2.4. Взаимодействие бумаги с жидкостями.

В процессах полиграфической технологии бумага вступает в контакт с жидкими материалами, входящими в состав печатных красок, клеев, лаков и др. К ним относятся жидкости различной молекулярной природы: растворы смол в органических растворителях, водные растворы клеев. При пользовании полиграфической продукцией бумага также может подвергаться воздействию разных жидкостей, и прежде всего воды.

Для штатного протекания процессов печатания и некоторых видов послепечатной обработки необходимо чтобы бумага смачивалась соответствующими красками лаками клеями

Рис. 26. Краевой угол смачивания: а – жидкость смачивает твердое тело, б – жидкость не смачивает твердое тело, 1 – жидкость, 2 – воздух, 3 – твердое тело, f₁₁ – притяжение молекул жидкости друг к другу, f₁₃ – притяжение молекул жидкости к твердому телу

Смачивание бумаги жидкостями. Условием смачивания является превышение сил межмолекулярного притяжения между жидкостью и смачиваемой поверхностью f₁₃ (адгезия) над силами притяжения между молекулами жидкости f₁₁ (когезия) (рис. 26).

Тогда молекулы вытягиваются из объема жидкости и капля, нанесенная на поверхность, растекается по ней. Если же f₁₁>f₁₃, то молекулы втягиваются внутрь жидкой фазы – капля стягивается и жидкость не смачивает поверхность. Степень характеризуется равновесным краевым углом смачивания , величина которого определяется соотношением поверхностных натяжений на границе раздела трех фаз: жидкость – газ _, твердое тело – газ ₂₃ и жидкость – твердое тело _3. Из принципа единственности термодинамического равновесия для данных условий вытекает единственность равновесия , которое определяется уравнением Янга:

Адгезия характеризуется работой W_а отрыва жидкости от единицы площади поверхности раздела фаз. При таком отрыве исчезает единичная поверхность раздела фаз жидкость – твердое тело и возникают единичные поверхности раздела фаз жидкость - твердое тело и твердое тело – газ.

Отсюда W_a=₁₂+₂₃-₁₃ т.е. ₂₃-₁₃=W_a-₁₂.

Тогда

.

Из полученного выражения и рис. 26 следует, что:

При W_a<₁₂, cos<0 и  - несмачивание,

при W_a>₁₂, cos>0 и < - смачивание,

при W_a 2₁₂, cos=1 и =0 – полное смачивание.

В зависимости от строения молекул между ними возникают силы молекулярного притяжения вследствие их дисперсионного, ориентационного и индукционного взаимодействия.

Дисперсионные силы f_д возникают между молекулами разных веществ независимо от их строения и полярности. При взаимодействии полярных веществ к ним добавляются силы ориентационного взаимодействия f_ор, возникающие вследствие ориентационного притяжения диполей полярных молекул.

Силы индукционного взаимодействия f_инд более слабые, чем ориентационного. Они возникают в дополнение к дисперсионным силам при сближении молекул полярных и неполярных веществ вследствие притяжения постоянных диполей и диполей, индуцируемых ими в молекулах неполярных веществ: f_инд<f_ор.

В случае молекул с подвижными атомами водорода к молекулярным силам добавляется специфическое взаимодействие с образованием водородных связей f_н, энергия которого на порядок превышает энергию ван-дер-ваальсовского взаимодействия.

С учетом этого рассмотрим смачивание бумаги водой, смачивание бумаги неполярными органическими жидкостями, смачивание проклеенной бумаги водой.

На поверхности не проклеенной бумаги имеется большое количество спиртовых групп целлюлозы (CH₂OH). Полярные молекулы воды притягиваются к ним дисперсионными и ориентационными силами. Кроме того между ними образуются водородные связи. Это обеспечивает высокую адгезию бумаги и, следовательно, смачивание W_a>₁₂, несмотря на высокое поверхностное натяжение воды 72 мДж/м². Поэтому бумага гидрофильна и хорошо смачивается водой и материалами на водной основе.

При смачивании бумаги неполярными органическими жидкостями, например, маслами и растворителями в составе красок, адгезия обуславливается дисперсионными и индукционными силами взаимодействия между гидроксильными группами целлюлозы и неполярными молекулами органических соединений. Адгезия в данном случае меньше, чем при смачивании бумаги водой, т.к. f_инд<f_ор. Но взаимодействие между молекулами самой неполярной жидкости еще меньше, так как оно связано только с дисперсионным взаимодействием – f_11д, а f_д<f_инд. Этим же объясняется малое (около 30мДж/м²) поверхностное натяжение масел и растворителей по сравнению с водой. В результате при контакте бумаги с неполярными жидкостями соблюдается условие смачивания f_11д<f_13инд и W_a>₁₂.

Таким образом, бумага хорошо смачивается водой и другими жидкостями.

Существенно влияет на смачивание бумаги водой гидрофобизирующая проклейка, частично закрывающая гидроксильные группы целлюлозы и образует участки с неполярной поверхностью.

Адгезия воды в этих местах происходит в результате индукционного взаимодействия полярных молекул воды с неполярными молекулами вещества проклейки f_13инд. Это взаимодействие слабее ориентационного взаимодействия молекул воды между собой. В результате f_11ор>f_13инд или Wa<s12, т.е. создаются условия несмачивания бумаги водой. Оценка степени смачивания величиной краевого угла смачивания затруднена тем, что шероховатость и пористость бумаги нарушают условия смачивания и затрудняют установления равновесного значения угла .

Условно характеристику гидрофобности бумаги определяют по степени ее проклейки. Для этого на бумагу рейсфедером наносят штрихи стандартными водными чернилами. Степень проклейки определяется шириной штриха, при которой чернила еще не расплываются и не переходят на обратную сторону бумаги.

В зависимости от проклейки различают неклееную (степень проклейки до 0,25 мм), слабоклееную (0,25-0,75 мм), клееную (0,75-1,25 мм) и высоко клееную (свыше 1,5 мм) бумагу.

Впитывающая способность бумаги. Впитывание – проникание жидкости в пористое тело под действием капиллярного давления. Капиллярное давление в данном случае имеет положительный знак. Впитывание оказывает влияние на процессы печатания и закрепления краски, а так же при склеивании и взаимодействии бумаги с жидкостями.

Капиллярное давление P возрастает с уменьшением радиуса капилляров r:

,

но одновременно увеличивается вязкое сопротивление впитыванию, что выражается уравнением Пуазёйля:

,

где V – объемная скорость течения, - вязкость, l- длина капилляра, t – время.

Закономерность впитывания выводится решением уравнения Пуазёйля с учетом капиллярного давления в зависимости от радиуса капилляра. Оно выражается уравнением Уошборна:

,

показывающим кинетику проникновения жидкости в капилляр.

Поры, составляющие структуру бумаги, имеют неопределенную форму. Уравнение Уошборна справедливо же для цилиндрических капилляров. Тем не менее оно используется для приближенной характеристики пористой структуры бумаги. Для этого экспериментально определяют длину пропитки полоски бумаги жидкостью в зависимости от времени и, зная вязкость, поверхностное натяжение жидкости и условия смачивания, рассчитывают средний эффективный радиус пор.

Характеристики для некоторых видов бумаги приведены в таблице 11.

Таблица 11. Средний эффективный радиус пор и пористость некоторых видов бумаги.

Бумага	Радиус пор, мкм	Пористость, %
Фильтровальная » Газетная Для глубокой печати »	0,45 0,17 0,27 0,02 0,016	70 70 60 43 -

Различия в пористости разных видов бумаги проявляются не столько в объеме пор, как в среднем радиусе пор. По этому из двух характеристик пористости средние размеры пор в большей степени влияют на впитывание. По этому признаку газетная бумага относится к бумагам с крупнопористой структурой, бумага для глубокой печати - с мелкопористой структурой.

Действие воды на бумагу. Гидрофильность бумаги проявляется не только в ее смачивании водой и впитывании ею воды, но и в том, что она сорбирует (поглощает) пары воды из влажного воздуха.

Способность бумаги поглощать влагу из воздуха, или гигроскопичность, зависит от ее состава, степени помола, проклейки, содержания наполнителей и пр. Каждая бумага, выдерживаемая во влажной атмосфере, поглощает со временем определенное количество влаги, пока не достигнет равновесной влажности, соответствующей данным климатическим условиям: относительной влажности воздуха и его температуре. Относительной влажностью воздуха называется величина, характеризующая отношение содержания водяных паров в воздухе в данных условиях к содержанию пара в условиях насыщения влагой воздуха при тех же температуре и давлении.

Напротив, если влажную бумагу выдержать в помещении с сухим воздухом, то произойдет десорбция и влажность бумаги снизится до равновесной.

Таким образом, влажность бумаги зависит от климатических условий. При повышении относительной влажности влажность воздуха влажность бумаги возрастает, и наоборот. Особенность этих процессов заключается в том, что при высушивании бумаги десорбция влаги отстает от снижения влажности воздуха. Поэтому влажность бумаги неоднозначно связана с влажностью воздуха и зависит от того, происходит сорбция или десорбция (рис. 27).

Рис. 27. Зависимость равновесной влажности бумаги от относительной влажности воздуха

При увлажнении молекулы воды проникают внутрь фибрилл в межфибриллярные и межволоконные участки. При этом нарушается часть водородных связей в структуре листа и снижается его прочность. Нарушение связей и уменьшение трения при увлажнении делают волокна более подвижными, способными к изгибанию и вытягиванию, из-за чего бумага становится более мягкой и деформируемой (табл. 12).

Таблица 12. Влияние влажности бумаги на ее механические свойства (бумага для высокой печати №1).

Влажность, %	Разрывное усилие, Н		Растяжение, %		Модуль растяжения, Н/см^2
	в машинном направлении	в поперечном направлении	в машинном направлении	в поперечном направлении	в машинном направлении	в поперечном направлении
5-6 12-13	45 28	18 11	0,9 1,4	1,5 2,8	5х10^5 2х10^5	1,2 х10^5 0,4 х10^5

При еще большем увлажнении разрушение связей между волокнами прогрессирует, что приводит к возможности появления пластических деформаций. Это особенно проявляется при сжатии, когда опасность разрушения снижается.

Колебания влажности бумаги, влияющие на ее механические свойства, существенно затрудняют производство. Например пересушенная бумага становится слишком жесткой и неспособной к растяжению, поэтому часто рвется в бумагопроводящей системе. Чтобы бумага была достаточно мягкой вместе с тем прочной, она должна содержать достаточное количество влаги от 4,5 до 8,0% в зависимости от вида.

Иногда, в зависимости от технологической необходимости, бумагу и картон увлажняют, чтобы повысить их мягкость.

Увлажнение бумаги и особенно ее намокание сильно снижают ее прочность. Влагопрочность бумаги, т.е. способность сохранять прочность при воздействии воды, придает проклейка карбамидными смолами (меламиноформальдегидная, мочевиноформальдегидная).

Деформация бумаги при ее увлажнении. При увлажнении бумаги изменяются размеры листа. Одной из причин этого является набухание волокна. Влага, проникая внутрь фибрилл и волокон, раздвигает молекулы. В результате волокна утолщаются, а размеры листа увеличиваются.

Неоднородность структуры листа и ориентация волокон в машинном направлении приводят к различной деформации в разных направлениях. Наибольшую деформацию при изменении влажности бумага испытывает в поперечном направлении, так как при набухании каждое волокно относительно больше расширяется, чем удлиняется. В большей степени деформируется плотная бумага, меньше рыхлая, в которой из-за значительных пор набухание меньше влияет на размер листа.

Другой причиной деформирования при увлажнении является напряженное состояние, возникающее в бумаге при ее изготовлении. При отливе, прессовании и сушки волокна фибриллы ориентируются и вытягиваются в машинном направлении и скрепляются структурными связями. Поскольку гибкое целлюлозное волокно стремится свернуться, ориентированная структура бумаги оказывается напряженной. Когда бумага увлажняется и межволоконные связи ослабевают, волокна частично свертываются, что вызывает усадку бумаги. Но так как одновременно происходит набухание и увеличение размеров, то усадка при увлажнении незаметна и проявляется лишь после высушивания бумаги.

Для сохранения комплекса печатно-технических и товарных свойств необходимо при транспортировке и складировании предохранять бумагу от влаги. Условия хранения бумаги на складах или в специальных помещениях с контролируемыми климатическими условиями должны обеспечить при подготовке ее к печатанию ослабление (релаксацию) внутренних напряжений, чему способствует умеренно-повышенная влажность.

Испытания свойств бумаги следует проводить после предварительной выдержки ее в кондиционированных климатических условиях при постоянной влажности и температуре воздуха. Из рис. 27 следует, что наименьшее влияние на влажность бумаги проявляется при относительной влажности воздуха 30-50%. При этой влажности в наименьшей степени сказываются и колебания температуры. Поэтому для кондиционирования рекомендуются следующие условия: относительная влажность воздуха 50% , температура 23⁰С.

Влажность бумаги и статическое электричество. При слишком малой влажности воздуха (например, зимой, когда ее величина около 30%) влажность бумаги бывает ниже нормы. Пересушенная бумага (с влажностью около 4%) является диэлектриком. При трении о части машины на ее поверхности накапливается статическое электричество. Это вызывает затруднения в работе – слипание и отталкивание листов, прилипание к частям машины. Мерой борьбы со статическим электричеством являются кондиционирование воздуха и электрические устройства, устанавливаемые на машинах для нейтрализации зарядов на поверхности бумаги. При нормальной влажности бумаги (около 6%) она не электризуется, так как заряды отводятся на землю.

Влажность и химическая активность бумаги. Из-за недостаточной промывки полуфабрикатов в бумаге могут оставаться следы солей, кислот, окислителей. При нормальной влажности действие химических веществ незначительно, но повышенная влажность увеличивает их активность. Например, они могут действовать на волокно, вызывая окислительный или гидролитический распад целлюлозы, приводящий к постепенному ослаблению и разрушению бумаги. Чрезмерная влажность активизирует ферментативный распад волокнистого материала и тем самым создает благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому печатная продукция, длительно время хранящаяся в сырых помещениях, покрывается плесенью.

2.5. Оптические свойства бумаги.

К оптическим свойствам бумаги относится белизна (цвет), лоск, прозрачность и светопроницаемость.

От оптических свойств бумаги зависят контрастность изображения, точность цветопередачи, качество и внешний вид печатной продукции.

В общем случае свет, падающий на поверхность тела (I _пад), частично отражается (I _отр), частично поглощается (I _погл) и частично проходит сквозь него (I _пр) (рис. 28):

I _пад = I_отр+I_погл+I_пр

Рис. 28. Схема отражения, поглощения и пропускания света

Оптические свойства материала зависят от того, как и в какой степени проявляются отражение, поглощение и пропускание света. Бумага для печатания 60-85% падающего на нее света отражает, 15-30% поглощает и до 10% пропускает.

Белизна – свойство бумаги отражать большую часть падающего на нее света рассеянно и равномерно по всей видимой части спектра. Таким образом, во-первых, благодаря шероховатой поверхности, бумага рассеивает отраженный свет в разных направлениях, в отличие от зеркального, когда угол падения равен углу отражения (рис. 29).

Рис. 29. Схема отражения света: а – зеркальное, б – рассеянное от матовой бумаги, в – рассеянное от глянцевой бумаги

Во вторых, при отражении спектральный состав света не изменяется и при освещении естественным солнечным светом отраженный свет будет ахроматическим.

Количественно белизна выражается коэффициентом отражения, т.е. отношением количества отраженного света к падающему, - это первая характеристика белизны.

Для определения ее с помощью фотоэлектрических приборов измеряют коэффициенты отражения (или оптическую плотность) в синей, зеленой и красной зонах спектра или снимают полную кривую отражения по всему спектру. Различие коэффициентов в разных зонах указывает на отклонение от белизны при наличии того или иного оттенка – это вторая характеристика белизны.

Практически цветной оттенок не воспринимается человеческим глазом, если различия между коэффициентами в разных зонах не превышает 5%. Наиболее вероятным отклонением от белизны у печатных бумаг является желтизна, проявляющаяся при пониженном отражении в синей зоне спектра. В этой зоне проявляются наибольшие различия кривых отражения разных видов бумаг, а так же происходят наибольшие изменения при отделке и выцветании. Поэтому за показатель белизны берут значение коэффициента отражения, измеренного через синий светофильтр с длиной волны 475 5 нм.

Пользуясь коэффициентом отражения, возможно в широких пределах характеризовать материалы по их оптическим свойствам: от очень белых до темно-серых и практически черных.

Поверхности с коэффициентом отражения более 50 % воспринимаются человеческим глазом как белые с разной степенью белизны. Белизна бумаги для печатания колеблется от 60 до 87%.

Поверхности с коэффициентом 5-7% воспринимаются как черные.

Изображения воспринимаются тем лучше, чем больше контраст между элементом изображения и фоном, чем больше разница между белизной бумаги и значением отражения (чернотой) от запечатанных участков. Цветной оттенок бумаги создает различную контрастность при восприятии разных цветов, а это нарушает цветопередачу при воспроизведении цветных оригиналов. Поэтому бумага для печатания не должна иметь заметного цветного оттенка.

Лоск – проявление частично зеркального отражения, когда на фоне рассеянного отражения наблюдается его максимум в направлении угла отражения равного углу падения, т.е. возникает блик (рис. 29). Это создает оптический эффект, используемый при печатании обложек, рекламных и иллюстрированных изданий. Лоск придается бумаге в суперкаландрах, особенно если на ее поверхности нанесен покровный пигментный слой (мелованная бумага). Высокая гладкость лощеной мелованной бумаги, наличие на ее поверхности микрозеркальных участков существенно увеличивают степень зеркального отражения. Для определения лоска измеряют интенсивность света, отраженного в разных направлениях (рис. 29). Степень лоска выражается разностью между количеством света, отраженного зеркально и рассеянного.

Способность тела пропускать свет называется светопроницаемостью, она выражается коэффициентом светопроницаемости. Частным случаем светопроницаемости является прозрачность – пропускание света без рассеяния.

Для бумаги характерна светопроницаемость с рассеянием света, обусловленного многократным преломлением его в дисперсно-пористой структуре бумаги. Светопроницаемость является недостатком бумаги, так как она делает видимым напечатанное на оборотной стороне оттиска. Поэтому при изготовлении бумаги светопроницаемость стремятся снизить.

Особое внимание светопроницаемости уделяют при изготовлении тонкой бумаги, т.к. это свойство увеличивается при уменьшении толщины бумаги. Для снижения светопроницаемости подбирают композицию волокнистых материалов, комбинируют степень помола, вводят наполнители, сильно отличающиеся от бумаги значением коэффициента преломления, например TiO₂ (табл. 5).

Проклейка, жирный помол, а так же чрезмерное каландрирование повышают светопроницаемость.

Для практической характеристики светопроницаемости пользуются условным и обобщенным показателем непрозрачности – отношением количества света, отраженного от листа бумаги на черной подложке, к свету, отраженному от светонепроницаемой стопы той же бумаги.