CC BY
13
УДК 655.3.022.42; 678.019.253
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФЛЕКСОГРАФСКИХ ФОРМ В ПРОЦЕССЕ ИХ НАБУХАНИЯ
В.Ю. Конюхов, Л.Ю. Комарова, Е.Г. Шаймарданов
Исследованы высокоэластические деформационные свойства флексографских форм в процессе их набухания в различных растворителях, применяемых в полиграфических технологиях. Полученные данные обработаны в соответствии с уравнением модели Кельвина-Фойхта, определены постоянные модели и времена релаксации в исходном и набухшем фотополимерном слое печатной формы.
Ключевые слова: флексографская форма, набухание, относительная деформация, время релаксации.
Введение. Флексографские печатные формы в процессе их изготовления и эксплуатации взаимодействуют с различными жидкими средами: вымывные жидкости, смывки, растворители и добавки в составе печатных красок и т. п. В результате прямого контакта печатные формы в той или иной степени поглощают жидкую субстанцию, т.е. набухают. Набухание приводит к изменению деформационных свойств заполиме-ризованной твердой формы, и как следствие, к растискиванию в зоне печатного контакта ее растровых точек, что вызывает необходимость корректировки технологических параметров печати и в итоге снижает качество печатной продукции [1]. В этой связи исследование изменения высокоэластических свойств флексоформ в процессе их набухания в низкомолекулярных жидкостях, применяемых в полиграфии, актуально и научно востребовано.
Физической моделью, описывающей развитие высокоэластической деформации во времени, может служить модель Кельвина-Фойхта [2], состоящая из параллельно соединенных элементов - упругого (с модулем упругости Е) и вязкого (с вязкостью П). Кинетика развития высокоэластической деформации полимера во времени в согласии с указанной моделью передается уравнением:
- е
с п1
! = - (1 - е п ) (1)
Е
Здесь у - относительная деформация образца полимера, с - напряжение, вызывающее его деформацию. Обозначим максимальную относительную деформацию при условиях опыта как у» = с/Е - это предел, к которому стремится кинетическая кривая, описываемая уравнением (1) при I ® ¥.
Раскрыв скобки в (1), получаем выражение:
Е
* *--(
с с п
--у = — е 1
ЕЕ
или
Е —/ О п
У ¥- У = -• е п (2)
Е
Если обозначить (у~ - у) как Ду и (у» - 0) как Ду о = — , то из (2) можно прийти
Е
к уравнению, аналогичному уравнению, описывающему кинетику релаксационных процессов [2]:
Ду = Ду0 • е т (3)
П
Сравнение (2) и (3) дает — = т - время релаксации образца полимера. Лога-
Е
рифмирование уравнения (3) приводит к его линейной форме:
1и(Ау) = 1и(АУо) -1 • х (4)
т
В свою очередь (4) можно представить как:
i Kv\
ln
Ag
—•t (5)
т
Ag
Из (1) и (5) следует, что получив зависимость относительной деформации образца g полимера от времени t и расположив опытные данные в координатах g = f(t), можно определить g», а из него вычислить Ag и Ago. Далее тангенс угла наклона прямой ln(Ago/Ag) = f(t) дает время релаксации полимера.
Данная работа посвящена кинетике развития высокоэластической деформации в исходных и набухших флексографских формах. Получение таких данных позволяет выбрать или корректировать состав флексографских красок и оптимальный режим печати.
Изучению термодинамики и кинетики взаимодействия различных полимеров с низкомолекулярными жидкостями посвящено множество работ. Так, в [2,3] исследовали процесс взаимодействия пленок желатина с водой. Набухание полимера рассматривали как процесс одновременного протекания диффузии воды вглубь фазы полимера (быстрый процесс) и релаксации объёма фазы к равновесному состоянию под воздействием возникающих напряжений в деформированной полимерной сетке. В работах [4,5,6,7,8,9] изучалась кинетика набухания фотополимерных печатных форм в растворителях, которые входят в состав флексографских печатных красок; в работе [10] проведено сравнение скоростей набухания фотополимера в различных растворителях, показано влияние температуры на процесс набухания. В работе [11] исследовали кинетику набухания и механического поведения полиуретановых покрытий.
Методика проведения эксперимента. Объектом исследования служила флек-соформа полученная из пластины фирмы Jet ARH 170 (Япония). С исходных фотополимерных пластин сверху снимали светозащитную пленку, снизу отслаивали лавсановую основу и экспонировали полученный фотополимерный материал ультрафиолетовым излучением с обеих сторон. Из заполимеризованных таким образом фотоформ вырубали диски диаметром ~15 мм.
На модернизированном толщиномере измеряли исходную толщину диска lo, далее нагружали рычаг толщиномера и через определенные промежутки времени измеряли толщину диска l. Она уменьшалась во времени сначала быстро, а затем все медленнее. Прекращали измерения, когда в течение 0,5 минуты показания микрометра толщиномера не изменялись.
Далее, диски помещали в бюксы с различными растворителями и выдерживали их там в течение недели. Для экспериментов были выбраны следующие растворители: этилацетат, бутилацетат, н-гептан, н-гексан, изопропанол и вода. Все указанные растворители применяют в полиграфическом производстве в качестве компонентов красок, вымывных растворов, растворителей твердых добавок и смывочных жидкостей.
Набухшие диски вынимали из растворителей, сушили фильтровальной бумагой и проводили измерения на толщиномере, аналогичные описанным выше.
Полученные данные по зависимости толщины образцов от времени располагали в координатах уравнения (1). Относительную деформацию g вычисляли по уравнению g = -0-. Из графика зависимости g = f(t) определяли g» = , далее вычисляли Ag и
l0
Ago = E/s. Время релаксации полимера t вычисляли по тангенсу угла наклона в координатах ln(Ag) = f(t).
Результаты и их обсуждение. Для наглядности, в качестве примера на рис. 1 в координатах уравнения (1) приведены кинетические кривые развития высокоэластической деформации в исходной (1) и в набухшей в гептане флексографской форме (2).
Видно, что набухание в гептане сильно изменяет деформационные свойства флексоформы: опытные точки, соответствующие деформациям набухшей формы, располагаются выше точек, передающих деформацию исходной (не набухшей) формы. Предельные значения у» = 0,28 для на набухшей формы и у~ = 0,15 для исходной позволяют утверждать, что при одинаковой о проникновение гептана в фазу полимера почти в 2 раза уменьшает модуль упругости Е модели Кельвина-Фойхта.
На рис.2 в координатах уравнения (5) приведены кинетические кривые развития высокоэластической деформации в исходной (1) и в набухшей в гептане флексо-формы (2).
У
0.30
0,25. ----. . . 2 *
0,20 /
0,15 1 ш щ я
1
0,10 I Ж
0,05
0 20 40 60 мин
Рис. 1. Кинетика развития деформации в исходной (1) и в набухшей
в гептане (2) флексоформы в координатах уравнения (3)
Рис. 2. Кинетика развития деформации исходной (1) и набухшей в гептане (2) флексоформы в координатах уравнения (5)
Видно, что в указанных координатах опытные точки начальной стадии развития деформации группируются вдоль прямых, это свидетельствует о релаксационном её характере, т.е. уравнение вида (3) описывает полученные данные. Время релаксации, вычисленное по тангенсу угла наклона прямых, оказалось равным 12,2 мин для исходной формы и 4,38 мин для набухшей формы. То есть набухание полимера одновременно снижает его упругость и время релаксации - время отклика на внешние деформационные воздействия.
Аналогичные зависимости были получены и для других исследованных растворителей. Результаты вычислений о/Е и 1 приведены в таблице.
477
Параметры модели Кельвина-Фойхта исходной и набухшей в различных растворителях флексоформы фирмы Jet ARH170
Растворитель Предельное значение относительной деформации, о/Е Время релаксации, t, мин
Исходная форма 0,15 12,2
Изопропанол 0,13 11,1
Ацетон 0,17 10,4
Этилацетат 0,25 8,47
Н-Гексан 0,28 7,52
Н-Гептан 0,29 4,38
Бутилацетат 0,52 4,11
Время релаксации, из таблицы следует, что в изопропаноле флексоформа практически не набухала и деформационные ее свойства не изменялись, тоже самое относится и к набуханию в ацетоне. В оставшихся растворителях, особенно в бутилацетате и гептане, набухание и, как следствие, изменение деформационных свойств полимера было существенным.
Заключение. Исследованы деформационные свойства набухших в изопропаноле, ацетоне, гексане, гептане, этилацетате флексоформы фирмы Jet ARH 170. Установлено, что набухание сильно изменяет деформационные свойства полимеров. Наиболее сильные деформации по сравнению с исходными формами наблюдались при набухании форм в бутилацетате и н-гептане. Именно они будут вызывать наиболее сильные искажения при флексопечати. В ацетоне и изопропаноле набухание практически отсутствовало.
Список литературы
1. Сорокин Б. А. Новые способы изготовления флексографских печатных форм. Изд-во Флексо Плюс, 2005. 55 с.
2. Тагер А. А. Физикохимия полимеров. М.: Химия, 2007. 378 с.
3. Сорокин Б. А., Здан О.В. Флексографская печать. М.: Изд-во МГАП «Мир книги», 1996. 192 с.
4. Конюхов В.Ю., Джваршейшвили А.И., Шпынева М.А. Исследование набухания флексографский форм в низкомолекулярных жидкостях // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2011. №2. С. 54-59.
5. Конюхов В.Ю., Бенда А.Ф., Шпынева М.А. Исследование набухания флек-соформ фирмы "Дюпон" // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3. 2013. С. 173-182.
6. Конюхов В.Ю., Штынева М.А., Токманцев Д.Ю., Рекус И.Г. Набухание флексоформ фирмы Toyobo в низкомолекулярных растворителях // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2016. № 4. С. 56 - 62.
7. Konyukhov V.Yu., Shpineva M.A. Thermodynamics of systems: photopolymers low-molecular liquids // J. Chem. Chem. Eng. 2013. Т. 7. № 5. Р. 462 - 467.
8. Байдаков Д.И., Карташева О.А., Комарова Л.Ю. Оценка набухания флексографских печатных форм - методика измерения и результаты // Innovations of publishing, printing and multimedia technologies, 2013. Kaunas. 2013. С. 15-18.
9. Байдаков Д.И. Кинетика набухания сшитых эластомеров в растворителях // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. М.: МГУП, 2013. № 2. С. 3-8.
10. Комарова Л.Ю., Карташева О.А. Сравнительный анализ процесса набухания флексографских печатных форм в различных растворителях печатных красок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 9. С. 130-141.
11. Денисюк Е.Я., Волкова Е.Р. Исследование кинетики набухания и механического поведения полиуретановых покрытий // Высокомолек. соед. А. 2003. Т. 45, № 7. С. 1160 - 1168.
Конюхов Валерий Юрьевич, д-р хим. наук, профессор, заведующий кафедрой, volkon I@mail. ru, Россия, Москва, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева,
Комарова Людмила Юрьевна, канд. техн. наук, доцент, luknew@yandex. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Шаймарданов Егор Галимжанович, магистрант, plow er9@gmail. com, Россия, Москва, Московский политехнический университет
INVESTIGA TION OF HIGHLY ELASTIC PROPERTIES FLEXOGRAPHIC FORMS IN THE PROCESS OF THEIR SWELLING
V. Yu. Konyukhov, L. Yu. Komarova, E. G. Shaymardanov
The article covers the research on the changing of flexo plates' deformation properties during swelling in various solvents that are used in printing industry. The acquired data was processed with the equation from Kelvin-Voigt model, the constant models and times of relaxation of the initial and swelled photopolymer have been determined.
Key words: multilayer material, offset rubber-fabric blanket, solvents, maximum swelling, ink-transferring layer, surface of the material.
Konyukhov Valeriy Yuryevich, doctor of science in chemistry, professor, department chairman, volkon1 @mail. ru, Russia, Moscow, Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,
Komarova Lyudmila Yurievna, candidate of technical science, docent, luknew @yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Shaymardanov Egor Galimzhanovich, undergraduate, plow er9@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
