Analiza przekazywania farby w technologii fleksograficznej

Transkrypt

1 Krzysztof Stępień Politechnika Łódzka Instytut Papiernictwa i Poligrafii Analiza przekazywania fary w technologii fleksograficznej Krzysztof Stępień: Analiza przekazywania fary w technologii fleksograficznej. W artykule przedstawiono analizę przeglądu literatury naukowej i technicznej związaną z procesem przenoszenia fary w technice fleksograficznej. Omówiono teoretyczne zależności parametrów procesu podziału warstwy fary oraz przykłady adań empirycznych. Analiza wykazała, że ardzo ważnym czynnikiem prowadzenia adań transferu fary we fleksograficznym zespole farowo-drukującym jest znajomość charakterystyki materiałowej i użytkowej takich elementów składowych, jak: cylindr rastrowy, forma, fara i podłoże. Wzajemna ich relacja oraz dostosowanie optymalnych parametrów drukowania pozwala na uzyskanie spodziewanej jakości drukowania. Wyniki analizy literatury pozwoliły autorom pracy adawczej na wyór i opracowanie właściwej metodyki własnych adań eksperymentalnych, które dały podstawę do przeprowadzenia teoretycznych adań symulacji procesu opartych na programie MATLAB-Simulink. Druki testowe wykonano na aparacie testowym IGT F1 i maszynie fleksograficznej Mark Andy 830x7 przy zastosowaniu fary wodorozcieńczalnej. Wcześniej dokonano pomiarów wielu ważnych własności fizycznych zastosowanych w adaniach materiałów poligraficznych. Z przeprowadzonych adań w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej wynika, że wyór optymalnych parametrów prowadzenia procesu drukowania powinien yć oparty na analizie wartości empirycznych i symulacyjnych współczynnika przenoszenia fary K P z formy na podłoże drukowe w zależności od podstawowych wielkości prowadzonego procesu wartości docisków w strefach przenoszenia fary, prędkości drukowania i właściwości fizycznych charakteryzujących formę, farę i podłoże. Krzysztof Stępień: Analysis of ink transfer in flexography. The article shows the analysis of scientific and technical literature connected with the process of ink transfer in flexography. It presents parameters of ink layers division process and examples of empiric tests. The analysis has shown, that a very important factor of ink transfer tests is the knowledge of material and application characteristics of such elements as: anilox cylinder, plate, ink and sustrate. Their mutual relation as well as adjusting the optimal printing parameters allows for the expected printing quality. The results of literature analysis have helped the authors in selecting and elaorating the appropriate methodology for their experimental tests. These made a asis for theoretical examinations of process simulations in MATLAB-Simulink. The research tests of ink transfer have een performed with a testing appliance IGT F1 and laoratory flexographic printing machine the Mark Andy 830x7 with the use of water ased ink. Earlier there had een made certain measurements of many important physical properties of the applied printing materials. The tests conducted in the Institute of Papermaking and Printing of the Technical University of Lodz have resulted in conclusion that the selection of optimal process parameters should e ased on the analysis of empiric values and simulations of ink transfer factor KP onto the sustrate that depends on the volume of process pressures in ink transfer zones, printing speed and physical properties of plate, ink and sustrate. Wprowadzenie Każda technologia drukowania narzuca specyficzne wymagania, których spełnienie pozwala na uzyskanie druków o wysokiej jakości. Wśród wielu parametrów mających wpływ na prawidłowy przeieg procesu drukowania, przez elementy składowe zespołu farowo-drukującego maszyny, należy wymienić odpowiednią ilość i stailność transferu fary na podłoże drukowe. W technice fleksograficznej występują trzy strefy, w których następuje rozdzielenie i podział warstw fary. Pierwsza strefa wpływa na stopień efektywności wypełnienia kałamarzyków cylindra rastrowego przez daną konstrukcję zespołu farowego. W drugiej strefie fara podlega podziałowi na farę przekazaną na elementy drukujące formy i farę pozostałą w kałamarzykach cylindra rastrowego. W trzeciej strefie, ezpośredniego odwzorowania orazu formy drukowej na podłoże następuje podział warstw fary pomiędzy elementami formy a podłożem drukowym. Wpływ parametrów eksploatacyjnych i konstrukcyjnych fleksograficznego zespołu farowego na przenoszenie fary omówiono w poprzednich artykułach [1,]. Zjawiska zachodzące podczas kontaktu formy i podłoża leżą u podstaw procesu drukowania i mają decydujący wpływ na właściwości i jakość oditki. Sam proces kontaktu odywa się w dwóch etapach, które różnią się pomiędzy soą wielkością i charakterem naprężeń oraz deformacją powierzchni formy, fary i podłoża [3]. Pierwszy etap zaczyna się w momencie kontaktu formy z podłożem, drugi od momentu po- czątku rozdzielenia warstwy fary. Sumaryczny czas kontaktu podczas drukowania wynosi ułamki sekund. Następuje wtedy gwałtowny wzrost i spadek naprężeń w strefie drukowania. Przyjmuje się, że krzywa rozkładu naprężeń w strefie drukowania jest symetryczna w kształcie paraoli. Maksimum naprężenia dzieli moment kontaktu formy z podłożem na dwa etapy, przy czym koniec pierwszego ziega się z gwałtownym spadkiem naprężeń. W pierwszym etapie występuje wzrost deformacji elementów drukujących formy i wtłaczanie fary w podłoże drukowe, natomiast w drugim następuje rozdział warstwy fary. Pierwszy etap zmian naprężeń odywa się w ciągu setnych części sekundy, zaś drugi w podłożu trwa praktycznie dłużej, aż do całkowitego utrwalenia oditki. Właściwości powierzchniowe Dla prawidłowego przeiegu procesu drukowania muszą yć spełnione następujące warunki [4 6]: fara drukująca powinna zwilżać stykające się powierzchnie i przylegać do nich, tzn. powinna wykazywać określoną adhezję, warstwa fary powinna yć plastyczna, przed spadkiem naprężenia w oszarze styku powinna rozdzielić się pomiędzy powierzchniami, tzn. wykazywać właściwości kohezji, równowaga adhezyjno kohezyjna powinna yć stała, ay rozdzielenie warstwy fary zachodziło w miarę w połowie warstwy fary i nie zmieniało się podczas procesu druku nakładu. 4 OPAKOWANIE 3/008

2 Zdolność adhezji między kontaktującymi się fazami zależy głównie od: wielkości powierzchni stykających się faz: ciekłej fary z fazą stałą (pokryciem cylindrów zespołu farowo-drukującego lu podłożem drukowym), oddziaływania międzycząsteczkowego powstającego na granicy faz Wielkość powierzchni stykających się faz zależy od: zdolności zwilżania danej powierzchni farą, stanu i struktury powierzchni zwilżanej farą. Zdolność zwilżania danej powierzchni zależy od napięcia powierzchniowego na granicy faz: fara-powietrze γ f/p, sustrat-powietrze γ s/p, fara-sustrat γ f/s W stanie równowagi, zgodnie z równaniem Younga: γ s/p γ f/s γ f/s cos θ = 0 (1) gdzie: θ kąt zwilżania danej powierzchni farą. Fara łatwo zwilża powierzchnię, gdy kąt θ dąży do 0. Częściowe zwilżanie powierzchni ędzie zachodziło, gdy kąt θ dąży do 180, zaś powyżej tej wartości, sustrat ędzie całkowicie nie zwilżany przez farę. Do oceny zwilżalności powierzchni stosuje się często kryterium porównania wartości napięcia powierzchniowego fary z napięciem powierzchniowym fazy stałej. Zliżone wartości napięć powierzchniowych zapewniają dore zwilżanie, a tym samym i adhezję. Praktycznie określane są wartości krytycznych napięć powierzchniowych. Oznaczają one maksymalne napięcie powierzchniowe, które pozwala na zwilżenie danego rodzaju powierzchni. Równie ważnym czynnikiem wpływającym na powierzchnię oddziaływań międzyfazowych jest struktura powierzchni sustratu. Im powierzchnia jego jest ardziej rozwinięta, porowata, tym lepsza jest adhezja warstwy fary. Trwałe wiązanie warstwy fary z podłożem drukowym zapewniają oddziaływania między cząsteczkami fary i podłożem. W celu poprawy stopnia związania fary z współpracującymi powierzchniami cylindrów zespołu farowo-drukującego lu 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 lu zwiększające powstawanie wiązań chemicznych lu oddziaływań międzycząsteczkowych w warstwie międzyfazowej używane jako dodatki do far. Przedstawione powyżej warunki są niezędne, ale nie wystarczające dla optymalnego przeiegu procesu drukowania. Ilość fary, która się przenosi z formy na oditkę, zależy w nie mniejszym stopniu i od prędkości rozdzielenia warstwy fary, która następuje po spadku naprężeń w strefie drukowania, a również od właściwości materiałów [1,]. Zależności teoretyczne procesu podziału warstwy fary Proces rozdzielenia warstwy fary zależy głównie od jej ilości, jaką dostarcza się na formę drukową oraz od nacisku i jego rozkładu w strefie styku. Parametrami charakteryzującymi proces podziału warstwy fary pomiędzy formą a podłożem drukowym są współczynniki przenoszenia i podziału fary (K p,v) [1, 3, 7, 8]. Całkowita ilość przenoszonej fary na podłoże drukowe jest sumą ilości fary unieruchomionej w zadrukowanej powierzchni (w wyniku docisku w strefie drukowania) i ilości swoodnej warstwy fary, oddzielonej od formy i powierzchni podłoża po ustaniu nacisku drukowania. W literaturze przedstawionych jest wiele równań opisujących przenoszenie far drukowych. Najczęściej przytaczane są równania Walkera Fetsko i ich modyfikacje, opracowane przez m.in.: Ruppa i Rieche, Wultscha i Schuerta, Laraignou a. Równania zawierają współczynniki empiryczne, które charakteryzują wzajemne oddziaływanie fary i podłoża w strefie drukowania. Współcześnie prowadzone są adania laoratoryjne procesów przenoszenia fary dla różnych technik drukowania, które udoskonalają metodykę wyznaczania poszczególnych współczynników wchodzących w skład omawianych równań [9]. Z adań tych wynika m.in., że ilość fary przenoszonej na podłoże chłonne V P jest zawsze większa niż na podłoża niewsiąkliwe. Sama ilość wchłanianej fary w podłoże W nie jest jednakowa i nie ierze ona udziału w rozdzieleniu warstwy fary, co oznacza że ogólna ilość fary uczestniczącej w rozdzieleniu zmniejsza się. Badania techniki fleksograficznej w Ukraińskiej Akademii Drukarstwa wykazały, że wzrost ilość fary wnikającej w podłoże W przy zwiększaniu ilości fary na formie m f rośnie od zera do granicznej wielkości według funkcji wykładniczej [10]. Stosowanie do analizy ilościowej ojętości fary V p wchłanianej przez podłoże wyznaczanej według wzoru Hagena-Polseuille a jest ardzo złożone ze względu na trudności związane z ustaleniem wymiarów kapilar, rzeczywistej lepkości fary w momencie drukowania oraz określeniem gradientu ciśnienia fary ΔP. Ponadto równanie to jest słuszne dla przepływu laminarnego w kapilarach, a czy pojawia się w rozpatrywanym procesie przepływ turulentny, do dziś definitywnie nie ustalono. Ojętość fary wnikającej w podłoże W w czasie t określono wprowadzając współczynniki uwzględniające określone własności fary c 1 c 3. Wyprowadzoną zależność przedstawiono poniżej: m c 1 c f () c1 c K P t K 0 P t W0 W 1 e c3 c3 = = gdzie: K ojętość por w podłożu, P nacisk na podłoże. Ilość fary, która nagle penetruje powierzchnię podłoża wynosi W W 0, gdzie W 0 określa maksymalną możliwą ilość wchłaniania fary przez dane podłoże. Najczęściej wielkości ilości fary na formie drukowej m f i na podłożu drukowym g są wyznaczane laoratoryjnie metodą wagową, która określa jednostkową masę naniesionej fary. Niekiedy ilość fary na formie drukowej m f jest określana empirycznie na podstawie parametrów opróżnianych kałamarzyków cylindra rastrowego przy uwzględnieniu odpowiedniego współczynnika podziału fary pomiędzy kałamarzykami cylindra rastrowego a formą drukową. Zastosowanie właściwych docisków w strefie drukowania, które zapewniają odpowiednią ilość fary przekazanej na podłoże drukowe nie gwarantuje otrzymania oditki najlepszej jakości. Dlatego wyór optymalnych warunków prowadzenia procesu drukowania powinien yć określony również na podstawie analizy zależności wartości współczynnika przenoszenia fary K p od ilości naniesionej fary na formę przed wykonaniem oditki m f przy zastosowaniu określonego stałego docisku drukowania. Jeżeli w procesie drukowania nie zmienia się podłoże i fara oraz zachowane są stałe parametry procesu drukowania, takie jak: temperatura i lepkość fary, prędkość drukowania, to zjawisko przekazywania fary na podłoże ędzie określone dwoma parametrami: dociskiem w strefie zadrukowywania podłoża oraz ilością dostarczanej fary na formę drukową. Docisk jest czynnikiem komplikującym proces drukowania. Zyt duży docisk formy drukowej do podłoża doprowadza do nadmiernej deformacji elementów drukujących formy i w efekcie pogorszenia jakości druku oraz szyszego zużycia formy drukowej. Jest on jednak niezędny z powodu występujących nierówności wysokości elementów drukujących formy drukowej, jak również nierówności powierzchni zadrukowywanego materiału. Według danych literaturowych, dociski w trzech strefach podziału fary we fleksograficznym zespole farowo-drukującym zmieniają się w następujący sposó. W strefie doprowadzania fary do cylindra rastrowego zmiana docisku ma znaczny wpływ na jakość oditki (ocenianą poprzez pomiar gęstości OPAKOWANIE 3/008 5

3 optycznej nadruku na skali wielotonalnej). Przy zwiększeniu ciśnienia zwiększa się gęstość optyczna nadruku w wypadku wszystkich adanych liniatur rastra. Przyczyną tych zmian mogą yć wymuszone znaczne odchylenia ostrza kąta rakla w zespole otwartym lu w komorze raklowej. Dalej stwierdzono, że wpływ docisku pomiędzy cylindrem rastrowym i formą na jakość oditki jest niewielki. Wraz ze wzrostem docisku następują nieznaczne zmiany gęstości optycznej na oditce oraz zwiększenie przyrostu punktu. Zwiększenie docisku w strefie drukowania, pomiędzy formą a cylindrem dociskowym ma znaczny wpływ na zwiększenie przyrostów punktów rastrowych [11]. Parametrem wpływającym na ilość przeniesionej fary z formy na podłoże drukowe jest również prędkość drukowania. Wiąże się ona ściśle z czasem rozdzielenia warstwy fary w strefie drukowania. Im większa prędkość, tym fara jest rozdzielana w krótszym czasie. Ponadto skraca się czas schnięcia oditki i zdolność zwilżania farą. Wzrost prędkości drukowania powoduje oniżenie ilości przekazywania fary na podłoże, przy czym w tym większym stopniu im więcej fary naniesione jest na formę. Charakterystyki tych zależności przedstawiono na rys. 1 [3]. Zastosowanie większej prędkości drukowania oniża czas rozdzielenia warstwy fary, a to powoduje spadek ilości przekazywanej fary na podłoże. Rys. 1. Wpływ prędkości na przekazywanie fary z formy na podłoże Istotnym aspektem związanym z wpływem prędkości drukowania jest zmniejszenie zapotrzeowania fary przez papier wraz ze zwiększeniem prędkości. Jest to tłumaczone tym, że w warunkach krótkotrwałego kontaktu fara nie zdąży jeszcze wniknąć w głą struktury podłoża drukowego. Zagadnienie to jest ardzo ważne, owiem może oznaczać, że charakter powierzchni podłoża (gładkość, porowatość) traci swój znaczący wpływ na stailność procesu przenoszenia fary w warunkach współcześnie stosowanych wysokich prędkości drukowania na maszynach fleksograficznych. Dane literaturowe wskazują, że niższa lepkość fary drukowej zapewnia stały transfer przy wysokich prędkościach drukowania, jednakże wzrost siły docisku przy danej prędkości drukowania powoduje wzrost przenoszenia fary [1]. Z uwagi na to, że prędkość drukowania w maszynie drukującej dochodzi dzisiaj już do 10 m/s i więcej, to uwzględniając przeieg krzywych K P = f (v), zwłaszcza przy niewielkich ilościach fary na formie współczynnik rozdzielenia fary K P zliża się do wartości 0,5 [13]. Badania empiryczne podziału warstwy fary Wielu adaczy stwierdziło, że transfer fary rośnie wraz ze wzrostem docisku formy do podłoża i maleje wraz ze wzrostem prędkości drukowania oraz że fara o niskiej lepkości osiąga stały poziom przenoszenia fary przy wysokich prędkościach (5 7 m/s). Jednak transfer fary rośnie wraz z dociskiem w strefie drukowania przy danej prędkości. Taki pojawiający się trend może powodować wzrost unieruchomionej fary w podłożu. Znacząco również rodzaj podłoża wpływa na warunki drukowania. Dla podłoży porowatych i szorstkich transfer fary rośnie wraz ze wzrostem docisku, a z kolei wzrost prędkości wpływa na zmniejszenie przenoszenia fary. Podział fary miedzy formą i podłożem oraz jej unieruchomienie w podłożu wpływają wyraźnie na jakość drukowania. W Karlstad University (Szwecja) adano przyczyny asymetrycznego i symetrycznego podziału fary. Jako podłoże zastosowano nie powlekaną tekturę pięciowarstwową. Strona zadrukowywana yła wykonana z długich i krótkich włókien ielonych. Druki wykonano farą wodorozcieńczalną cyjan o lepkości 30s, kuka Zohn o średnicy mm i gęstości 1079,5 kg/m 3, przy temperaturze C. Fara zawierała 50 55% wody, miedź w ilości 34 g/kg suchej fary. Badania przeprowadzono na sześciokolorowej maszynie fleksograficznej z centralnym cylindrem, o średnicy 0,9 m. W zespole farowym zainstalowano cylinder rastrowy o pokryciu ceramicznym z liniaturą 10 linii/cm. Podczas pomiarów ustawiano zmienne parametry drukowania: prędkości równe 0,8,5 m/ s i zmienne dosunięcia cylindra formowego do dociskowego równe: 100, 00 i 300 µm, odpowiadające trzem wartościom docisku drukowania. Do oceny wartości dynamicznego docisku w strefie drukowania zastosowano czujnik do pomiaru nacisków walców FlexiForce (PIAB Matysystem AB) o średnicy 9,53 mm i gruości 0,1 mm. Pomiary przeprowadzono na formach o gruości 1,14 mm z orazem apli. Ilość fary przenoszonej na podłoże adana yła poprzez określenie ilości miedzi znajdującej się na zadrukowanym podłożu. Zadrukowane próki o znanej masie yły trawione w stężonym kwasie azotowym. Zawartość miedzi oznaczano spektroskopią przy długości fali 34,8 nm i szczelinie o szerokości 0,7 nm. Z adań wynikało, że równanie transferu fary musi zawierać współczynnik podziału, który maleje ze wzrostem ilości fary na podłożu [14]. W adaniach wychwycono także różnice mechaniczne właściwości form, które wpływają na transfer fary i jakość druku. Forma miękka (64 0 ShA) umożliwiła uzyskanie przenoszenia większej ilości fary, wyższej gęstości optycznej oditki w pełnych tonach i mniejszy przyrost punktu, w porównaniu z twardą forma drukową (75 0 ShA). Wyższa elastyczność formy miękkiej spowodowała wzrost powierzchni kontaktu pomiędzy pokrytą farą formą a podłożem. Badając strefę drukowania, uzyskano wysoki wskaźnik średniego dynamicznego ciśnienia drukowania w czasie. Pomierzone dynamiczne ciśnienie w strefie odwzorowania orazu yło jedynie zależne od poziomu docisku. Rodzaj materiału formy ani szykość drukowania nie miały wpływu na mierzone ciśnienie dynamiczne. Na rys. przedstawiono przykładowo pomierzony typowy rozkład ciśnienia w strefie drukowania. Oniżenie przenoszenia fary na podłoże drukowe jest tłumaczone tym, że ulega ona deformacji w strefie jej podziału [3]. Powstające w farie naprężenia są proporcjonalne, zgodnie z zasadą Newtona, do iloczynu jej lepkości i prędkości względnej deformacji w kierunku siły rozrywania x. Zależność na siłę odkształcającą F (rozrywającą słup warstwy fary) określana jest jako: F = S ( x /x) (1/t) (3) gdzie: lepkość dynamiczna S powierzchnia rozrywania warstwy fary (zachodzi ona wzdłuż linii najmniejszego przekroju) t czas oddziaływania siły Naprężenie styczne τ: τ = ( x/x) (1/t) = ε (1/t) (4) Odkształcenie względne warstwy fary: ε = x/x: ε = (P t)/ (5) 6 OPAKOWANIE 3/008

4 Rys.. Pomierzony profil impulsu ciśnienia przy drukowaniu testu formą o twardości 64 ShA przy prędkości 0,8 m/s i dostawieniu cylindra formowego równym 00 µm System farowy w warunkach działania naprężenia zdolny jest wskutek orientacji oddzielnych elementów fary (makrocząsteczek, oddziaływania cząstek pigmentu i innych) wywołać sprężyste odkształcenia w kierunku działania siły. Przyczynia się to nie tylko do wytworzenia ciągnącej się nitki fary, ale również większej równomierności przekazywania fary między powierzchniami. Jeśli w czasie kontaktu w strefie drukującej nie powstaną sprężyste odkształcenia fary, to ilość przekazywanej fary na podłoże drukowe ędzie mniejsza i ardziej nierównomierna. Podony wpływ ma lepkość, ale z odwrotnym efektem. Duża ilość i niejednoznaczność czynników, mających wpływ na przenoszenie fary, a stąd i potrzea dużej ilości danych eksperymentalnych nie dają możliwości przejścia na poziom jakościowy, który pozwoliły scharakteryzować proces za pomocą ogólnie przyjętych parametrów fizykochemicznych. Jedną z pró określenia współzależności naprężeń, które się pojawiają w warstwie fary fleksograficznej przy jej deformacji i pracy sił kohezji tejże warstwy yły adania przeprowadzone przez A.I. Baczinyma. Model tych adań zakłada, że słup fary powstały między niechłonnymi powierzchniami o szerokości i gruości a ma podstawę kwadratu, a płaszczyzny kontaktu zarówno z powierzchnią górną powierzchniami, jak i dolną są równe. Słup fary odkształca się i staje się cieńszy, aż do jego rozerwania. Ponadto założył, że rozerwanie słupa fary zachodzi wzdłuż linii c, o najcieńszym przekroju, powierzchni równej c. W momencie rozerwania słupa fary kąty zwilżania danych powierzchni przez farę α 1 i α ędą soie równe. Przyjęto również, że fara ma lepkoplastyczne odkształcenia do momentu, kiedy praca zużywana na jej odkształcenia nie osiągnie wartości pracy kohezyjnego (spójnego) rozerwania warstwy fary. Pracę kohezji W k określono jako: W k = σ S (6) gdzie: mnożnik, napięcie powierzchniowe działa z ou stron warstwy fary σ napięcie powierzchniowe S powierzchnia rozrywania słupa fary. W przypadku odkształceń ciała lepkoplastycznego, rozmieszczonego między dwiema płaskimi powierzchniami M.P. Wołarowicz i A.M. Gutkin zaproponowali wyrażenie na siłę odkształcającą, rozrywającą słup warstwy fary F: F = ( x/x) (1/t) ( 3 /a 3 ) + 3 / τ ( /a) = = v ( 3 /a 3 ) + 3 / τ ( /a) (7) gdzie: F siła odkształcająca na jednostkę długości τ maksymalne naprężenie ścinające v prędkość drukowania szerokość warstwy fary a gruość warstwy fary. Pracę odkształcenia (adhezji) W a w słupie fary przedstawiono uwzględniając minimalną odległość δ potrzeną do utworzenia nowych (przy rozdzieleniu) powierzchni podziału jako: W a = v ( 3 /a 3 ) δ + 3 / θ ( /a) δ (8) Dla słupa fary w procesie drukowania, drugi człon powyższego równania nie ma znaczenia, ponieważ po przejściu fary przez zespół farowo-drukujący, fara zachowuje się jak ciecz newtonowska i praca odkształcenia (adhezji) jest w postaci: W a = v ( 4 /a 3 ) δ. Po przyrównaniu prawych stron równań na wyrażenie W a powierzchnia rozerwania słupa fary wynosi: c = ( v ( 4 /a 3 ) δ)/σ i uwzględnieniu zgodnie z modelem, że c = y oraz x = y/ctg α, otrzymano wyrażenie na wielkość x, która oznacza odległość od powierzchni, na której zachodzi rozerwanie warstwy fary od powierzchni formy drukującej: v δ x = (9) 1 3 ctgα 1 α σ Analizując powyższe wyrażenie, wykazano, że przenoszenie fary jest możliwe, jeśli gruość warstwy fary na formie a przewyższa określoną, zdefiniowaną wielkość. Graniczną wartość gruości warstwy na formie a 0, powyżej której odywa się przenoszenie fary z formy na podłoże drukowe można oliczyć poprzez przyrównanie prawej strony równania do zera: v δ a = a 3 0 = (10) σ Wielkość a 0 oznacza nie pracującą warstwę fary, która po procesie drukowania pozostaje na formie drukowej i nie uczestniczy w procesie przenoszenia fary. Określono wartość warstwy nierooczej a o w drukowaniu fleksograficznym, przyjmując następujące dane: lepkość fary fleksograficznej na poziomie 0,1 Pa s, napięcie powierzchniowe, na granicy z powietrzem, równe napięciu powierzchniowemu wody N/m, prędkość drukowania 5 m/s, szerokość warstwy fary, przy liniaturze rastra 34 linii/cm (strona kwadratu rastrowego wynosi, m i przy warunku, że pole elementu rastrowego na formie równe jest połowie pola kwadratu rastrowego) wynosi 1, m. Najtrudniej jest ocenić wielkość δ, minimalnej odległości potrzenej do utworzenia nowych powierzchni podziału. Przy rozdzieleniu warstwy fary zmienia się siła rozrywania, którą z pracą kohezji można porównać tylko jakościowo. Kohezja przedstawia soą pracę rozdzielenia warstwy fary z utworzeniem nowych międzyfazowych powierzchni. Przy tym powierzchnie te powinny yć oddzielone jedna od drugiej odległością przynajmniej równą oddziaływaniu sił międzycząsteczkowych przyciągania rzędu 10 3 Å. Fary przedstawiają soą koloidalne układy dyspersyjne (średni rozmiar cząstek pigmentów w farie fazy rozproszonej wynosi rządu od 1 nm do nawet 500 nm), których rozdzielenie z utworzeniem nowych powierzchni może zajść tylko wtedy, gdy minimalna odległość między nimi ędzie przynajmniej równa średniemu rozmiarowi cząstek pigmentu. Wartość δ przyjęto1 μm. Wyznaczona wartość parametru a o wyniosła 0, m (0,53 μm). Na podstawie przedstawionych wyżej zależności współczynnik przekazywania fary K P określono jako: x v δ (11) K P = = 1 3 a ctgα 1 a σ Charakterystyki zmian współczynnika przekazywania fary K P w funkcji ilości fary nanoszonej na formę drukową a i, oliczonego według modelu i wynikające z adań procesu przedstawiono na rys. 3. OPAKOWANIE 3/008 7

5 Ciekawe okazały się wyniki po rozdzieleniu cieczy między dwiema rozsuwającymi się powierzchniami niechłonnymi. W postaci oiektów adań cieczy zastosowano wodę destylowaną i 85% roztwór gliceryny w wodzie, który może yć modelem far fleksograficznych, dzięki ich polarności i niskiej lepkości. Jako podłoża wykorzystano różnorodne materiały cynk, poliamidy, poliefiry, poliwinylchlorydy i in. Zależność współczynnika przenoszenia fary K P od prędkości rozsuwania płaszczyzn (drukowania) przedstawiono na rys. 80. Na wykresie widać trzy etapy tej zależności. Prędkość przemieszczenia powierzchni stałych w pierwszym etapie są na tyle małe, że w ciągu całego procesu deformacji, aż do rozrywania, menisk cieczy, jak to widać z rys. 81a, zdąży przyjąć formę równoważną. Proces przenoszenia fary można uważać za quasi-równoważny. Znaczenie współczynnika przekazywania fary K P w tym zakresie zależy od rodzaju powierzchni. Im lepiej ciecz zwilża powierzchnię, tym w większym stopniu przenosi się ona na nią. W adaniach określono zależność K P od składu chemicznego cieczy. Oliczenia pracy adhezji przeprowadzano według równania Junga-Diupre, przyjęto napięcie powierzchniowe 85% roztworu gliceryny w wodzie równe N/m. Dla takich samych powierzchni, w tym zakresie, K P ma tę samą wielkość. Przy przejściu do drugiego etapu (rys. 80), ze zwiększeniem prędkości charakter deformacji radykalnie się zmienia. Zwężenie warstwy, jak to widać z rys. 81, nie odywa się. Oserwacja klatek filmu zroionych z prędkością 500 klatek/s pokazała, że w warstwie pojawiają się wewnętrzne puste przestrzenie i przy rozrywaniu fary powodują pojawienie się nitek. Występuje wrażenie że ojętość fary zwiększa się, co jest oczywiście niemożliwe. Rys. 3. Zmiany współczynnika przekazywania fary K P w funkcji ilości fary nanoszonej na formę drukową a i: 1 krzywa teoretyczna, krzywa dla podłoży nie chłonnych, 3 krzywa dla podłoży chłonnych Przedstawione krzywe przekazywania fary rozpoczynają się od określonej ilości fary na formie równej a 0, ponieważ przy ilości fary na formie a a 0 wielkości x=0 i K P =0. Zależność K P = f (a i ) wyznaczono przy zachowaniu stałych parametrów fary i stałej prędkości drukowania. Krzywa teoretyczna 1 ma charakter zliżony do leżącej poniżej niej krzywej eksperymentalnej, którą otrzymano dla przypadku przekazywania fary na niechłonne podłoże drukowe (L.A. Kazarowicki). Przy przekazywaniu fary na szorstką, chropowatą powierzchnię kąt nachylenia krzywej maleje. Związane jest to z zapełnianiem przez farę nierówności powierzchni podłoża drukowego. Dlatego przy przekazywaniu fary na papier przekazywana jest większa ilość fary niż na podłoże niechłonne. Przytoczone zależności są wyrażeniami przyliżonymi. Nie uwzględniono w nich owiem pracy adhezji fary do materiału formy i podłoża drukowego, i odpowiednio wpływu właściwości geometrycznych ich powierzchni, takich jak chropowatość, porowatość itp. Zupełnie zignorowano prędkość (czas) rozdzielenia warstwy fary. Z zależności na siłę rozrywającą słup warstwy fary: F = S ( x /x) (1/t) wynika, że ze zwiększeniem prędkości wielkość deformacji plastycznej dąży do 0. Rozdzielenie warstwy ędzie miało charakter rozrywania sprężystego. Przy takich warunkach kohezja warstwy fary może przekroczyć jej adhezję do powierzchni (formy, podłoża), co nie daje możliwości realizacji procesu drukowania w ogóle. Widać, że w każdym jednak wypadku przenoszenie fary może mieć przypadkowy, nieprzewidywalny charakter. Przejście z pierwszego do drugiego etapu jest związane z zakłóceniem w warstwie fary przy jej deformacji. Wyższe prędkości wytwarzają naprężenie, które przekracza pracę kohezji, ponieważ puste przestrzenie pojawiają się symetrycznie, co powoduje symetryczne rozrywanie warstwy. Wraz ze wzrostem prędkości współczynnik przekazywania fary maleje i dąży do stałej wartości równej 0,5, czyli warstwa fary rozdziela się w przyliżeniu na pół. Znaczy to, że połowa warstwy fary zostaje na formie, połowa natomiast jest przekazana na podłoże drukowe. Właściwości powierzchni formy i podłoża wpływają na współczynnik przenoszenia K P tylko w pierwszym etapie. W przypadku zmniejszenia lepkości fary następuje przesunięcie drugiej strefy w kierunku większych prędkości. Ale we wszystkich wypadkach (materiał powierzchni, lepkość, napięcie powierzchniowe far) zachowuje się ogólny charakter. Zachowanie adanej cieczy modelowej nie może w pełni odzwierciedlić zachowania rzeczywistych far drukowych, ponieważ te ciecze nie są pigmentowanymi systemami dyspersyjnymi. Graniczne prędkości dotyczą w pierwszej kolejności dyspersyjnych i wysoko molekularnych systemów, jakimi są fary fleksograficzne. Dlatego zaezpieczenie stailności procesu drukowania, związane ze zwiększeniem prędkości drukowania maszyn jest ardzo ważne. Opracowano także doświadczalnie wartości współczynników przenoszenia fary w zespole farowym na podstawie ilansu masowego fary [15]. Przyjmując, że kałamarzyki cylindra rastrowego przenoszą farę o ojętości X i warstewka fary, którą mierzono na zadrukowanym podłożu ma gruość Y, wyprowadzono równanie: a Y = X (1) = X s a a 1 + gdzie: a, odpowiednio współczynniki przenoszenia fary w strefach styku cylindrów: rastrowego i formowego oraz formowego i podłoża drukowego, s współczynnik całkowity przenoszenia fary w zespole farowo drukującym. Wyznaczono, że współczynnik przyjmuje wartości 0,4 0,55%. Z analizy zależności s = f (a, ), przedstawionej na rys. 4 wynika, że na całkowity współczynnik przenoszenia fary s wpływa w większym stopniu współczynnik a niż. Rys. 4. Zależność całkowitego współczynnika przenoszenia fary od współczynników przenoszenia fary w strefach jej podziału a i 8 OPAKOWANIE 3/008

6 W innych adaniach empirycznych otwartych zespołów farowych, dwucylindrowych opracowano charakterystyki i nomogramy przenoszenia fary na podłoże z form elastomerowych. Wyprowadzono teoretyczną zależność uwzględniającą parametry procesu drukowania [16]: P r h P r v h + = 0 (13),68 K 4 K gdzie: h gruość warstwy fary na podłożu, P docisk drukowania, K moduł odkształcenia ojętościowego formy przy danej jej twardości, lepkość dynamiczna fary, r średnica cylindra formowego, v prędkość drukowania. Opracowano charakterystyki gruości transferowanej fary (rys. 5) w zależności od prędkości drukowania przy zastosowaniu różnych: twardości form (K 1 = 1, kpa, K =, kpa), średnicy cylindra (r 1 = 0,05 m, r = 0,09 m), docisku drukowania (P 1 = 800 kn/m, P = 1000 kn/m ) i lepkości fary ( 1 = 0,05 kg/m s, = 0,10 kg/m s). (lack o lepkości 0,015 Pa s) inną farą, która zawierała 4,88 mg Cd/g. Ilość przenoszonej fary na papier gazetowy określano przez wykonanie analizy spektroskopii Cd (popiół z nadruków). Okazało się, ze większa ilość fary yła przenoszona w przypadku zastosowania far rozpuszczalnikowych w porównaniu z wodorozcieńczalnymi. Ustalono, że ilość frakcji dronej w podłożu drukowym odgrywa istotną rolę, owiem wraz z jej wzrostem następuje wzrost ilości przekazanej fary i zwiększenie gęstości optycznej druku apli, ale znacznie też rośnie przyrost punktów rastrowych na oditce [19, 0]. Współczesna literatura, głównie firm produkujących cylindry rastrowe podaje wiele danych dotyczących podziału fary w praktycznych warunkach procesu drukowania, które różnią się nieznacznie między soą. Zakłada się, że z kałamarzyków na formę drukową przenoszone jest około 40 60% ilości fary w stosunku do wyjściowej pojemności jednostkowej cylindra rastrowego. Zrzeszenie fleksografów DFTA do oliczeń teoretycznych przyjmuje podział warstw fary, w ou strefach, równy 50%. Według danych firmy Praxair, cylinder rastrowy przenosi 30 60% fary na formę, a z formy na podłoże 46 54%. Dane przedstawione przez Flexoprint określają powyższe wielkości na poziomie: 40 50% i 4 55%. Z kolei firma Apex podaje, że praktycznie aż 40 50% ilości fary pozostaje w kałamarzykach za strefą kontaktu cylindra rastrowego z formą. Firmy Harper Corporation, Zeller i Aplex podają, że tylko 5 35% fary z kałamarzyków cylindra rastrowego przekazywanej jest na podłoże drukowe. Przy zastosowaniu far UV przekazywanie jest na niższym poziomie, zaś w przypadku far mniej lepkich, dyspersyjnych i rozpuszczalnikowych ilość fary jest większa [13, 1, ]. Przykłady podziału fary od cylindra rastrowego, poprzez formę do podłoża przedstawiono na rys. 6. Rys. 5. Charakterystyki przenoszenia fary na podłoże z form elastomerowych Do adań laoratoryjnych procesu przenoszenia far fleksograficznych stosowano profesjonalne urządzenia testowe. Przykładowo: aparat Prufau Multipurpose Printaility Tester specjalnie zmodyfikowano w celu umożliwienia symulacji techniki fleksograficznej [17]. Wykonano adania przenoszenia far rozpuszczalnikowych i wodorozcieńczalnych na folię PE i tekturę litą. W urządzeniu kontrolowano dociski pomiędzy cylindrami: rastrowym i formowym oraz formowym i dociskowym przy zmiennej prędkości drukowania do 6 m/s. Przenoszenie fary na podłoże drukowe określano metodą wagową. Powtarzalność pró yła rzędu ± % dla większych pojemności cylindrów (6 1 cm 3 /m ) i ± 10% dla małych pojemności (3 4 cm 3 /m ). Ustalono m.in., że przenoszenie fary z formy drukowej na folię jest na poziomie 39 48%, zaś gruość warstwy mokrej fary wynosi 1 4 μm. Wydruki testowe wykonane farami rozpuszczalnikowymi w porównaniu do far wodnych yły ardziej równomierne i miały wyższą gęstość optyczną przy tych samych parametrach drukowania. Z kolei w instytucie adawczym PAPRO, w Nowej Zelandii, do adań laoratoryjnych procesu przenoszenia far na tekturę wykorzystano profesjonalny dla fleksografii, aparat IGTF1. Badania druków testowych, przy tych samych parametrach, wykonano także na maszynie drukującej. Uzyskane wyniki yły w miarę porównywalne [18]. Do oceny procesu przenoszenia far fleksograficznych zastosowano również metodę zastąpienia adanej fary Rys. 6. Przenoszenie fary w zespole farowym wg danych firmy Apex, K komora raklowa i cylindry: CR rastrowy, CF formowy, CD dociskowy Podsumowanie Przedstawiona analiza przeglądu wyranej literatury naukowej i technicznej rozważań związanych z procesem przenoszenia fary wykazała, że ardzo ważnym czynnikiem prowadzenia adań transferu fary we fleksograficznym zespole farowo-drukującym jest znajomość charakterystyki materiałowej i użytkowej takich elementów składowych, jak: cylindr rastrowy, forma, fara i podłoże. Wzajemna ich relacja oraz dostosowanie optymalnych parametrów drukowania pozwala na uzyskanie spodziewanej jakości drukowania. Wyniki analizy literatury pozwoliły autorom pracy adawczej na wyór i opracowanie metodyki własnych adań eksperymentalnych, które dały podstawę do przeprowadzenia teoretycznych adań symulacji procesu w pakiecie programu MATLAB-Simulink [3 5]. Druki testowe wykonano na aparacie testowym IGT F1 i maszynie fleksograficznej Mark Andy 830x7 przy zastosowaniu fary wodorozcieńczalnej PMS Red 03 (Michael Huer). OPAKOWANIE 3/008 9

7 Na wstępie dokonano pomiarów własności fizycznych zastosowanych w adaniach materiałów poligraficznych: Dla podłoży papierowych: papier znaczkowy (PWPW) (zwój, arkusze), etykietowy Magnoqueen Plus (arkusze, zwój) 80 g/m, powlekany łyszczący Polaris Gloss(arkusze) 80 g/m, karton pudełkowy Strompack (arkusze) 00 g/m, tzw. trwały, określono szereg właściwości, oprócz ich gramatury i gruości, m.in.: gładkość (metodą Bekka), chłonność (wartość Coa i PDA Penetration Dynamics Analyzer), właściwości powierzchniowe w stosunku do wody statyczne i dynamiczne (goniometr PGX Firo Systems AB), profil chropowatości powierzchni (profilometr Surtronic +3 firmy Taylor Hoson). Dla czterech rodzajów form drukowych, aplowych i testowych: konwencjonalnych naświetlanych przez negatyw, Nyloflex ACE 170 (BASF) i Cosmolight NS 170 (Toyoo wymywana wodą) oraz cyfrowych naświetlanych w technologii CTP, Nyloflex FAH 170 D II (BASF) i DFH 67 (Du- Pont oraianych na sucho technologią Cyrel Fast), określono szereg właściwości, oprócz ich gruości i twardości ( 0 ShA), m.in.: właściwości powierzchniowe w stosunku do wody statyczne i dynamiczne, profil chropowatości powierzchni, wykorzystując aparaturę wyżej wymienioną. Dla cylindrów rastrowych: pięciu testowych IGT o liniaturze 180 linii/cm i pojemności 4, 6, 8 cm 3 /m i dwóch o liniaturze 50 i 500 linii/cm i pojemności, odpowiednio 5, 4 cm 3 /m (f-my Cheshire) oraz testowego dla maszyny poligraficznej posiadającego 3 strefy kałamarzyków o liniaturach 180, 00 i 300 linii/cm i pojemności, odpowiednio 8, 5 i 4,3 cm 3 /m (f-my Zecher), określono ich aktualny stan eksploatacyjny, m.in.: poziom pojemności farowej (paski Capatch, mikroskop Cellstore) i właściwości powierzchniowe w stosunku do wody statyczne i dynamiczne. Z przeprowadzonych adań w Instytucie Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej wynika m.in., że wyór optymalnych parametrów prowadzenia procesu drukowania powinien yć oparty na analizie wartości empirycznych i symulacyjnych współczynnika przenoszenia fary K P z formy na podłoże drukowe w zależności od podstawowych wielkości prowadzonego procesu wartości docisków w strefach przenoszenia fary, prędkości drukowania i właściwości fizycznych charakteryzujących formę, farę i podłoże. LITERATURA [1] Stępień K., Khadzynowa S.,Leks-Stępień J.: Czynniki wpływające na przenoszenie fary we fleksografii, Opakowanie, 3, 7, 007 [] Stępień K., Khadzynowa S.,Leks-Stępień J.: Wpływ materiałów poligraficznych na przenoszenie fary w technice fleksograficznej, Opakowanie, 3, 37, 007 [3] Tihonow W.: Spiecialnyje sposoy pieczati. Razdieł fleksografia, Moskwa, Wydawnictwo MPI, 1991 [4] Stępień K.: Cylinder, forma, podłoże wpływ właściwości powierzchniowych na jakość druku, Świat Druku, nr 10, 34 (001) [5] Stępień K., Leks-Stępień J., Khadzynowa S.: Czynniki wpływające na przenoszenie fary we fleksografii, Międzynarodowa Konferencja N-T, INPAP-ROGOWIEC 006, Słok k. Bełchatowa, [6] Stępień K., Gnatiszak O., Mikitiw N.: Właściwości powierzchniowe cylindrów rastrowych dla techniki fleksograficznej, Jakość książki, Lwów, 8,11,005 [7] Radomski S.: Równania opisujące ezpośrednie przenoszenie fary na papier w procesie drukowania, cz. I II, Poligrafika, 1,308,1980, 1, 19,1981 [8] Stachowicz S., Kamińska M.: Ilościowe przenoszenie fary w procesie drukowania, Poligrafika,1, 70, 00 [9] Zang I.H.: A New approach for modeling ink transfer, Tappi Journal, 76, 7, 97, 1993 [10] Jarema C.M.: Fleksografia. Oładnania technologia, Kijów, Wydawnictwo LIBID, 1998 [11] Bohan M., Townsend P., Hamlyn S., Claypole T., Gethin D.: Evaluation of pressures in flexographic printing, Technical Conference TAGA, Montreal, 003 [1] Cozzens S., Butto A., Schaeffer W., Zettlemoyer A.: Ink penetration during high-speed printing of uncoated paper, Advances in Printing Science and Technology, p. 1-3, 1965 [13] Harper K.: Aniloksowyje wały: tieoria i praktyka (tłumaczenie z języka angielskiego) cz.1. Flexoplus nr 6, 16, 003), cz.. Flexoplus nr 1, 30 i nr, 40, 004 [14] Johnson J., Rättö P., Lestelius M., Järnström L.: Dynamic Nip Pressure in Flexographic CI-Printing Press, Nordic Pulp and Paper Journal, 19, 84, 004 [15] Włodarczyk E.: Przenoszenie fary w fleksodruku, artykuł z Flexoprint 10, 1995, Świat Druku 1, 1995 [16] Unit Operations of Converting, Unit Operation Printing, cz., The two-roll ink distriution system, 43-51, 001 [17] Gallager J,E., Micale F.J.: Measurement of Flexographic Ink Transfer on a Modified Prufau, TAPII Proceedings, International Printing & Graphic Arts Conference, 199, 1996 [18] Chalmers I.R.: Flexographic printaility of packaging grade papers, Appita Journal, 51, 3, 193,1998 [19] Aspler J.S., Eland M.C., Boluk M.Y., Dalphond J.E.: Transfer and setting of water-ased ink A new flexographic proof press, TAGA Conference, Motreal, Pulp and Paper Research Institute of Canada, Technical Association of the Graphic Atrs, 07, 003 [0] Aspler J.S., De Grace J.H., i in.: Transfer and setting of water-ased ink. Part II: ph, Water asorency and uncoated paper structure, Journal of Pulp and Paper Science, 19, 5, J03, 1993 [1] Aleksaszenko M.: Parametry wlijajuszczieje na kacziestwo fleksografskoj pieczati, Drukarstwo młode, Kyjiw, 006 [] Baraasz W.: Aniloxy czyli wałki rastrowe, rodzaje, kryteria dooru, wpływ na jakość druku, Opakowanie 3, 6, 003 [3] Stępień K., Leks-Stępień J., Khadzynowa S.: Wpływ parametrów technologicznych na jakość oditek fleksograficznych, X Juileuszowa Międzynarodowa Konferencja N-T, IN- PAP, Słok k. Bełchatowa, 007 [4] Stępień K.: Badania i symulacja transportu fary przez fleksograficzne zespoły farowe, X Juileuszowa Międzynarodowa Konferencja N-T, INPAP, Słok k. Bełchatowa, 007 [5] Stępień K. i in.: Projekt 3 TO8E 065 8, MNiSzW, Departament Badań Naukowych 005/07 Tematyka następnych wydań: nr 4/008 (kwiecień) Opakowania metalowe nr 5/008 (maj) Prolemy ekologiczne w gospodarce opakowaniami METALIZOWANIE I CIĘCIE Folii PET, PP, PE, PVC MF Firma Kutno, ul. Grunwaldzka 3 tel. (04) , fax (04) tel. kom. (0601) OPAKOWANIE 3/008