Конспект урока: Бумага и её свойства

КОНСПЕКТ УРОКА 5 класс

Тема урока: Бумага и её свойства

Ребята в начальной школе вы уже работали с таким материалом как бумага. Как вы считаете, можно ли в современном мире обойтись без бумаги? Вспомните, из чего изготавливают бумагу, вся ли бумага одинаковая. Прежде чем мы будем говорить о свойствах бумаги, необходимо дать определение бумаги.

Давайте вместе дадим определение: Бумага – это….

Бумага — это лист, состоящий из волокон растительного происхождения. Длина волокон, примерно, один миллиметр. Бумага отличается: по массе (от 40-250 грамм/1м²), способу изготовления, по формату (А1,А2,А3,А4….), по виду печатной продукции(журналы, визитки, календари, упаковка)… и так далее…

Вот техническое определение бумаги:

Бумага — это пористо-капиллярное тело, доступное для проникновения влаги полиграфических красок, образованное из растительных волокон, соединенных между собой химическими связями. В зависимости от волокнистого состава, природы растительных волокон, содержания наполнителей, проклейки, технологии производства получают бумагу различных сортов с различными свойствами. Структура бумаги. Под структурой бумаги понимают её состав, распределение и ориентацию её компонентов по площади и толщине листа.

Свойства бумаги.

Для получения определенных свойств бумаги требуются определенные этапы обработки во время изготовления бумаги.

Отлив бумаги

Отлив бумаги – формирование бумажного полотна в результате отфильтровывания воды от целлюлозных волокон. Этот процесс производится на бумагоделательных машинах, которые

работают со скоростью достигаемой 1000 об/мин, ширина от 7 до 10 м, а длина сеточной части 200 м. Бумагоделательная машина состоит из следующих частей:

• Напускное устройство;

• Сеточная часть;

• Прессовая;

• Сушильная;

• Каландр.

Напускное устройство. Его задача в расширении бумажного потока массы до нужного размера, равномерном распределении волокон по поверхности и подведении к сеточному столу с одинаковой скоростью. От качества выполнения этой задачи зависит прежде всего масса одного квадратного метра и равномерная толщина по всей ширине бумажного полотна. При слишком быстрой подаче на сетку распределение по ней будет неравномерным, а при медленной подаче волокна бумаги сильно меняют направление, что снижает прочность бумаги. Бумага подается на сеточный стол, который представляет собой непрерывно движущуюся сетку, которая периодически встряхивается в поперечном направлении, для того чтобы изменить ориентацию волокон по направлению движения. В первой половине сетчатого стола удаление воды происходит самопроизвольно под действием силы тяжести, во второй половине сетчатого стола обезвоживание массы производиться под действием вакуумных отсосов. Волокна оседают, структура сетки отпечатывается на поверхности бумажного полотна, делая снизу её шероховатой.

При прессовании применяются шерстяные сукна, которые не только предохраняют слабое бумажное полотно, но и транспортирует бумагу от впитывающего пресса к пропускному. Обычно в машине бывает от 2-х до 4-х прессов, состоящих из парно установленных друг на друге волов, обтянутых сукном. Дальше бумага поступает в сглаживающие офсетные прессы без сукна, которые уплотняют ее и сглаживают.

Сушильная секция состоит из обогреваемых паром сушильных цилиндров обтянутых сукном, непрерывно движущееся бумажное полотно прижимается к поверхности цилиндров. Это улучшает теплопередачу, а также предотвращает коробление и сморщивание поверхности бумаги из-за усадки полотна. Для качества получаемой бумаги большое значение имеет температурный режим сушки.

Температурный режим также влияет на эффективность проклейки бумаги. В процессе сушки из бумаги продолжает испаряться влага, содержащаяся между волокнами в её капиллярах.

Отделка бумаги

Это операция, с помощью которой улучшается товарный вид бумаги и придаются ей некоторые специфические свойства. С этой целью бумага пропускается через секцию каландрирования. Основное назначение обработки в каландре заключается в выравнивании бумаги по толщине.

Каландр представляет собой систему, распложенных друг над другом чугунных шлифовальных валов, которые устраняют неровность поверхности, за счет высокого линейного давления между валами.

Бумага, прошедшая обработку в таких каландрах, называется бумага машинной гладкости. Если дальнейшая отделка бумаги не требуется, то после прохождения через машинный каландр бумага сматывается в рулон. Для придания бумаге более высокий гладкости и глянца её пропускают через суперкаландр. Перед подачей в суперкаландр бумага предварительно увлажняется. В суперкаландрах полированные металлические валы чередуются с эластичными валами, которые предотвращают раздавливание бумаги. В зоне контакта происходит вдавливание металлическими валами.

В завершении в её состав вводят белые минеральные пигменты, которые называются наполнители, которые:

а) нужны для повышения белизны, гладкости, светонепроницаемости;

б) делают структуру бумаги более плотной и мелкопористой.

В качестве наполнителей используется мел, каолин, диоксид титана, гипс и т. д. Содержание наполнителя, вводимого в бумагу зависит от назначения бумаги.

Классификация свойств бумаги:

1. Геометрические:

Толщина

Масса

Плотность

Пухлость

2. Сорбционные:

Впитываемость

Пористость

3. Механические:

Поверхностная гладкость

Шероховатость или трение

Неоднородность структуры бумаги (направление волокон)

Жесткость/мягкость (параметр сжатия растяжения)

Механическая прочность и устойчивость к деформации

4. Оптические:

Оптическая яркость(белизна)

Непрозрачность

Лоск/Глянец

Геометрические параметры

1) Толщина — определяется как расстояние по вертикали между двумя параллельными поверхностями бумаги при заданном давлении на поверхность. Диапазон толщин варьируется от 35 микрон до 300 мкн, а картона от полумиллиметра до 3 мм. Масса одного метра квадратного – это косвенная характеристика толщины. Изменение толщины дает усредненное значение из-за неровностей и неоднородности поверхности: от 14 г на метр квадратный до 250 г на метр квадратный.

2) Масса связана с толщиной, так как чем толще бумага, тем она тяжелее (при условии равной плотности). Определяется взвешиванием образца бумаги размером 100 х 100 мм на специальных квадрантных весах.

3) Плотность бумаги — это вес 1 кубического метра. Плотность зависит от пористости бумаги, определяется, как пространство между волокнами и порами, которые могут быть заполнены наполнителями, проклейкой и влагой.

4) Пухлость. Не менее важной геометрической характеристикой бумаги, наряду с толщиной и массой 1 м2, является пухлость. Она характеризует степень спрессованности бумаги и тесно связана с такой оптической характеристикой, как непрозрачность. То есть, чем пухлее бумага, тем она более непрозрачна при условии одинакового граммажа. Пухлость измеряется в см3/г. Пухлость печатных бумаг колеблется в среднем от 2 см3/г (для рыхлых, пористых) до 0,73 см3/г (для высокоплотных каландрированных бумаг).

Сорбционные параметры

1) Впитываемость. Бумага – гигроскопичный материал – следовательно, при увеличении влажности ее волокна набухают и расширяются, в основном по диаметру: бумага теряет форму, коробится и морщится, а при высушивании происходит обратный процесс: бумага дает усадку, уменьшаясь в формате. Бумага, используемая в плоской печати, должна иметь минимальную деформацию при увлажнении, так как по условиям технологии печатного процесса, она соприкасается с увлажненными поверхностями. Повышенная влажность резко снижает механическую прочность бумаги на разрыв, бумага, не выдерживая высокоскоростной печати, рвется. Изменение влажности бумаги в процессе многокрасочной печати приводит к несовмещению красок и нарушению цветопередачи.

Для повышения влагостойкости бумаги в состав бумажной массы при изготовлении добавляют гидрофобные вещества (эта операция называется проклейкой в массе), или же проклеивающие вещества наносятся на поверхность уже готовой бумаги (поверхностная проклейка). Довольно сильно проклеиваются офсетные бумаги, особенно те из них, которые при использовании подвергаются резким изменениям климатических условий, так как в процессе печати проходят секции печатной машины несколько раз, например картографические бумаги.

2) Пористость непосредственно влияет на впитывающую способность бумаги, то есть на ее способность воспринимать печатную краску. Различают макро- и микропористые бумаги. Поры – это пространства между волокнами, заполненные воздухом и влагой. Микропоры, или капилляры, – мельчайшие пространства неопределенной формы, пронизывающие покровный слой мелованных бумаг, а также образующиеся между частичками наполнителя или между ними и стенками целлюлозных волокон у немелованных бумаг.

волокна бумаги под микроскопом

Макропористые бумаги хорошо воспринимают краску, впитывая ее как единое целое. Для таких бумаг используют маловязкие краски. Жидкая краска быстро заполняет крупные поры, впитываясь на достаточно большую глубину. Причем чрезмерное ее впитывание может даже вызвать проступания изображения с обратной стороны листа. Повышенная макропористость бумаги нежелательна, например при иллюстрационной печати, когда чрезмерная впитываемость приводит к потере насыщенности и глянцевости краски. Так как механизм взаимодействия бумага-краска в этих случаях различен, для мелованных и немелованных бумаг готовят различные краски.

Механические параметры

1. Гладкость бумаги, то есть микрорельеф, определяет «разрешающую способность» бумаги: ее способность передавать без разрывов и искажений тончайшие красочные линии, точки и их комбинации. Это одно из важнейших печатных свойств бумаги. Чем выше гладкость бумаги, тем больше полнота контакта между ее поверхностью и печатной формой, тем меньшее давление нужно приложить во время печати, тем выше качество изображения.

Пигментирование и мелование бумаги отличаются только массой наносимого покрытия. Меловой слой отличается высокой степенью белизны и гладкости. Высокая гладкость — одно из наиболее важных свойств мелованных бумаг. Показатель гладкости не только обеспечивает оптимальное взаимодействие бумаги и краски, но и улучшает оптические свойства поверхности, воспринимающей красочное изображение. Высокая гладкость мелованной бумаги позволяет вести печать с хорошей пропечаткой при малых толщинах красочного слоя.

2) Обратной величиной гладкости является шероховатость, которая измеряется в микрометрах. Она напрямую характеризует микрорельеф поверхности бумаги. Как правило, в технических спецификациях бумаги указывают одну из двух этих величин.

3) Неоднородность структуры бумаги. В процессе изготовления бумаги, когда бумажная масса движется по сетке бумагоделательной машины, волокна ориентируются вдоль направления движения, поэтому в направлении перпендикулярному поверхности листа бумага имеет иную структуру, чем вдоль.

Существует 2 способа определения направления волокон в бумаге:

1) Бумага рвется прямо вдоль направления волокон и криво, если волокна поперек.

2) Берется лист бумаги и отрезаются две одинаковые по ширине и длине полоски. Одна вдоль листа (а), другая поперек (б). Складываются одна на другую и поднимаются в свободное состояние. В зависимости от того, какой отрез лежит сверху (бумажки плотно лежат друг на друге), один провисает сильнее другого. Это сильно зависит от направления волокна на листе бумаги. Если волокна на отрезанной полоске находятся вдоль, то полоска будет прогибаться меньше, чем та, на которой поперек.

Рисунок: направление волокон бумаги

4) Жесткость/мягкость бумаги. Связана с ее структурой, то есть с ее плотностью и пористостью. Так крупнопористая газетная бумага может деформироваться при сжатии до 28%, а у плотной мелованной бумаги деформация сжатия не превышает 6-8%. Если бумага предназначена для отделки тиснением, то целью становится, остаточная деформация, а показателем качества является ее необратимость, то есть устойчивость рельефа тиснения.

5) Механическая прочность и устойчивость к деформации. Можно подразделить на прочностные и деформационные. Деформационные свойства проявляются при воздействии на материал внешних сил и характеризуются временным или постоянным изменением формы или объема. Так при печати высоким способом, при больших давлениях бумага должна быть мягкой, то есть легко сжиматься, выравниваться под давлением, обеспечивая наиболее полный контакт с печатной формой.

Для офсетной печати на высокоскоростных ротационных машинах очень важными являются прочностные характеристики бумаги, а именно: прочность на разрыв, излом, стойкость к выщипыванию, влагопрочность. Прочность бумаги зависит от прочности самой структуры бумаги, которая формируется в процессе бумажного производства.

Прочность на излом: Прочность на излом выражается числом двойных перегибов полоски бумаги под углом 180°, вызывающих ее разрыв.

Разрывная длина или прочность на разрыв

Характеристикой прочности бумаги на разрыв является разрывное усилие Q. Это усилие, необходимое для разрыва полоски бумаги шириной 15 мм.

Разрывная длина — это расчетная длина такой полоски бумаги шириной 15 мм, которая, будучи подвешена за один конец, разрывается под действием собственного веса.

Измеряется на динамометре — разрывной машине.

Прочность поверхности к выщипыванию

Краска для испытания на выдергивание наносится на бумагу с помощью испытательной печатной машины Пруфбау. Во время испытания скорость печати непрерывно повышается.

Для улучшения прочностных свойств бумаги на ее поверхность наносят тонкий слой проклеивающих веществ (масса покрытия составляет до 6 г/м2). Это предохраняет ее от выщипывания отдельных волокон липкими красками, а также для уменьшения деформации бумаги при увлажнении для обеспечения точного совпадения красок в процессе многокрасочной печати. Особенно это важно для офсетной и литографской печати, когда бумага подвергается увлажнению водой в процессе печати.

Оптические параметры

1) Оптическая яркость – это способность бумаги отражать свет рассеянно и равномерно во всех направлениях. Высокая оптическая яркость для печатных бумаг является преимуществом, так как четкость, удобочитаемость издания зависит от контрастности печатных и пробельных участков оттиска.

Цветовая точность изображения, ее соответствие оригиналу возможны только при многокрасочной печати на достаточно белой бумаге. Для повышения оптической яркости в дорогие высококачественные бумаги добавляют так называемые оптические отбеливатели — люминофоры, а также синие и фиолетовые красители, устраняющие желтоватый оттенок, присущий целлюлозным волокнам. Этот технологический прием называют подцветкой.

2) Еще одним важным практическим свойством печатной бумаги является ее непрозрачность. Особенно важна непрозрачность при двухсторонней печати. Для повышения непрозрачности подбирают композицию волокнистых материалов, комбинируют степень их помола, вводят наполнители

3) К оптическим свойствам бумаги относится также ее лоск, или глянец. Лоск, или глянец – это результат зеркального отражения поверхностью бумаги падающего на нее света. Естественно, это тесно связано с микрогеометрией поверхности, то есть с гладкостью бумаги. Обычно с повышением гладкости лоск тоже увеличивается. Однако эта связь неоднозначна. Следует помнить, что гладкость определяется механическим способом, а лоск — это оптическая характеристика

На белизну, гладкость и глянец бумаги влияет использование в процессе изготовления бумаги таких этапов обработки бумаги, как каландрирование и мелование.

Большинство потребителей печатной продукции отдают предпочтение глянцевым бумагам, однако глянец нужен в изданиях далеко не всегда. Так при воспроизведении текста или штриховых иллюстраций применяют бумагу с минимальным глянцем, например бумагу машинной гладкости, а различные проспекты, этикетки, репродукции с картин прекрасно получаются на бумаге с высоким глянцем.