CC BY
33
Сравнительное изучение физико-механических свойств ряда термоклеев и полиуретанового клея PURmelt (^ 3317, применяемых для бесшвейного скрепления
В.И. Борисова,
к.т.н., доцент кафедры технологии печатных и послепечатных процессов
Л.П. Зименкова,
студентка МГУП
Е.Е. Фомичева,
студентка МГУП
Клеевой бесшвейный способ скрепления книжно-журнальной продукции (КБС) нашел в настоящее время широкое применение. Но он имеет ряд особенностей, которые влияют на качество получаемой продукции, а именно: прочностные показатели КБС зависят от вида применяемой бумаги, правильности подбора клея к бумаге, от строгого соблюдения технологии и режимов обработки полуфабрикатов на всех этапах подготовки поверхности корешка и процесса склеивания.
Одним из важнейших факторов, определяющих прочность КБС, являются свойства пленок термоклея, формируемых на корешке книжного блока, обеспечивать хорошую раскрываемость книги и проявлять большие обратимые деформации в процессе эксплуатации книги.
Поэтому специалисты полиграфических предприятий должны уметь сделать обоснованный выбор клея для скрепления книг с использованием различных видов бумаги и конструкции издания.
Следует отметить, что надежность конструкции издания при КБС зависит не только от свойств клея, но и от жесткости бумаги и на-
правления раскроя бумаги в блоке, от формата издания, а также в определенной степени от размера корешкового поля. Издания большого формата, отпечатанные на мягких сортах бумаги с долевым раскроем в блоке, имеют хорошую раскрываемость, поэтому на клеевую пленку падают небольшие нагрузки. В таком случае основной функцией клеевой пленки является скрепление между собой листов в блоке. Издания малого формата, отпечатанные на жестких сортах бумаги и имеющие поперечный раскрой в блоке, обладают плохой раскрываемостью, поэтому удобочитаемость книги в этом случае полностью определяется физико-механическими свойствами формируемой пленки. В последнем случае особо важно использовать высокоэластичный клей. Необходимо отметить, что долговечность издания обеспечивается в том случае, если первоначальные свойства клеевой пленки не будут утрачиваться во времени. Следует отметить, что в процессе старения пленки термоклеев могут уменьшать способность к относительному удлинению, увеличивая их жесткость.
В настоящее время для КБС изданий в обложке преимущественное применение получили термоклеи на основе термопластичных полимеров. Основным компонентом термопластических термоклеев является сополимер винилацетата (30%) и этилена (70%) (-СН2-СН2-СН-СНОСОСН-) .
2 3 ' п
При таком соотношении мономеров обеспечивается адгезия клея к бумаге за счет полярных групп винилацетата и эластичность формируемой пленки за счет неполярных групп этилена, т. е. осуществляется внутренняя пластификация сополимера.
В составе термоклея должно быть около 50% сополимера. Для придания необходимой текучести в термоклей вводят углеводородные смолы (воск или парафин - 20%), для увеличения липкости модифицированную канифоль (30%). Для подавления деструкции добавляют антиоксиданты в количестве 0,2% [1].
Вместе с тем композиционный состав термоклеев с целью снижения стоимости часто нарушается из-за уменьшения содержания сополимера. В связи с этим поступающие на предприятия термоклеи весьма сильно различаются по способности формируемой пленки к большим обратимым деформациям в процессе эксплуатации книги, по обеспечению достаточной адгезионной прочности и, следовательно, надежности конструкции издания. Кроме того, в отсутствии достаточного количества эффективного антиоксиданта термоклеи способны к старению за счет деструкции сополимера, состоящего из плохо совместимых мономеров винилацетата и этилена.
Вместе с тем целый ряд термоклеев при соблюдении композиционного состава проявляет высокую эластичность пленки и адгезионную прочность. Однако они не обеспечивают прочность изделий при
использовании мелованной бумаги большой толщины. Недостатком большинства термоклеев является также плохая раскрываемость книг при их использовании.
В настоящее время для КБС изданий преимущественно в обложке получили применение полиуретановые термореактивные термоклеи (PUR). Полиуретан является синтетическим полимером, содержащим в основной цепи макромолекулы уретановые группы —NH—CO—O—. Основной традиционный способ синтеза полиуретано-вого клея, используемый в промышленности — взаимодействие соединений, содержащих изоцианатные группы (фор- или предполимеров — олигомеров или полимеров с малой молекулярной массой, содержащих функциональные группы и способных к росту или сшиванию цепи с образованием высокомолекулярных, линейных или сетчатых полимеров), с би- и полифункциональными гидроксилсодержащими производными. Полимеризация клея происходит при поглощении клеем влаги из воздуха или склеиваемых материалов.
Концевые изоцианатные группы при взаимодействии с влагой воздуха образуют карбоминовую кислоту, которая распадается с выделением СО2 и амина. Последний реагирует с изоцианатом, образуя сшитую макромолекулу полимера с перекрестными молекулярными связями. Схематично реакция полимеризации клея первого поколения может быть представлена пошагово формулой [2, 3]:
RN = C = O + H2O ^ RNCOOH ^ RNH2 + CO2
R'N = C = O + RNH2 ^ R'NHCONHR
Принципиальным отличием этих клеев является то, что после быстрого процесса отверждения на первой стадии происходит в дальнейшем медленный химический процесс отверждения пленки. При этом образуется пространственная сетка, обеспечивающая высокую эластичность и механическую прочность клеевой пленки. Исключительно высокие адгезионные свойства полиуретана позволили применять клей для КБС различных видов бумаги.
Поскольку химический процесс отверждения полиуретано-вого клея протекает в присутствии влаги, поглощаемой из окружающего воздуха и склеиваемых материалов, то упаковка для транспортировки и хранения на складе, а также системы подачи PUR-клея должны быть воздухонепроницаемыми. Размеры и конструкции клеевых аппаратов со специальным тефлоновым покрытием рассчитаны так, что контакт полиуретанового клея с влагой воздуха и опасность преждевременного отверждения остаются минимальными.
На первом этапе реакции отверждение происходит через 1,52,5 мин, что позволяет выполнить обрезку блока с 3-х сторон. Время окончательного отверждения находится в зависимости от влажности окружающего воздуха, материалов и толщины блока и составляет в среднем 24 часа.
В данной работе были проведены сравнительные испытания ряда термопластических термоклеев: Техномельт Q-3218 производства фирмы «Хенкель» (Германия), «Фастбинд» (Франция), Fuller Lunatack B 340 (производится международной корпорацией) и поли-уретанового клея PURmelt QR 3317 производства фирмы «Хенкель» (Германия).
В работе проведены испытания деформационно-прочностных свойств пленок клеев с построением зависимостей «напряжение -деформация» на разрывной машине РМ-50, исследована способность к релаксации образцов при растяжении до 100%, адгезионной прочности термоклеев методом расслаивания и прочность КБС тиражных изданий на тестере РТ-1 фирмы «Зиглох».
Отливка пленок термоклеев выполнялась с использованием обогреваемой фильеры. Отливка свободных пленок PUR-клея вызывает большие затруднения в связи с невозможностью расплавить клей в термостате, т. е. в условиях доступа воздуха. Отливка выполнялась непосредственно в процессе работы поточной линии с использованием тефлоновой поверхности для отделения отлитой пленки. Адгезионная прочность PURmelt QR 3317-клея не может быть испытана, т. к. методика проведения склейки образцов требует разогрева отлитой пленки [4, 5].
Испытания деформационно-прочностных свойств пленок полиуретанового клея и термоклеев показали, что при растяжении все представленные образцы имеют характер деформации, свойственной аморфным стеклообразным полимерам.
Результаты эксперимента, представленные в табл. 1, демонстрируют различие в физико-механических показателях изучаемых термоклеев и полиуретанового клея. Наименьшие значения предела вынужденной эластичности (т. е. напряжения, при котором начинает развиваться вынужденная эластичность), характеризующего усилие для раскрывания книги, т. е. удобочитаемости, показали клеи Fuller Lunatack В 340 (1,4 МПа) и Фастбинд (2,1 МПа). Остальные из представленных образцов имеют большие значения этого показателя: для термоклея Техномельт Q 3218 - 4МПа и для PUmelt QR 3317 - 7 МПа, т. е. книги и журналы, скрепленные этими клеями, будут иметь худшую удобочитаемость, особенно при использовании клея PURmelt QR 3317.
При растяжении образцы клеев проявляют различную способность к относительному удлинению. Наибольшее его значение (из представленного здесь ассортимента) имеют пленки PURmelt QR 3317 -918% (пленки не достигли разрыва, дальнейшее растяжение невозможно из-за технических возможностей машины); термоклеи показали меньшее относительное удлинение: Фастбинд - 578%; Fuller Lunatack -440%; наименьшее - Техномельт Q 3218 (385%).
Таблица 1
Физико-механические показатели пленок клеев
Марка клея Предел вынужденной эластичности, МПа Относительное удлинение, % Напряжение при разрыве
Фастбинд 2,1 575 1,7
Техномельт Q 3218 4 385 3,3
Fuller Lunatack В 340 1,4 440 1,2
PURmelt QR 3317 7 917 (образец не достиг разрыва) -
Из приведенных в табл. 1 данных и учитывая требования к клеевым соединениям, обеспечивающим сохранность издания при условиях эксплуатации, можно сделать следующие выводы: из-за малой способности к деформированию под нагрузкой пленки термоклея Тех-номельт Q 3218 рекомендуется использовать для скрепления изданий, отпечатанных на бумаге невысокой жесткости, чтобы клеевая пленка не подвергалась значительным нагрузкам. Для скрепления изданий с повышенными требованиями к качеству с использованием термоклеев можно рекомендовать клеи Fuller Lunatack В 340 и Фастбинд. При скреплении изданий полиуретановым клеем можно отметить, что, несмотря на ожидаемую плохую раскрываемость книги, он может обеспечить надежность конструкции книги даже в условиях большой нагрузки на пленку клея в процессе эксплуатации книги.
Исследования способности пленок к релаксации после растяжения на 100% показали, что наиболее интенсивно сокращение пленок клеев происходит в течение первой минуты после снятия нагрузки. Пленки клея Техномельт Q 3218 за первую минуту уменьшили начальное удлинение на 74,5%, пленки клея Фастбинд на 75%, клея Fuller Lunatack В 340 - на 80%; вместе с тем, пленка PURmelt QR 3317 сократилась на 98%. Таким образом, пленки PURmelt клея за 1 мин практически завершили процесс релаксации, что свидетельствует о проявлении высокой эластичности пленки.
Дальнейшее изучение образцов пленок в свободном состоянии до наступления равновесного состояния (в течение 5 суток) показало наличие остаточной деформации. Минимальная величина остаточной деформации наблюдалась у пленок полиуретанового клея PURmelt QR 3317 и составила 1,2%; максимальную величину остаточной деформации показали пленки клея Техномельт - 18,60%.
После наступления равновесного состояния в естественных условиях пленки термоклеев подвергали прогреву при Т = 55° С для
Таблица 2
Релаксация деформации пленок клеев после растяжения на 100% (исходная длина 5 см), см
(О
Марка клея Время релаксации
1 мин 2 мин 5 мин 10 мин 30 мин 60 мин 120 мин 1 сутки 2 сутки 5 суток После прогрева
Фастбинд 5,80 5,66 5,57 5,56 5,50 5,49 5,48 5,46 5,43 5,42 5,28
Техномельт Q3218 6,28 6,19 6,12 6,08 6,06 6,02 5,98 5,95 5,94 5,93 5,63
Fuller Lunatack В340 б 5,30 5,22 5,21 5,20 5,18 5,18 5,18 5,17 5,17 5,05
PURmelt QR 3317 5,09 5,08 5,08 5,07 5,07 5,07 5,07 5,06 5,06 5,06 -
снятия вынужденной эластической деформации. Для полиуретанового клея прогрев не проводили, так как он показал минимальную остаточную деформацию. Сокращение длины образцов во времени и при нагреве представлено в табл. 2.
Сокращение образцов в результате прогрева равно величине вынужденной эластической деформации, являющейся необратимой при комнатной температуре из-за неспособности полимера в стеклообразном состоянии принять свойственную ему конформацию. Большое значение остаточной деформации, свойственное для термоклеев может явиться причиной появления просветов между листами при эксплуатации издания.
Величины остаточных деформаций пленок до и после прогрева представлены в табл. 3.
Таблица 3
Составляющие деформации удлинения пленок клеев при 100%-ном растяжении
Марка клея Остаточная деформация до прогрева,% Остаточная деформация после прогрева % Вынужденно-эластическая деформация, %
Фастбинд 8,40 2,80 5,60
Техномельт 18,60 6,00 12,60
Fuller Lunatack 14 2 12
PURmelt QR 3317 1,2 - -
В результате прогрева в большей степени произошло сокращение пленок термоклеев, особенно термоклея Техномельт. Вместе с тем данный эксперимент характеризует лишь природу остаточной деформации, т. к. в условиях эксплуатации книги маловероятно достижение температуры, при которой устраняется вынужденная эластическая деформация.
Исследование адгезионной прочности проводилось только для термоклеев, так как у PUR-клея полученная ранее пленка плавлению не подлежала из-за его термореактивных свойств.
Исследования проводились методом расслаивания полосок ледерина. На кривой расслаивания выбирался участок, где имел место адгезионный разрыв, и проводился расчет усилия расслаивания. Результаты эксперимента исследования адгезионной прочности термоклеев представлены в табл. 4.
Наибольшую адгезионную прочность обеспечивают клеи Fuller Lunatack (1050 Н/см) и Фастбинд (993 Н/см), поэтому их можно рекомендовать для изданий, требующих повышенной прочности, а клей Техномельт Q 3217 - для скрепления продукции, отпечатанной на бумаге с небольшим содержанием наполнителей, снижающих адгезию.
Таблица 4
Средние значения адгезионной прочности термоклеев
Марка клея Усилие расслаивания, Н Адгезионная прочность, Н/м
Фастбинд 14,9 993
Техномельт Q 3218 8,6 573
Fuller Lunatack B340 10,5 1050
Согласно ранее проведенным исследованиям, между величинами адгезионной прочности и относительным удлинением термоклеев наблюдается прямая зависимость. Она может быть обусловлена оптимальным содержанием сополимера в термоклее, ответственного и за проявление эластических свойств формируемой пленки, и за величину адгезии к бумаге. Результаты проведенных исследованных термоклеев представлены в табл. 5.
Таблица 5
Зависимость адгезионной прочности термоклеев и относительного удлинения пленок термоклеев
Марка клея Относительное удлинение, % Клеящая сила F, Н/см
Фастбинд 575 993
Техномельт Q 3218 385 575
Fuller Lunatack B340 510 1050
Несоблюдение корреляции между относительным удлинением и клеящей способностью для термоклея Fuller Lunatack, показавшего очень высокую прочность склейки (1050 Н/см) и среднее относительное удлинение (510%), может быть объяснено композиционным составом сополимера, а именно: меньшей длиной цепей макромолекул, не проявляющих значительные деформации при растяжении, но обеспечивающих высокие значения адгезионной прочности.
В работе были приведены испытания прочности КБС изданий, отпечатанных на мелованной бумаге различной толщины на полиграфических предприятиях ОАО «Пушкинская площадь» и ООО «Немецкая фабрика печати».
Результаты испытаний блоков представлены в табл. 6.
Таблица 6
Прочность клеевого бесшвейного скрепления
Марка клея Степень мелования бумаги Толщина запечатанной бумаги, мкм Удельное значение усилия вырыва, Н/см
PURmelt QR 3317 мелованная 115 23,6
мелованная 130 16,9
мелованная 150 15,6
мелованная 170 15,0
Fuller Lunatack B340 мелованная 90 9,5
мелованная 115 6,7
Фастбинд мелованная 90 7,64
Teхномельт Q3218 мелованная 90 7,0
мелованная 120 4,5
офсетная 80 7,9
Приведенные испытания изданий с использованием термоклеев показали, что при одинаковой толщине слабомелованной бумаги 90 мкм наибольшую прочность КБС имеют изделия, скрепленные термоклеем Fuller Lunatack B340 (9,5 Н/см). При использовании термоклеев Фастбинд и Техномельт Q3218 прочность КБС представляет 7,64 Н/см и 7,0 Н/см соответственно, что подтверждает лучший композиционный состав термоклея Fuller Lunatack B340 (большее содержание сополимера с меньшей молекулярной массой).
В работе установлено, что использование мелованной бумаги большей толщины обуславливает меньшую прочность КБС книги. При этом прочность КБС при использовании термоклея Техномельт Q3218 при толщине мелованной бумаги 120 мкм составляет предельно низкое значение - 4,5 Н/см при минимально допустимом значении 5,0 Н/см. При использовании немелованной бумаги (офсетной) толщиной 80 мкм прочность КБС - 7,9 Н/см.
При применении полиуретанового клея PURmelt QR 3317 можно использовать различные виды мелованной бумаги любой толщины, поскольку этот клей показал самый высокий результат по прочности клеевого бесшвейного скрепления.
Исходя из полученных в работе результатов, можно сделать следующие выводы:
Изучение свойств образцов термоклея Техномельт Q 3218 позволяют рекомендовать его для скрепления изданий недлительного пользования из мягких сортов бумаги, большого формата, бумаги с
долевым раскроем вдоль корешка блока, с достаточным корешковым полем, при которых клеевая пленка не подвергается значительной нагрузке в процессе эксплуатации книги.
Термоклеи Фастбинд и Fuller B340 можно использовать для скрепления изданий с повышенными требованиями к качеству, ими можно скреплять мелованные бумаги толщиной до 115 мкм.
Исследования деформационно-прочностных свойств поли-уретанового клея показали, что скрепленные этим клеем издания имеют худшую удобочитаемость книг, особенно при использовании поперечного раскроя, однако его пленки проявляют способность к большим обратимым деформациям под нагрузкой, и клей обеспечивает высокую КБС при использовании, в том числе и мелованной бумаги большой толщины.
Поэтому, несмотря на высокую стоимость клея PURmelt QR 3317 и особым условиям производства, упаковки, хранения, его применение может оказаться целесообразным за счет выпуска более высококачественной продукции.
Библиографический список
1. Борисова В.И. Основы технологии брошюровочно-пере-плетных процессов. Свойства клеев для клеевого бесшвейного скрепления : учеб. пособие / А.Н. Ефремова, Л.П. Зименкова. - М. : МГАП «Мир книги», 1994.
2. Липатов Ю.С Структура и свойства полиуретанов / Ю.С. Липатов, Ю.Ю. Керча, Л.М. Сергеев. - К., 1970.
3. Морозов Ю.Л. Реакционное формирование полиуретанов / Ю.Л. Морозов, О.Б. Третьяков. - М. : Химия, 1990.
4. Технологическая инструкция «Приготовление и испытания клеев для процессов брошюровочно-переплетного производства». -М. : Мин-во печати РФ, СПб, 1993.
5. Клайн Ч. Применение полиуретановых клеев в переплетных процессах / Ч. Клайн // Publish. - 2003. - № 6. - С. 35-38.
