CC BY
28
ПОЛИГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 655.222.6
В. З. Маик, кандидат технических наук, доцент, проректор (УАП, г. Львов, Украина)
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА ШТАМПОВ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ТИСНЕНИЯ
В статье представлены результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств полимерного материала для изготовления лазерным гравированием штампов горячего тиснения. Приведены данные эксперимента по исследованию свойств материала с использованием термического механического анализа, динамического механического анализа и эластомера.
The article presents the results of experimental studies of physical and mechanical properties of the polymer material for hot stamps production by laser engraving. It gives the experimental data on the research of the material properties using thermal mechanical analysis, dynamic mechanical analysis and elastomer.
Введение. На основе анализа литературных источников [1-10] с учетом специфики эксплуатации штампов для тиснения при температурах 90-150°С целесообразно провести экспериментальное исследование физико-механических свойств разработанного полимерного материала [11], что позволит определить его пригодность для изготовления штампов для горячего тиснения. Согласно формуле изобретения, полимерная композиция для изготовления штампов включает ненасыщенный компаунд, эпоксидно-диановую смолу, малеиновый ангидрид, оксид кремния и сажу.
Экспериментальное исследование физико-механических свойств. Термомеханические свойства полимерного штампа изучались с использованием метода термического механического анализа (ТМА). Измерения проводились на приборе конструкции кафедры полиграфического материаловедения и химии Украинской академии печати при нагрузке 0,15 МПа на образец и скорости нагревания 3 °С/мин. Образец для исследований изготавливался в виде цилиндра диаметром 10 мм и высотой 2,75 мм.
Деформационные свойства под действием переменной нагрузки на материал определялись на эластомере Чехмана [12]. Зависимость деформации полимерного образца штампа от температуры представлена на рис. 1.
Переходы полимерных материалов из одного состояния в другое удобно регистрировать с помощью термомеханического метода исследования, основанного на измерении зависимости деформации полимера от температуры при действии на него постоянной нагрузки в течение определенного времени. Термомеханическая характеристика может служить критерием стойкости полимерного слоя к действию температур и давления.
Исследуемый полимерный материал имеет пространственно-сшитую структуру, большую плотность поперечных сшивок.
£, %
5,0" 4,5" 4,0' 3,5" 3,0" 2,5"
0
—I—
20
-л—
40
-1—
60
-1—
80
—I—1—I—1—I—1—I
100 120 140 Т, °С
Рис. 1. Термомеханическая кривая материала полимерного штампа для тиснения
Хотя вначале термомеханическая кривая увеличивается, но относительная деформация даже при 146°С составляет 4,9%. Материал штампа характеризуется небольшими деформациями, что свидетельствует о полностью сшитой структуре материала и высокой термостойкости в рабочем диапазоне эксплуатации штампа.
Исходя из химических соображений (корреляций между структурой сетчатых полимеров и их свойствами), можно полагать, что физико-механические и термические (теплостойкость) свойства исследуемой композиции будут в основном определяться первыми тремя ингредиентами, образующими химическую сетку при отверждении (структурировании).
Для оценки влияния органических ингредиентов, составляющих связующую основу рас-
40
ISSN 1683-0377. Труды БГТУ. 2014. № 9. Издательское дело и полиграфия
сматриваемого композита, на его прочность и теплостойкость исследован модельный термо-сет (образец № 43 по внутренней нумерации изготовления образцов) следующего состава (мас. %): ненасыщенный компаунд - 84; эпоксидно-диановая смола (ЭД-20) - 15; малеино-вый ангидрид (МА) - 1. Подробно характеристики образца и режим исследования приведены в таблице.
Характеристики модельного термосета (образец № 43)
Образец, наименование характеристики Единица измерения Значение характеристики
Состав: - ненасыщенный компаунд, п020 = 1,589 Мас. %
84
- эпоксидно-диановая смола ЭД-20 15
- малеиновый ангидрид 1
Режим отверждения °С/ч 150/2, 160/2, 160-180/0,5, 180/1, 180-220/0,5, 220/1, 220-260/0,5, 260/1
Тангенс угла механических потерь при 310°С, гя 5(шах) 0,340
Зависимость динамического модуля Юнга log E (Па) и тангенса угла механических потерь tg 5 от температуры T (°C) для композиции № 43, термически отвержденной по вышеуказанному режиму, приведена на рис. 2. Частота 660 Гц, размеры образца 20,00x3,25x1,10 мм.
log E, Па 9,6 -
9,2 -
8,8 -
8,4 -
8,0 -
7,6 -
IT log/ tg 5 [Ф
1 1 1 1 " 1 1 1 G 1 О \ / Кб Ч о \ о о \ о
1 1 1 1 1 i
1 1 Lo-ab-öSB 1 Jöö* \ [
0,3 0,2 0,1 0,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Т, °С
Рис. 2. Зависимость динамического модуля Юнга и тангенса угла механических потерь от температуры для композиции № 43
tg 5 0,4
Динамический механический анализ (ДМА) литого образца, полученного по вышеуказанному режиму, показывает довольно высокий динамический модуль Юнга как при комнатной температуре (28,7 ГПа или 28 700 кг/см2), так и при 200°С (1,83 ГПа).
На основе экспериментальных данных построена диаграмма сжатия полимерного материала (рис. 3). Деформационные свойства полимерных материалов оцениваем по кривым напряжение - деформация (а - е) в процессе погрузки и разгрузки материала. Нагружаем образец полимерного материала к максимальной деформации е при а = 4,5 МПа и после этого снимаем нагрузку с такой же скоростью до а = 0. Кривые сжатия и восстановления не совпадают, образец полностью не восстанавливается, а имеет остаточную деформацию. На ход кривой а - е влияет релаксационный характер деформаци, который проявляется в отставании деформации от напряжения и наличия остаточных деформаций после снятия нагрузок (гистерезис).
а, МПа
4
3 -21
0Н
0
8 £, %, х10-
Рис. 3. Диаграмма сжатия и релаксации
материала штампа при переменной нагрузке
С точки зрения термодинамики, работа А, которая затрачивается на деформирование, полностью возвращается при упругой деформации и частично превращается в тепло (<2) при высокоэластичной. Это означает, что в цикле сжатие - восстановление необратимо теряется часть работы, затраченная на деформирование. Эта работа пропорциональна площади под петлей гистерезиса и данную часть работы называют механическими потерями. Величина механических потерь зависит от условий деформирования. При высокой скорости (например, при печати, тиснении) и, соответственно, при небольшом времени деформирования структура полимерного материала изменяется минимально, за время восстановления может пройти полная релаксация, и механические потери будут незначительными.
Полиграфические материалы
41
Заключение. В работе исследованы физико-механические свойства материала для изготовления штампов горячего тиснения при наложении температурного поля и при комнатной температуре. Установлено, что в температурном диапазоне эксплуатации штампов материал имеет высокие механические показатели, что позволяет эффективно его использовать в технологии изготовления штампов методом лазерного гравирования.
Литература
1. Ма1'к В. З. Тиснення: технологи, матерiа-ли, устаткування. Львiв: МЕТА, 1997. 174 с.
2. Маик В. З. Процессы тиснения для облагораживания полиграфической продукции // Полиграф. пром-сть. 1999. № 1. С. 20-26.
3. Ма1'к В. З. Технологи тиснення i фольгу -вання // Палгтра друку. 2004. № 6. С. 47-53.
4. Маик В. З. Физико-механические свойства полимерных материалов для изготовления штампов // Полиграф. пром-сть. 1996. Вып. 3. С. 14-18.
5. Мак В. З. Штампи для гарячого тиснення // Палгтра друку. 2006. № 1. С. 75-77.
6. Ма1'к В. З. Теоретичш основи процеав тиснення полiграфiчноl продукци // Квалшопя книги. 2008. № 2 (14). С. 43-62.
7. Бернацек В. В., Лазаренко Э. Т., Коваленко Б. В. Печатные свойства штампов из фотополимеров и фотомономеров // Полиграфия. 1970. № 12. С. 16-18.
8. Фотополимеры: твердые или жидкие? / О. Белицкий [и др.] // Полиграфия. 1974. № 8. С. 27-29.
9. Гладилович М. К., Копыл Н. В., Петру-шева Г. А. Применение фотополимерных штампов для горячего тиснения фольгой на деталях пластмасс // Обмен опытом в радиопромышленности. 1983. Вып. 5. С. 5-6.
10. Фотополимерные штампы из твердых и жидких фотополимеризующихся систем / Б. В. Коваленко [и др.] // Полиграф. пром-сть: реф. ин-форм. 1972. Вып. 4. С. 80-82.
11. Спошб виготовлення штамтв для тиснення лазерним гравдаванням та полiмерна композищя для його реашзацл: пат. 92087 Украина, МПК (2009) В 23 К 26/00, В 32 В 27/38, В 41 С 1/00 / В. З. Мш'к, Б. О. Зайцев, I. Д. Швабська, Л. Г. Слепцова, Г. Храмова. № 92087; заявл. 29.12.2008; опубл. 27.09.2010. Бюл. 2010. № 18.
12. Чехман Я. И. Определение физических характеристик упруго-пластических материалов при сжатии // Научные записки УПИ им. И. Федорова. Львов: Изд. ЛГУ. 1958. Т. XII, Ч. I. С. 209-217.
Поступила 20.03.2014
