CC BY
27
Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 6 THE USE OF ROLLING BEARINGS
L.B. Serkova, L.G. Varepo, A.S. Serkov, S.F. Eletskaya, O.A. Kolozova
The influence of the smooth operation of various components of the printing machine on the quality ofprinted products is analyzed. Factors affecting the reliability of rolling bearings for a printing machine are considered. An algorithm is proposed for determining the life of rolling bearings, which makes it possible to evaluate the basic design life and predict its performance.
Key words: printing, bearings, shaft, resource, durability.
Serkova Lyubov Borisovna, assistant, lyubov_borisovna_omgtu@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk state technical University,
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical sciences, professor, larisava-repo@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk state technical University,
Serkov Alexander Sergeevich, postgraduate, sanya_93@bk. ru, Russia, Omsk, Omsk state technical University,
Eletskaya Sofya Fokievna, senior lecturer,kolozovaoaarambler.ru, Russia, Omsk, Omsk state technical University,
Kolozova Olga Alekseevna, senior lecturer, kolozovaoaarambler.ru,Russia, Omsk, Omsk state technical University
УДК 620.1-1-9
РЕЛЬЕФНАЯ МАРКИРОВКА ТЕРМОУСАДОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ,
ОБОЛОЧЕК И ЭТИКЕТОК
Е.П. Черкасов, О.М. Назаренко, А.П. Кондратов
Предложен новый способ записи информации в форме рельефа на поверхности оболочки или пленки из термоусаживаемого поливинилхлорида. Запись информации производится на полиграфическом оборудовании. Конструкция полиграфического оборудования должна быть частично изменена для увеличения времени контакта пленки с жидкой краской на печатной форме. Краска содержит ингредиенты, быстро растворяющие пленку и снижающие локальные внутренние напряжения сжатия в зоне контакта. Показаны форма и размеры элементов рельефа, сформированные на оболочке из термоусаживаемого поливинилхлорида путем трафаретной печати краской, содержащей растворитель - тетрагидрофуран.
Ключевые слова: печать, запись информации, пленка термоусаживаемого поливинилхлорида, полиграфическое оборудование, тактильная (рельефная) маркировка.
Введение. Безопасность современного человека, живущего на урбанизированной территории, пересеченной множеством энергонасыщенных коммуникаций, и окруженного опасными для здоровья продуктами и предметами химического производства, зависит от скорости и
292
однозначности их идентификации. Для быстрой идентификации опасных предметов и коммуникаций применяются: свет, цвет, запах и звук. Много реже используется воздействующий на осязание рельеф оболочек и этикеток. Получение информации «на ощупь» о предметах, соприкасающихся с человеком, в некоторых случаях не имеет альтернативы, а совместное использование зрения и осязания существенно повышает безопасность и комфортность многих бытовых и производственных процессов. По этой причине в стандартах Евросоюза [1] предусмотрена обязательная тактильная маркировка лекарственных средств. Очевидна необходимость рельефной маркировки таких товаров, применяемых в быту, как средства санитарной обработки, косметика, краски, продукты питания, а также сборочные детали и ручные инструменты [2-5]. Тактильная маркировка позволяет осуществлять идентификацию предметов и контроль подлинности товаров массового потребления обычными потребителями и людьми с ограниченными возможностями (слепых или с ослабленным зрением или вниманием). Идентификация «на ощупь» облегчает контроль кабелей и трубопроводов, расположенных в труднодоступных и недостаточно освещенных местах.
Формирование на предметах и материалах рельефных символов тактильной маркировки возможно различными способами с использованием существующих технических средств. Например, для тактильной (рельефной) маркировки листовых полимерных материалов используется оборудование для блинтового или конгревного тиснения [6, 7]. Рельеф на термостойких листовых и рулонных материалах может быть сформирован на полиграфическом оборудовании, реализующем все виды печати, и с помощью ЭБ-принтера [8-14].
Печать и создание рельефа на легкоплавких и термоусадочных материалах, широко применяющихся для изготовления товарных этикеток и оболочек, традиционными способами невозможна вследствие их низкой устойчивости к нагреванию. Для маркировки изделий из термоусадочных материалов предложен оригинальный прием локальной изометрической термообработки, позволяющий без применения красок и дополнительных расходных материалов формировать рельефные изображения и информационные знаки шрифта Брайля [2, 8].
Тактильная (рельефная) маркировка термоусаживаемых материалов основана на двух основных операциях: первая - это локальная термическая обработка в изометрических условиях при определенной температуре и времени выдержки под давлением, вторая - полное нагревание всей этикетки или оболочки на коммуникациях при температуре, превышающей температуру стеклования полимера [15].
Геометрические параметры тактильной (рельефной) маркировки на термоусаживаемых материалах, оболочках, муфтах и т. д. определяются величиной и анизотропией деформации сокращения размеров (усадки) материала в процессе обработки в автоматических агрегатах - аппликаторах потоком горячего воздуха или перегретого водяного пара [16]. Термости-
мулируемая деформация сокращения размеров термоусаживаемого материала на таре, коммуникациях, кабелях, инструментах, рычагах оборудования и т. п. с появлением тактильной (рельефной) маркировки определяется скоростью релаксации внутренних напряжений в полимерных материалах и закономерностями сокращения (сжатия) термоусадочных пленок, подвергнутых локальной изометрической термообработке в местах расположения тактильных (рельефных) символов.
Известно [17], что скорость релаксационных процессов, протекающих в термоусадочных пленках при нагревании, зависит от температуры окружающей среды и состава полимерной пленки. Нами выдвинута гипотеза о возможности ускорения релаксационных процессов в локальных областях термоусадочной пленки, образующих рельеф при нагревании, путем предварительной кратковременной обработки жидкостью с высоким термодинамическим сродством к полимеру, т. е. хорошим летучим растворителем или пластификатором [6, 18].
Цель работы - экспериментальная проверка гипотезы и обоснование возможности тактильной маркировки термоусадочных оболочек и этикеток путем кратковременной обработки жидкостью на полиграфическом оборудовании.
Объекты и методы исследования. Для получения исходных данных, необходимых при разработке способа маркировки, применяли термоусадочную пленку «PVCSF 305 GLQS 50» толщиной 75 мкм производства фирмы «Bilcare Research» пленки и шириной плоского рукава (полупериметр) 50 мм. Состав пленки: поливинилхлорид суспензионный (92 %), диок-тилфталат (4 %), кальция стеарат, полифенилметилсилоксан - 3 %, масло соевое эпоксидированное - 3 %.
В качестве растворителя и пластификатора, совместимого с поли-винилхлоридом, использовали тетрагидрофуран (ЧДА) в форме растворов в дистиллированной воде и базовой краске марки «HIGLOSS VINIL 35800-00».
С целью моделирования процесса кратковременного взаимодействия водных растворов тетрагидрофурана (ТГФ) и пленки поливинилхло-рида разработана методика точной фиксации времени контакта и размеров образцов пленки (изометрический режим набухания пленки и/или частичного растворения). Методика включает установку образца термоусадочной пленки поливинилхлорида в форме круга диаметром 110 мм под герметичную крышку и переворачивание банки на время набухания полимера (1-10 мин). Для поддержания постоянной температуры раствора тетрагидрофурана массивная банка с раствором помещается в термостат.
Для проведения калориметрических исследований структуры пленки использовали дифференциальный сканирующий калориметр (DSC) PC - DSC 204 Phoenix фирмы NETZSCH (Germany). Диаграммы в координатах «сигнал датчика DSC-температура» получали при скорости нагревания 10 °С/мин.
Обсуждение результатов. Получение рельефных символов и изображений, несущих информацию на изделиях из термоусадочных пленок, считываемую человеком визуально и тактильно, основано на технологии интервальных материалов [17, 19], которые могут быть получены из полимерных пленок различными способами, например, путем их локальной термообработки в изометрических условиях горячим штампом [20] или лучом лазера [21]. Интервальные материалы не имеют рельефа и, как правило, не отличаются от исходных пленок по цвету, форме и виду поверхности. Последующая термоусадка интервальных материалов в газообразном или жидком теплоносителях [16] проявляет интервалы, подвергнутые тепловому воздействию, в виде локальных выпуклостей заданной высоты и формы, определяемых режимом термообработки пленки на всех стадиях процесса маркировки (рис. 1).
1
Рис. 1. Вид пленочной оболочки из полиеинилхлорида с маркировкой
до и после термоусадки: 1 - термоусадочная пленка; 2 - скрытая маркировка на оболочке до термоусадки; 3 - рельефная маркировка
после термоусадки
Согласно предложенному и недавно запатентованному в РФ способу [6] интервальные материалы и последующая рельефная маркировка оболочек из термоусадочных пленок могут быть получены путем частичного растворения и/или локального набухания полимера в жидкости [18], типографском лаке или краске. После нанесения на пленку жидкости, содержащей растворитель быстро проникающий (диффундирующий) в поли-винилхлорид, в термоусадочной полимерной пленке снижается уровень внутренних напряжений, изменяются химический состав ингредиентов, надмолекулярная структура и, как следствие, скорость релаксационных процессов при последующей усадке на маркируемом предмете [16]. Изменение свойств полимеров, интервалов, подвергнутых обработке растворителем, обусловливает проявление рельефа после термоусадки оболочек или этикеток на изделии.
Высота выпуклых элементов рельефа (рис. 1) зависит от уровня релаксации внутренних напряжений сжатия на участках пленки, подвергнутых воздействию растворителя, и его температуры. Ожидаемое ускорение
абсорбции по мере увеличения температуры и концентрации водных растворов «маскируется» растворением полимера или вымыванием из пленки ингредиентов. В состав пленки поливинилхлорида входят жидкие ингредиенты - диоктилфталат, полифенилметилсилоксан и эпоксидированное соевое масло. При одностороннем контакте с раствором тетрагидрофурана при 60 0С наблюдается снижение массы образцов пленки поливинилхлорида. Процессы растворения полимера и абсорбции тетрагидрофурана, конкурирующие в изменении массы пленки, снижают уровень и скорость релаксации внутренних напряжений, а также разрушают кристаллические структуры термоусадочной полимерной пленки, удерживающие макромолекулы в ориентированном напряженно-деформированном состоянии.
Таблица 1
Условия и результат одностороннего контакта термоусадочной
пленки поливинилхлорида с раствором тетрагидрофурана
Температура испытания, 0С Концентрация водного раствора тетрагидрофурана, % Увеличение массы пленки после одностороннего контакта с раствором, кг/м3
25 30 280
40 360
50 380
40 30 180
40 230
50 290
60 30 120
40 92
По результатам измерения массы пленки после одностороннего контакта с раствором (табл. 1) определяются условия реализации способа маркировки, обеспечивающие необходимые для каждого конкретного объекта маркировки величины высоты и ширины рельефа (см.рис. 1), возникающего при термоусадке этикеток или оболочек на предметах.
Для нанесения водного раствора тетрагидрофурана на поверхность термоусадочной пленки поливинилхлорида предлагается модернизировать полиграфическое оборудование для способа трафаретной печати с цилиндрической формой [22]. Возможное расположение валов в печатной секции машины типа «Gallus TCS-250» (рис. 2) и схема перемещения «запечатываемой» термоусадочной пленки в модифицированном полиграфическом оборудовании типа «Rotatek brava 450» представлены на рис. 3.
Модернизация оборудования для способа трафаретной печати необходима для увеличения времени контакта термоусадочной пленки по-ливинилхлорида с краской, содержащей тетрагидрофуран, и ее термоста-тирования при температуре, обеспечивающей максимально быструю абсорбцию полимером растворителя, ускоряющую релаксацию внутренних напряжений в пленке [16]. Увеличение времени контакта термоусадочной пленки поливинилхлорида с краской достигается путем изготовления цилиндрической печатной формы большого диаметра и максимально возможным ее охватом пленкой (рис. 4).
Рис. 2. Принципиальная схема трафаретной печатной секции печатной машины типа «Са11шТС8-250» [23]: 1 - запечатываемый материал (оболочка); 2 - формный цилиндр (металлическая сетка); 3 - печатный цилиндр; 4 - направляющий валик; 5 - насос подачи краски; 6 - емкость с краской; 7 - ракель в ракеледержателе
Рис. 3. Принципиальная схема трафаретной печатной машины типа «Яо1а1вкЬгауа 450» [24]: 1 - термоусадочная пленка (оболочка);
2 - печатный цилиндр; 3 - формный цилиндр (металлическая сетка);
4 - термостат; 5 - вытяжная вентиляция
Охват пленкой трафаретной формы в настоящее время не используется при традиционных процессах печати на бумажных и пленочных материалах [22].
Увеличение времени контакта термоусадочной пленки поливинил-хлорида с растворителем может осуществляться на машинах глубокой или трафаретной печати путем пропускания пленки через обогреваемый стол или протяженный конвейер сушки, где одновременно при удалении избытка растворителя с поверхности пленки продолжаются процессы диффузии тетрагидрофурана в объем полимера и обусловленный этим процесс релаксации напряжения на запечатанных участках (рис. 4).
3
0"
+ ) 1 | |
Рис. 4. Предлагаемая схема узла машины для трафаретной печати с дополнительными валами, прижимающими пленку к поверхности ротационной печатной формы увеличенного диаметра: 1 - термоусадочная пленка (оболочка); 2 - формный цилиндр (металлическая сетка); 3 - прижимные валы
После нанесения на пленкусквозь сетку трафаретной формы жидкости, содержащей растворитель поливинилхлорида, под действием диффундирующих в полимер подвижных молекул тетрагидрофурана в термоусадочной пленке снижается уровень внутренних напряжений, изменяются химический состав ингредиентов, надмолекулярная структура и скорость релаксационных процессов. Это подтверждается результатами исследования теплофизических свойств полимера методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) участков пленки, обработанных растворителем (рис. 5).
Процесс подготовки образца к исследованию на ДСК следующий.
Образцы размером 10х10 мм в изометрических условиях полностью опускались в 50 %-й раствор ТГФ при температуре 25 0С на 5 мин. После извлечения из раствора и удаления избытка жидкости образец сушился при нормальных условиях 120 ч, измельчался и запечатывался в перфорированный тигель калориметра (ДСК).
На термограмме, полученной с помощью дифференциального сканирующего калориметра (ДСК), видно, что в составе пленки ПВХ содержатся легкоплавкие ингредиенты или олигомерные фракции, которые вымываются из пленки или необратимо амортизируются. Наличие легкоплавких компонентов в полимерной композиции, образующей термоусадочную пленку, подтверждается появлением «эндопиков» с энтальпией -3.6 и -1.1 Дж/г на диаграмме первого нагревания образца в перфорированной ячейке ДСК от 30 до 120 оС (рис. 5, кривая А). Отсутствие этих «эндопиков» на диаграмме повторного нагревания образца (рис.5, кривая В) указывает на необратимую аморфизацию легкоплавких компонентов или их испарение. При воздействии водного раствора тетрагидрофурана на пленку легкоплавкие компоненты частично вымываются из полимерной композиции, образующей термоусадочную пленку, что подтверждается значитель-
ным уменьшением энтальпии «эндопиков» до -2 и 0.38 Дж/г (рис. 6, кривая С). Предположение о необратимом характере аморфизации легкоплавких компонентов или их испарении из пленки при нагревании в тигле дифференциального сканирующего калориметра подтверждается видом термограммы кривой С (рис. 6).
Температура, °С
Рис. 5. Термограммы (ДСК) термоусадочных пленок поливинилхлорида:А - исходный образец поливинилхлорида (1-е нагревание); В - исходный образец пленки поливинилхлорида
(2-е нагревание)
Температура, °С
Рис. 6. Термограммы (ДСК) термоусадочных пленок поливинилхлорида:С -образец пленки поливинилхлорида, предварительно обработанный 50 %-м водным раствором
тетрагидрофурана
299
Таким образом, правомерно заключить, что внутренние напряжения на участках пленочной оболочки (этикетки), обработанной растворителем, снижаются в результате пластифицирующего действия низкомолекулярной жидкости (тетрагидрофурана), проникающей в пленку, и впоследствии выдавливается при термоусадке на изделии в виде выпуклого рельефа.
Заключение. Показана возможность записи информации на термо-усаживаемых оболочках и пленках из поливинилхлорида путем нанесения жидкости, растворяющей пленку или вызывающей ее быстрое набухание. Графическая или текстовая информация в виде точек или штрихов является скрытой и первоначально не определяется визуально без термоусадки пленки на предметах (таре, бутылях, трубах или кабелях). После термообработки горячим теплоносителем - воздухом, паром или водой - скрытые информационные символы образуют выпуклый рельеф или совокупность точек шрифта Брайля, считываемых пальцами человека «на ощупь». Размеры и форма элементов рельефа определяются концентрацией растворителя, температурой и временем контакта пленки с жидкостью (краской), содержащей растворитель. Нанесение жидкости на термоусаживаемые оболочки и пленки может быть осуществлено с помощью полиграфического оборудования, конструкция которого дополнена цилиндрической печатной формой большого диаметра и протяжённой системой транспортирующих валов для увеличения времени контакта пленки с жидкой краской на печатной форме и продолжительности сушки.
Список литературы
1. Packaging - Braille On Packaging For Medicinal Products (ISO 17351:2013); German Version EN ISO 17351, 2014. 19 p.
2. Kondratov A.P., Volinsky A.A., Zhang Yi., Nikulchev E.V. Polyvinyl chloride film local isometric heat treatment for hidden 3d printing on polymer packaging // Journal of Applied Polymer Science, 2016. Т. 133. № 8. P. 43046.
3. T. Mu and others Composites Science and Technology160, 2018. P. 169-198.
4. Dhanasekaran R. and others. Materials Today: Proceedings 5, 2018. P. 21427-21435.
5. The Plastic Piping Industry in North America in Applied Plastics Engineering Handbook Processing and Materials Plastics Design Library, edited by T. Walsh // Walsh Consulting Services, Houston, Texas, USA, 2011. P. 585-602.
6. Патент РФ по заявке № 2019117790 от 07.06.2019, А22С 17/00; G06K 19/02, Способ рельефной маркировки оболочек / Е.П. Черкасов, А.П. Кондратов.
7. Wang J. and others. Journal of Materials Processing Technology, 243, May (2017). P. 205-216.
8. Пат. 150223 РФ. G09F 3/00 Скрытая тактильная метка / А.П. Кондратов, М.В. Коновалова. Опубл. 10.02.2015. Бюл. №4.
9. Пат. 184486 РФ, В41С 1/00 Наборный штамп / Е.П. Черкасов, Т.Э. Расулов, Д.С. Ситкин, А.П. Кондратов. Опубл. 29.10.2018. Бюл. №31.
10. Использование шрифта Брайля. Компания DOTScan [Электронный ресурс] URL: http : //dotscan .com.ua (дата обращения: 10.05.2019).
11. Технология создания шрифта Брайля на УФ - принтерах Мима-ки. Компания Mimaki - Russia. [Электронный ресурс] URL: http://uvmimaki.ru (дата обращения: 10.05.2019).
12. Шрифт Брайля на 3D-принтере. Компания 3D-принтеры сегодня [Электронный ресурс] URL: http://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday (дата обращения: 10.05.2019).
13. Moon S.International Journal of Engineering Science, 134. 2019.
P. 1-30.
14. Fan PolymerP., 2018. 148. P. 370-381.
15. Kondratov A., Benda A. Relaxation processes in the shrinkable Polyvinylchloride films with tactile marking of shrinkable labels, в The Chemistry and Physics of Engineering Materials Waretown, 2015. P. 179-188.
16. Кондратов А.П., Зачиняев Г.М. Физическое моделирование процесса фиксации термоусадочных этикеток на цилиндрической таре в автоматах-аппликаторах // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2013. № 3. С. 031-039.
17. Kondratov A.P. Thermo shrinking films with interval macrostructure for protection of packaging from falsification // Modern Applied Science. 2015. Т. 8. № 6. P. 204.
18. Nazarov V.G., Kondratov A.P., Stolyarov V.P., Evlampieva L.A., Baranov V.A., Gagari M.V. Morphology of the surface layer of polymers modified by gaseous fluorine // Polymer Science Series A, 2006.Vol. 48. Issue 11. P. 1164-1170.
19. Кондратов А.П. Градиентные и интервальные термоусаживаю-щиеся материалы для защиты полиграфической продукции от фальсификации // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2010. № 4. С. 57-65.
20. Черкасов Е.П., Кондратов А.П. Модернизация штампа для локальной термостабилизации пленки с эффектом «памяти формы» // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. № 1. С. 43-47.
21. Влияние конструкции нагревателей в агрегате тактильной маркировки пленок на параметры рельефа / Е.П. Черкасов, М.В. Коновалова, А.Н. Утехин, А.П. Кондратов // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2018. № 2. С. 46-53.
22. Гудилин Д. Ротационная трафаретная печать: технология и оборудование // Компьюарт, 2007. №1.
23. Полиграфические печатные машины Gallus: Компания Gallus Group [Электронный ресурс] URL: https://www.gallus-group.com (дата обращения: 10.05.2019).
24. Полиграфические печатные машины Rotatek: Компания Rotatek [Электронный ресурс] URL: http://www.rotatek.com (дата обращения: 10.05.2019).
Черкасов Егор Павлович, аспирант, egr198 7arambler. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Назаренко Олег Михайлович, канд. техн. наук, зав. кафедрой, olegnazarenko64@mail.тРоссия, Симферополь, Крымский федеральный университет имени В.И.Вернадского,
Кондратов Александр Петрович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, a.p. kondratov@mospolytech. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
RELIEFMARKING OF HEAT-PRESSING PRODUCTS, SHELLS AND LABELS E.P. Cherkasov, O.M. Nazarenko, A.P. Kondratov
A new method of recording information in the form of a relief on the surface of a shell or film of heat-shrinkable polyvinyl chloride has been proposed. Recording information produced on printing equipment. The design of printing equipment must be partially modified to increase the time of contact of the film with liquid ink on the printing form. The paint contains ingredients that quickly dissolve the film and reduce local internal compressive stresses in the contact zone. The shape and dimensions of the relief elements are shown, formed on the sheath of heat-shrinkable polyvinyl chloride by screen printing with ink containing the solvent tetrahydrofuran.
Key words: printing, recording information, heat-shrinkable polyvinyl chloride film, printing equipment, tactile (embossed) marking.
Cherkasov Egor Pavlovich, postgraduate, egr1987arambler.ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Nazarenko Oleg Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, head. Department, olegnazarenko64@,mail. ru, Russia, Simferopol, Crimean Federal University named after V.I. Vernadsky,
Kondratov Aleksandr Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head. Department, a.p. kondratovamospolytech. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
