|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2004
Grudzień
- wpływ właściwości powierzchniowych na jakość druku techniką fleksograficzną
Wprowadzenie
Jakość druków fleksograficznych zależy od wielu czynników technologicznych, między innymi od rodzaju zastosowanej formy drukowej, od typu dobranego podkładu pod formę drukową na cylindrze formowym, od wzajemnego dostosowania liniatury rastra, formy drukowej i cylindra rastrowego, od pojemności kałamarzyków cylindrów rastrowych, od rodzaju stosowanych farb drukowych i właściwości podłoża drukowego [1,2]. Jedną z istotnych właściwości cylindrów rastrowych, form drukowych i podłoży drukowych, mających wpływ na przebieg procesu drukowania i jakość wydruku, jest stopień zwilżalności powierzchni.
Zespół farbowy maszyny ma za zadanie nałożyć żądaną ilość farby (o określonych właściwościach) na elementy drukujące formy. Bezpośrednio z formy farba jest przekazywana na podłoże drukowe. Ilość farby podawanej na formę drukową i dalej nanoszonej na podłoże drukowe jest określana przez parametry pracy zespołu farbowo-drukującego. Powszechnie uważa się, że głównymi czynnikami mającymi tutaj znaczenie są: odpowiednio dobrana geometria i pojemność kałamarzyków cylindra rastrowego oraz sposób nanoszenia farby na ten cylinder. Dodatkowo, bardzo ważnym czynnikiem, który odgrywa rolę w procesie podziału warstw farby w strefach współpracujących powierzchni cylindrów, są właściwości powierzchniowe powłoki cylindra rastrowego, formy drukowej i podłoża drukowego.
|
Przenoszenie farby
Podział warstw farby w kolejnych strefach styku cylindrów jest procesem bardzo złożonym. Na ilustracji 1 przedstawiono schemat podziału farby w trzech strefach zespołu. Pojemność cylindra rastrowego, wyrażona w cm3/m2, określa wyjściową ilość farby. Z cylindra rastrowego na elementy drukujące formy jest przenoszona część farby. Około 40–50% wyjściowej ilości farby pozostaje w kałamarzykach. Dalej, podczas przekazania farby z formy na podłoże drukowe, około 50% ilości farby pozostaje na elementach drukujących formy. Praktycznie więc ilość farby przekazanej na podłoże stanowi około 25–30% wyjściowej ilości farby [3].
Opisany podział warstw farby powoduje, że niewielka zmiana pojemności kałamarzyków cylindra rastrowego, na przykład wskutek jego zanieczyszczenia, powoduje istotne różnice w ilości farby przekazanej na podłoże drukowe. Tak więc nie teoretyczna, lecz efektywna pojemność farbowa odpowiada za jakość i stopień pokrycia farbą drukowanego obrazu.
Szybkość rozprowadzania i równo-mierność warstwy przenoszonej farby są uzależnione od właściwości powierzchniowych formy drukowej, szczególnie od jej zwilżalności oraz rodzaju i własności farby.
Właściwości powierzchniowe
Dla prawidłowego przebiegu procesu drukowania muszą być spełnione następujące warunki:
• farba drukowa powinna zwilżać stykające się powierzchnie i przylegać do nich, tzn. powinna wykazywać określoną adhezję
• warstwa farby powinna być plastyczna, przed spadkiem naprężenia w obszarze styku powinna rozdzielić się pomiędzy powierzchniami, tzn. wykazywać właściwości kohezji
• równowaga adhezyjno-kohezyjna powinna być stała, aby rozdzielenie warstwy farby nie zmieniało się w czasie.
Zdolność adhezji między kontaktującymi się fazami zależy głównie od:
• wielkości powierzchni stykających się faz: ciekłej farby z fazą stałą (pokryciem cylindrów zespołu farbowo-drukującego lub podłożem drukowym)
• oddziaływania międzycząsteczkowego powstającego na granicy faz.
Wielkość powierzchni stykających się faz zależy od:
• zdolności zwilżania danej powierzchni farbą
• stanu i struktury powierzchni zwilżanej farbą.
Do oceny zwilżalności powierzchni stosuje się często kryterium porównania wartości napięcia powierzchniowego farby z energią powierzchniową fazy stałej. Zbliżone wartości napięć i energii powierzchniowych zapewniają dobre zwilżanie, a tym samym i adhezję [7].
W celu poprawy stopnia związania farby ze współpracującymi powierzchniami cylindrów zespołu farbowo-drukującego lub podłoża drukowego stosowane są odpowiednie środki, zwane promotorami adhezji. Należą do nich m.in. środki do wstępnego przygotowania powierzchni (odtłuszczające, zwilżające i aktywujące powierzchnię) oraz środki powierzchniowo czynne lub zwiększające powstawanie wiązań chemicznych lub oddziaływań międzycząsteczkowych w warstwie międzyfazowej, używane jako dodatki do farb.
Przykładowo napięcia i energie powierzchniowe materiałów stosowanych w technologii fleksograficznej wynoszą w przybliżeniu: dla przygotowanych do drukowania farb wodorozcieńczalnych – rzędu 40–50 mN/m, dla cylindrów rastrowych z pokryciem ceramicznym – rzędu 35–45 mN/m i dla form drukowych – około 30–35 mN/m.
Pomiary właściwości powierzchniowych
Zdolność zwilżania danej powierzchni zależy od napięcia powierzchniowego na granicy faz: farba-powietrze gf/p, podłoże-powietrze gs/p, farba-podłoże gf/s.
Stan równowagi występuje zgodnie z równaniem Younga:
gdzie: q – jest kątem zwilżania danej powierzchni farbą.
Pomiary kąta zwilżania są wykonywane znaną metodą Younga-Laplace’a pozwalającą scharakteryzować wzajemne oddziaływanie pomiędzy cieczą i podłożem. Metoda ta spotkała się z powszechną akceptacją w badaniach właściwości powierzchniowych odnoszących się do procesów: powlekania, czyszczenia, klejenia i drukowania oraz przy ocenie zjawisk takich jak: adhezja, absorpcja, napięcie powierzchniowe i energia powierzchniowa.
Po umieszczeniu kropli cieczy na powierzchni danego materiału, tak jak to przedstawiono na ilustracji 2, w miejscu ich wzajemnego oddziaływania tworzy się wspomniany kąt zwilżania q [8].
Kąt zwilżania jest funkcją napięcia powierzchniowego cieczy oraz energii powierzchniowej podłoża. W przedstawionym przykładzie widać, że kropla rozpływa się na badanej powierzchni. Ponieważ kąt q jest mniejszy od 90o, występuje efekt zwilżania.
Napięcie powierzchniowe cieczy można traktować jako siłę wewnątrzcząsteczkową, która utrzymuje cząsteczki cieczy w skupieniu. Podobnie, swobodna energia powierzchniowa podłoża odpowiada wielkości siły przyciągającej molekuły cieczy do podłoża. Efektem wzajemnego oddziaływania napięcia powierzchniowego cieczy i wolnej energii powierzchniowej badanego podłoża jest określony kąt zwilżania. Pełne zwilżanie powierzchni (kąt zwilżania bliski zeru) następuje, gdy energia powierzchniowa jest równa lub większa niż napięcie powierzchniowe cieczy.
Dla powierzchni jednorodnej i gładkiej, w którą ciecz nie wnika i natychmiast następuje stan równowagi, wystarczy scharakteryzować wzajemne oddziaływanie przez określenie statycznego kąta zwilżania.
W przypadku, gdy ciecz i penetruje badane podłoże, i rozprzestrzenia się po jego powierzchni lub gdy zachodzi reakcja chemiczna z podłożem, należy określić dynamiczny kąt zwilżania. W praktyce większość zjawisk zachodzących w procesach drukowania wymaga opisu zwilżania powierzchni w czasie. Często badane procesy wymagają także określenia histerezy zwilżania, poprzez pomiar kątów postępowania i ustępowania zwilżania w czasie.
W opisie zjawisk zachodzących w procesie drukowania czynnik czasu jest bardzo ważny. Możliwość uchwycenia sekwencji zmieniających się obrazów (patrz ilustr. 2), na których widoczna jest dynamika całego badanego procesu, pozwoli bliżej poznać szybkość zmian zachodzących podczas oddziaływania farb lub środków czyszczących na okładziny i pokrycia wałków, formy drukowe i podłoża.
W Instytucie Papiernictwa i Poligrafii PŁ odbyła się niedawno prezentacja goniometrów firmy Fibro Systems: w wersji kieszonkowej – PG-1 i PG-3, o wymiarach 160×55×40 cm, oraz w wersji laboratoryjnej, przeznaczonej do stosowania w pracach badawczo-rozwojowych – DAT. Zaprezentowane urządzenia w pełni odpowiadają normom branżowym Tappi T558 & ASTM D-5725 oraz są zgodne z wymogami ISO. Urządzenia służą do pomiaru kąta zwilżania i szybkości wchłaniania cieczy w czasie, co 1 ms, od momentu aplikacji kropli z dokładnością ±0,1 µl. Wbudowana w urządzenia kamera rejestruje obraz kropli. Zapamiętane obrazy są analizowane przez oprogramowanie dla Windows 95/98/2000/XP zainstalowane w podłączonym poprzez port USB komputerze PC.
Zainteresowanie autora publikacji wzbudziła najnowsza wersja goniometru PGX, która do badań nie wymaga specjalnego wycinania próbek. Ponadto za pomocą tego urządzenia można wykonać pomiary kąta zwilżania i szybkości wchłaniania cieczy na materiałach przestrzennych o różnych kształtach i wymiarach. Goniometr PGX służy do badań reakcji cieczy z powierzchnią ciał stałych z materiałów takich, jak na przykład: polimery, metale, folie, papiery itd. Goniometr PGX przedstawiono na ilustracji 3.
Za pomocą urządzenia można mierzyć takie parametry, jak: statyczny i dynamiczny kąt zwilżania, szybkość absorpcji, napięcie powierzchniowe cieczy oraz energia powierzchniowa.
Napięcie powierzchniowe cieczy jest określane bezpośrednio przez pomiar kształtu kropli tuż przed jej oderwaniem się od dyszy dozującej. Wartość swobodna energii powierzchniowej jest określana pośrednio poprzez pomiary kąta zwilżania dla jednej lub kilku cieczy o znanych właściwościach. Przy zastosowaniu czystej wody wystarczy zmierzenie kąta zwilżania i odczyt energii powierzchniowej z dostępnych tabel. Na przykład, dla wody na poliolefinach kąt zwilżania 90o odpowiada energii powierzchniowej 32 mN/m, a większy kąt zwilżania – 100o odpowiada mniejszej energii, równej 29 mN/m. Przyjmuje się, że zmiana energii powierzchniowej o 1 mN/m odpowiada zmianie kąta o około 3o. Dokładniejsze oznaczenie energii powierzchniowej przeprowadza się według obliczeń modeli matematycznych na podstawie pomiarów kąta zwilżania dla dwu lub więcej cieczy testowych.
W goniometrze wbudowana jest pompa dozująca z układem regulacji aplikacji kropli w zakresie od 0,5 do 7,5 µl, stopniowo co 0,5 µl. Kropla cieczy z dyszy dozującej jest delikatnie umieszczana na badanej powierzchni, tak aby w momencie pierwszego kontaktu kropli z powierzchnią był uzyskiwany możliwie jak największy kąt zwilżania. W chwili oderwania się od dyszy kropla musi być odpowiednio uformowana i nie może odrywając się dotykać jednocześnie testowanej powierzchni. Równocześnie, ustawiana wysokość aplikowania kropli nie powinna powodować jej rozbryzgiwania. Wartość odczytanego kąta zwilżania będzie wtedy zaniżona, ponieważ po uderzeniu o powierzchnię kropla będzie się cofać, zwiększając swoją wysokość, albo siły uderzenia kropli o powierzchnię dodatkowo zwiększą jej wnikanie. Wielkość kropli i odległość od podłoża podczas aplikacji przyjmuje się doświadczalnie. Na przykład kropla wody o objętości od 2 do 4 ml może być aplikowana z wysokości 2 mm, zaś dla objętości od 4 do 8 ml wysokość ta wynosi 1 mm. Zależności te wynikają z małej masy kropli i wysokiego napięcia powierzchniowego wody.
Pomiary
W czasie pokazów działania przyrządów pomiarowych wykonano pomiary statycznego i dynamicznego kąta zwilżania oraz szybkości absorpcji wody dla wybranych materiałów poligraficznych stosowanych w technologii fleksograficznej.
Przykładowe pomiary wykonano dla:
• cylindra rastrowego o średnicy 74 mm, z pokryciem ceramicznym o twardości 74 HRC, grawerowanych laserowo metodą YAG, kącie rastra 60o, o trzech różnych pasmach liniatur na szerokości cylindra: 180, 200, i 300 linii/cm i pojemności kałamarzyków odpowiednio: 8; 5; i 4,3 cm3/m2
• formy fotopolimerowej FAH 170, o twardości 69oShA, o grubości 1,70 mm, zawierającej obraz w postaci pasków o pełnym pokryciu powierzchni oraz pasków mających pola rastrowe o stopniu pokrycia powierzchni od 2 do 100%, wykonanych z liniaturą 42 linii/cm.
Do pomiarów zastosowano opisany wyżej goniometr PGX, który umieszczano bezpośrednio na powierzchniach walca rastrowego i formy drukowej. Kroplę czystej wody, o ustawionej objętości 4 ml, aplikowano delikatnie z dyszy dozującej na powierzchnię badanego materiału z wysokości 2 mm.
Na ilustracji 5 zostały przedstawione zarejestrowane wyniki pomiaru kąta zwilżania oraz parametry szybkości wnikania (objętość, powierzchnia i wysokość) kropli wody w powierzchnię cylindra rastrowego o liniaturze 300 linii/cm. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki pomiaru kąta zwilżania powierzchni cylindra rastrowego o liniaturze 180 linii/cm.
Porównując otrzymane wyniki można zauważyć, że wartość kąta zwilżania powierzchni w przypadku cylindra o liniaturze 180 linii/cm szybko spada, osiągając po 1 sekundzie 26o, podczas gdy dla powierzchni cylindra o liniaturze 300 linii/cm w tym samym czasie wartość kąta zwilżania spada wolniej i osiąga 36o. Zatem przy większej pojemności kałamarzyków występuje lepsze i szybsze zwilżanie powierzchni.
Na pozostałych trzech zarejestrowanych charakterystykach, dla każdej z wykonanych prób, przedstawiono zachodzące w czasie zmiany wielkości opisujących kształt upuszczonej kropli wody na badaną powierzchnię (jej objętość, pole powierzchni i wysokość).
Na ilustracji 7 przedstawiono obraz obserwowany na ekranie komputera tuż po wykonanym pomiarze zwilżania powierzchni cylindra o liniaturze 300 linii/cm.
Na ilustracji 8 przedstawiono otrzymane wyniki pomiaru kąta zwilżania apli (po prawej) i pola rastrowego o stopniu pokrycia 80% (po lewej) formy fleksograficznej.
Pomiary wykazały, że zwilżana jest tylko gładka powierzchnia formy, przy czym kąt zwilżania po upływie 5 s maleje tylko o 6%. Powierzchnia formy, na której występują rastrowe elementy drukujące, ma kąt zwilżania powyżej 100o, a parametry opisujące geometrię umieszczonej kropli są praktycznie niezmienne w czasie.
Czystość zespołu farbowo-drukującego
Ważnym zagadnieniem w procesie produkcji jest stworzenie jak najlepszych warunków eksploatacji maszyn drukujących. Jednym z podstawowych problemów przy użytkowaniu maszyn jest mycie zespołów farbowo-drukujących i utrzymanie ich w czystości podczas pracy maszyny. Wiele nowoczesnych systemów zamkniętych – standardowo lub opcjonalnie – jest wyposażonych w układy umożliwiające czyszczenie komór i cylindrów rastrowych bez konieczności ich demontażu z maszyny. W przypadku zmiany barwy farby pozostaje jedynie ręczna wymiana zbiornika farbowego. Współczesne rozwiązania mają scalone układy doprowadzania farby i czyszczenia komór. W porównaniu z ręcznym czyszczeniem automatyczne mycie znacznie obniża czas przygotowania maszyny do pracy, a w konsekwencji koszty eksploatacji. Również coraz częściej możemy spotkać układy do automatycznego mycia form drukowych na maszynie drukującej. Przykłady takich rozwiązań przedstawiono na ilustracji 9 i 10 [9].
Badania statycznego i dynamicznego zwilżania powierzchni mogą być przydatne nie tylko do trafniejszego doboru środka czyszczącego, ale mogą także pomóc przy ocenie stanu czystości kałamarzyków cylindra rastrowego i formy drukowej.
Podłoża drukowe
Oprócz przedstawionych powyżej przykładów badań zwilżania powierzchni cylindrów rastrowych i form drukowych, przy użyciu gonio-metru PGX można również określić charakterystyki zwilżania powierzchni podłoży drukowych.
Bardzo istotne w przypadku podłoży jest określenie swobodnej energii powierzchniowej, która jest miernikiem siły przyciągania farby do powierzchni podłoża. Przykładem może być folia polietylenowa mająca niską siłę przyciągania farby, czego efektem jest łatwe ścieranie się farby z powierzchni tego podłoża. W takich przypadkach stosowane są technologie obróbki koronowej, plazmowej lub płomieniowej, za pomocą których można podnieść wartość energii powierzchniowej podłoża drukowego.
Wykonane przy użyciu goniometru PGX pomiary podłoży, których powierzchnie zostały aktywowane, powinny wykazać zmniejszenie wielkości kąta zwilżania tych powierzchni. Pomiary takie mogą być szczególnie przydatne w przypadku, gdy urządzenie do aktywacji powierzchni podłoża drukowego nie jest zainstalowane na maszynie drukującej. W takich przypadkach drukarnie stosują materiały, które podlegają obróbce poza zakładem. Okres skuteczności aktywacji podłoży jest jednak ograniczony. Wykonując pomiary kontrolne kąta zwilżania dla podłoży przetrzymanych w magazynie możemy określić ich przydatność produkcyjną.
Podsumowanie
W praktyce większość zjawisk zachodzących w procesach drukowania wymaga opisu zwilżania powierzchni materiałów w czasie. Często badane procesy wymagają także określenia histerezy zwilżania poprzez pomiar kątów postępowania i ustępowania zwilżania w czasie.
W oparciu o analizę omówionych powyżej wyników pomiarów statycznego i dynamicznego zwilżania powierzchni można opracować dogłębną analizę wzajemnego oddziaływania farb drukowych i podłoży drukowych stosowanych przy wytwarzaniu druków fleksograficznych.
Podczas omawianej tu prezentacji goniometrów PGX wykonano wstępne pomiary testowe parametrów zwilżania wybranych powierzchni. Przeprowadzone próby wykorzystania urządzenia do badań materiałów poligraficznych są obiecujące. Przedstawiciel producenta w Polsce obiecał udostępnić Instytutowi przyrząd w celu przeprowadzenia pełniejszych badań i uwiarygodnienia jego przydatności dla potrzeb poligrafii.
Można postawić również tezę, że urządzenie to może być również stosowane do oceny wzajemnego oddziaływania materiałów poligraficznych stosowanych w innych technikach druku – na przykład przy doborze nowych kompozycji pokryć wałków farbowych i nawilżających w technice offsetowej. W Katedrze Informatyki Stosowanej Politechniki Łódzkiej trwają również prace nad systemami pomiarów właściwości powierzchniowych materiałów. Katedra opracowała konstrukcję urządzenia przeznaczonego do pomiarów napięcia powierzchniowego i zwilżalności materiałów w wysokich temperaturach. W systemach tych, podobnie jak w urządzeniach omawianych w niniejszym artykule, podstawę metody pomiarowej stanowią algorytmy przetwarzania obrazu źródłowego z kamery CCD i analiza cech geometrycznych kropli cieczy na badanej powierzchni.
We wrześniu tego roku w IPiP PŁ swoje najnowsze osiągnięcia technologiczne, prezentowane także na targach drupa 2004, przedstawiła firma IGT Testing Systems. Aparatura tej firmy jest obecnie szeroko stosowana na świecie do oceny drukowności i zadrukowalności podłoży drukowych. W ostatnim numerze pisma „IGT Newsletter” (2/04) firma przedstawiła nowe urządzenie i metodykę do badań przenikania farby w podłoże drukowe oraz podatności powierzchni podłoża na lakierowanie.
Również na łamach „Świata DRUKU” (3/2002) prezentowana była metodyka badań dynamiki przenikania przez powierzchnię i penetracji cieczy w strukturę podłoży drukowych z wykorzystaniem analizatora PDA firmy emtek-Elektronik GmbH. Specjaliści z Politechniki Łódzkiej i Politechniki Warszawskiej przeprowadzili już liczne badania, które okazały się przydatne przy ocenie wielu zjawisk zachodzących w procesach wytwarzania i drukowania papieru
Współcześnie obserwuje się coraz większe zainteresowanie aparaturą pomiarową, która służy do badań zachowań powierzchniowych i penetracji cieczy w stosowanych materiałach. Zainteresowanie nią wykazują nie tylko jednostki naukowe i dydaktyczne, ale i firmy przemysłu poligraficznego i papierniczego, które posiadają własne laboratoria.
Literatura
1. K. Stępień: Wpływ parametrów eksploatacyjnych i konstrukcyjnych fleksograficznego zespołu farbo-wego na przenoszenie farby, „Przegląd Papierniczy”, 8/2002, s. 479–485.
2. K. Stępień, S. Chadżynowa: Nowości w budowie i eksploatacji zespołów farbowych w maszynach flekso-graficznych, Komputerowe technologie drukarstwa – Zbiór prac naukowych, Ukraińska Akademia Drukarstwa, 8, s. 176–187, (2002).
3. W. Barabasz: Jakość druku fleksograficznego a stan czystości układów farbowych, „Świat DRUKU” 5/2002, s. 28.
4. W. Barabasz: Dopasowanie punktu rastrowego do kałamarzyka rastrowego, „Świat DRUKU” 9/2002, s. 16.
5. W. Barabasz: Rozwój ceramicznych wałków rastrowych, „Świat DRUKU” 12/2002, s. 22.
6. W. Barabasz: Efekt „ducha”– ghosting, „Świat DRUKU” 5/2003, s. 26.
7. W. Sobolewski, M. Kula: Promotory adhezji, „Świat DRUKU” 6/2001, s. 30.
8. Materiały firmy Thwing-Albert Europe.
9. Materiały firm Harris & Bruno i Tresu.
Krzysztof Stępień
Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej
Wynagrodzenie autorskie zostało sfinansowane przez Stowarzyszenie Zbiorowego Zarządzania Prawami Autorskimi Twórców Dzieł Naukowych i Technicznych KOPIPOL z siedzibą w Kielcach, z opłat uzyskanych na podstawie art. 20 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.
*
Goniometr (gr. gonía – kąt, metreín – mierzyć) PGX ma niewielkie wymiary: 60×90×65 cm. Jego masa wynosi 400 g. Urządzenie jest wyposażone w kamerę CCD, która umożliwia rejestrację 15 obrazów na sekundę. Jest on podłączony do komputera PC poprzez port USB. Oprogramowanie dla Windows 98/2000/XP pozwala odtwarzać sekwencje zarejestrowanego obrazu oraz przeglądać tabelaryczne wyniki liczbowe i zależności przedstawione w postaci wykresów, z możliwością porównania wyników dwóch pomiarów na jednym wykresie. Wyniki mogą być przesyłane do programów MS Excel i MS Access. Program rejestruje i oblicza wysokość, powierzchnię podstawy i objętość kropli. Na ilustr. 4 przedstawiono przykład obrazu obserwowanego podczas pomiaru.
|
|
|
|
