по его количеству и плотности.
Зольность – количество золы, образующееся при сжигании и прокаливании бумаги, определяет содержание в ней наполнителей.
Волокнистые материалы и проклейка состоят из органических веществ. Поэтому они сгорают практически полностью. Наполнители же, как неорганические вещества, не горючи и образуют золу, количество которой характеризует содержание наполнителей в бумаге. В зависимости от содержания наполнителей различают бумагу малозольную (зольность до 6%), среднезольную (от 6 до 18%), с повышенной зольностью (18-23%) и высокозольную (свыше 23 %).
Некоторые наполнители при прокаливании разлагаются. Так, каолин выделяет кристаллизационную воду, мел химически разлагается с превращением в CaO. Поэтому при определении содержания наполнителя вводится поправка на потерю массы при прокаливании.
Неоднородность структуры бумаги. Основу структуры бумаги представляет каркас, образованный волокнистым материалом. Наряду с длинными волокнистыми частицами имеются короткие обрывки волокон и пылевидные частицы, которые распределяются между волокнами и удерживаются механически и силами межмолекулярного взаимодействия. Этим достигается более равномерное распределение массы по площади.
Условия формирования структуры бумаги и тот факт, что длина волокон (0,75-1,0 мм) превышает толщину бумаги (до 0,1 мм), определяют слоистую структуру листа, т.е. волокна ориентируются вдоль его поверхности.
Неоднородность структуры бумаги проявляется также в различии ее с двух сторон – «сеточной» и «верхней».
Структура и некоторые свойства в листе бумаги различаются в разных направлениях вследствие преимущественной ориентации и натяжения волокон вдоль движения сетки бумагоделательной машины.
Согласно схеме строения листа, волокна в нем вытянуты вдоль направления отлива бумаги, но при этом расположены не параллельно, а пересекаются, образуя острые углы (рис. 11). В местах пересечения волокна скрепляются. Такая ориентация волокон существенно влияет на свойства бумаги, и прежде всего механические.
Рис. 11. Ориентация волокон в листе бумаги
В направлении, совпадающем с движением сетки (машинным направлением) бумага имеет прочность на разрыв выше, чем в поперечном. Это связано с тем, что усилию, растягивающему бумагу в машинном направлении (перпендикулярно сечению А-А), противодействует большое количество связей, чем усилию приложенному в поперечном направлении (перпендикулярно движению В-В).
Рис. 12. Определение направления отлива бумаги
Ориентация волокна вызывает различия в жесткости. Бумага имеет меньшую жесткость в поперечном направлении. На различие в жесткости основан простой принцип определения отлива путем сравнения степени провисания полосок бумаги вырезанных в машинном и поперечном направлениях (рис. 12). Полоска, вырезанная в поперечном направлении, провисает больше из-за меньшей жесткости бумаги в этом направлении.
Неоднородность толщины бумаги – результат неравномерности распределения бумажной массы в листе, возникающей в результате плохой подготовки массы и нарушения ее режима подачи на сетку. Но даже при самой тщательной подготовке массы возможны неравномерности ее распределения в следствие флоктуации волокнистых частиц при подаче на сетку.
Неоднородная по толщине бумага при каландрировании неравномерно сжимается, в результате повышается ее неоднородность по плотности. Это приводит к неоднородности важнейших свойств бумаги, влияющих на качество оттисков: пористости, впитывающей способности, механических свойств, глянца.
Простейший способ оценки однородности структуры бумаги заключается в рассмотрении бумаги в проходящем свете. Бумага с однородной структурой имеет равномерный просвет без резких различий между темными и светлыми участками.
Количественные методы измерения однородности структуры основаны на измерениях прозрачности в разных местах листа, выражаемых значениями фототока, возбуждаемого в фотоэлементе. Фотоэлектрический прибор фиксирует напряжение фототока в зависимости от прозрачности данного участка. Результаты измерений обрабатываются статистическими методами. Простейшим показателем однородности структуры S (структурным параметром) является относительный интервал изменения напряжения фототока:
,
где Jmax, Jmin, Jср – максимальное, минимальное и среднеарифметическое значение фототока.
Значимость структурного параметра S подтверждается тем, что с его возрастанием (с увеличением неоднородности) закономерно ухудшаются основные свойства бумаги.
Более детальная характеристика неоднородности структуры определяется методом частного анализа. С помощью фотоэлементных датчиков, установленных в конце бумагоделательной машины, получают кривую изменения фототока просвечивания. Статистический анализатор обрабатывает эти данные с построением структурной диаграммы (рис. 13) в виде зависимости контраста неоднородностей от частоты их проявления.
Рис. 13. Кривая изменения фототока просвечивания
Условным структурным параметром служит площадь диаграммы. Кроме того, по диаграмме можно определить размеры и происхождение неоднородностей. Кривая на рис. 13 имеет два максимума контрастов. По соответствующим им частотам, с учетом скорости бумажного полотна, в данном случае 430 м/мин, определяют периодичность распределения их в бумаге, что приближенно характеризует размеры скоплений волокна.
Большой максимум при частоте 650 Гц и периодичности 11 мм соответствует неоднородностям порядка 5-6 мм, образованными скоплениями волокна; меньший при частоте 4200 Гц, - неоднородностями порядка 0,85 мм, возникающим из-за разных размеров сетки.
Сорность т.е. включения посторонних частиц - дефект структуры, также связанный с плохой подготовкой бумажной массы. Сорность ухудшает внешний вид бумаги и может вызывать искажения мелких элементов изображения. Жесткие соринки могут царапать печатающие элементы формы, снижая ее тиражестойкость. Иногда соринки выпадают из листа, и в бумаге образуются отверстия (дырчатость), что также вызывает искажения изображения. Дырчатость может быть результатом вспенивания бумажной массы при отливе.