, Отсюда

Из этого следует, что эффективная гладкость и степень пропечатки зависят не только от начальной гладкости, но и от мягкости бумаги.

Ровная и гладкая поверхность не только обеспечивает полноту контакта, но и повышает контрастность и четкость изображения. Поэтому для высококачественных иллюстрированных изданий используют высококачественную бумагу из хорошо размолотой целлюлозы, с достаточным количеством наполнителей, а также бумагу с покровным пигментным слоем – мелованную.

2.3. Механические свойства.

Общие представления о деформационных свойствах материалов.

В зависимости от структуры материалы проявляют разные деформационные свойства: текучесть, упругость, эластичность и пластичность. В реальных материалах часто наблюдается сочетание этих свойств, что усложняет их деформационные реакции.

Текучесть – деформационное свойство жидких тел, проявляющееся в непрерывном нарастании остаточной деформации (течение) под действием внешней силы. В дифференциальной форме процесс течения выражается уравнением Ньютона:

,

где Р – напряжение; - градиент скорости;  - коэффициент вязкости.

Поскольку при деформации сдвига градиент скорости совпадает со скоростью относительной деформации = , уравнение Ньютона можно записать в следующем виде:

.

Подчиняющиеся этому уравнению жидкости текут при любых отличных от нуля напряжениях. Скорость течения зависит от коэффициента вязкости () или от вязкости.

Упругость – способность к обратимым деформациям, т.е. когда после снятия нагрузки начальные размеры и форма тела полностью восстанавливаются. Зависимость между относительной деформацией идеально упругого тела и напряжением записывается законом Гука:

,

где Е – модуль упругости.

Такими свойствами обладают твердые тела, деформация которых происходит вследствие растяжения химических связей или преодоления сил ионного или межмолекулярного взаимодействия. Эти силы действуют на небольшом расстоянии и резко ослабевают с его увеличением. Поэтому упругая деформация имеет небольшую величину, превышение которой сопровождается разрушением (пластической деформацией) тела. Усилия необходимые для деформирования упругих тел, определяются энергией связей и характеризуются модулем упругости Е, являющегося мерой сопротивления тела деформации – его жесткости.

Эластичность – способность материала испытывать большие обратимые деформации при небольших нагрузках с пропорциональной зависимостью, подобной закону Гука: , где Е₂ – модуль эластичности. Эластичность присуща многим материалам на основе высокомолекулярных веществ с линейным строением молекул. При деформации эластичных тел преодолевается не энергия связей, а гораздо меньшая энергия теплового движения - энергия вращения звеньев цепи вокруг валентных связей. Поэтому эластичные материалы, например каучук, растягиваются на 500-700% и более.

Пластичность – сочетание упругости при малых напряжениях и способности к необратимым остаточным деформациям (течению) при повышенных напряжениях. Критическое значение напряжения, превышение которого вызывает течение, называется пределом текучести Р_к.

Механические свойства бумаги, и в частности прочность, обеспечивают износоустойчивость и долговечность изделий, а также препятствуют разрушению бумаги на различных стадиях производства полиграфической продукции.

Еще большее значение имеют деформационные свойства, так как основные технологические операции полиграфии сопровождаются деформированием бумаги.

Прочность на растяжение и деформация растяжения. Самой общей характеристикой механических свойств бумаги является прочность на растяжение, от которой зависит сопротивление бумаги разрушению при изготовлении печатной продукции, а также ее прочность и долговечность. Прочность бумаги на растяжение определяют на динамометре как разрывное усилие, необходимое для разрыва полоски бумаги стандартной ширины. Для обычных материалов разрывное усилие пересчитывают в предел прочности P_пр в виде отношения разрывного усилия Q к поперечному сечению S испытуемого образца. В бумажной промышленности применяется условная характеристика предела прочности, называемая разрывной длиной.

Разрывная длина – это расчетная длина такой полосы бумаги, которая, будучи подвешена за один конец, разорвется под действием собственного веса (рис. 18).

Рис. 18. Разрывная длина бумаги

При этом условии разрывной вес ее равен разрывному усилию Q. Он связан с весом одного квадратного метра бумаги (q) и площадью S поверхности полосы соотношением:

,

где а- ширина полосы, L – разрывная длина. Отсюда:

.

Рассмотрим влияние структуры бумаги на ее прочность. Измерения показывают, что отдельные растительные волокна не уступают по прочности металлам (предел прочности от 400 до 800 Н/мм²). Если бы бумага была сплошным телом, то она могла быть такой же прочной, как и стальной лист. При пределе прочности 600 Н/мм² полоска бумаги шириной в 1 см при толщине 0,1 мм имела бы разрывное усилие 600 Н. Но бумага пориста, и при степени заполнения ее волокном примерно на 50% прочность должна снизиться вдвое. В действительности же прочность бумаги еще меньше, так как связи между волокнами являются более слабыми элементами структуры, чем сами волокна. Поэтому ее прочность зависит от количества и характера связей, которые в свою очередь зависят от степени фибриллирования волокон и от плотности бумаги. Кроме того, неоднородность ее микро и макроструктуры влечет за собой неравномерную прочность в листе, поэтому при механических воздействиях бумага рвется в наиболее слабых местах.

В таблице 7 приведены значения разрывного усилия бумаги в зависимости от степени помола волокна, а также значения разрывного усилия при так называемой нулевой длине испытуемого образца. Она измеряется при сближении зажимов динамометра вплотную так, что они захватывают концы волокон (рис. 19).

Рис. 19. Закрепление бумаги в динамометре для определения ее прочности при нулевой длине: а – вид с боку, б – вид с верху, 1 и 2 – зажимы, 3 - бумага

В этом случае разрывное усилие будет зависеть в основном только от прочности волокон. Значение прочности бумаги при нулевой длине мало зависит от степени помола и более близко к рассчитанному по прочности волокна.

Таблица 7. Влияние степени помола на обычную прочность и на прочность при нулевой длине образца.

Степень помола целлюлозы	Разрывное усилие, Н
	Обычное	при нулевой длине
Не размолотая Низкая Средняя Высокая	36 78 126 139	192 242 265 274

На количество связей между волокнами и прочность бумаги влияет ее волокнистый состав. Древесная масса, будучи менее гибкой и менее способной к установлению водородных связей, чем целлюлоза, снижает прочность бумаги. Таким же образом влияют на ее прочность наполнители, ослабляющие контакты между волокнами. Гибкость волокна влияет на прочность бумаги еще и тем, что при растяжении волокна вытягиваются и распрямляются, чем достигается более равномерное распределение напряжения между элементами структуры бумаги и снимается нагрузка с отдельных ее участков.

Растяжение бумаги складывается из растяжения волокон. Волокна эластичны, но в бумаге они скрепляются водородными связями. Поэтому все факторы, которые увеличивают количество связей и частоту структурного каркаса, одновременно с прочностью повышают и жесткость. Напротив, факторы, снижающие частоту структурного каркаса, такие как – введение наполнителя, использование древесной массы, тощий помол, снижают жесткость бумаги (табл. 8).

Таблица 8. Влияние древесной массы и наполнителя на свойства бумаги.

Бумага	Состав по волокну	Зольность, %	Разрывное усилие, Н	Растяжение при усилии 0,1 Н, %	Коэффициент жесткости*, Н
Опытная	Целлюлоза 50%, древесная масса 50 %	25	22,6	0,33	297
Типографская №2	То же	17	24,5	0,20	490
Опытная	»	15	32,2	0,21	476
Типографская №1	Целлюлоза 100%	15	40,0	0,15	650
То же	То же	11	68,5	0,10	980
»	»	9	88,0	0,06	1625
* Коэффициент жесткости – это отношение растягивающего усилия 0,1 Н к соответствующей относительной деформации.

О деформационных свойствах бумаги судят по кинетике нарастания ее растяжения под действием постоянной нагрузки.

На рис. 20 представлены результаты испытаний различных бумаг на растяжение. Образцы нагружали и начинали измерять показания деформации, через некоторое время нагрузку снимали, но продолжали наблюдать за изменением деформации. Время снятия нагрузки на графиках помечено как F=0.

Рис. 20. Кинетика развития и спада деформации растяжения бумаги при различных нагрузках: а – бумага №2, б – бумага №1, нагрузка 1 – 1,96Н, нагрузка 2 – 4,9Н, нагрузка 3 – 7,84Н

На графике зависимости деформации () от времени приложения нагрузки () показана кинетика развития и спада деформации растяжения бумаги при различных нагрузках. Из анализа результатов следует, что бумага №2 проявляет при тех же нагрузках большее растяжение, чем бумага №1. Это свидетельствует о большей жесткости последней, что характеризуется более высоким значением модуля упругости.

При малых нагрузках оба вида бумаги испытывают только мгновенную упругую деформации. При повышенных нагрузках деформация нарастает со временем. У жесткой бумаги №1 вся деформация обратимо спадает к 0 после снятия нагрузки, а у бумаги №2 сохраняются остаточные деформации.

У бумаги развитие и спад деформации не согласуются между собой, это проявляется, во-первых, в том, что восстановление после разгрузки длится дольше, чем нарастание деформации по нагрузкой. Обратимое последствие разгрузки наблюдается и тогда, когда вся деформация устанавливается практически мгновенно. Вследствие этого упругая деформация нагрузки и разгрузки не совпадает по величине, т.е. нарушается обратимость упругости. Во вторых, остаточная деформация значительно (для бумаги №2 в три раза) превышает ту, которую следовало ожидать на основании нарастания деформации.

В таблице 9 приведены характеристики деформации растяжения бумаги по результатам испытаний представленных на рис. 20.

Таблица 9. Характеристика деформации растяжения бумаги.

Нагрузка, Н	Напряжение Н/м2	Относительная деформация, %				Модуль растяжения Н/м2х10 -5			Эластичность ,%
		упругая	задержанная	равновесная	остаточная ост	упругого Е1	задержанного Е2	равновесного Ер
Бумага №1
1,96	119	0,018	0	0,018	0	7,0	-	7,0	0
4,9	298	0,028	0,007	0,036	0	10,4	41,5	8,3	20
7,85	478	0,057	0,007	0,064	0	8,4	67	7,4	11
74,5	4510	Разрывное усилие и удлинение перед разрывом			0,9			5,0
Бумага №2
1,96	119	0,043	0	0,043	0	2,77	-	2,77	0
4,9	298	0,125	0,0107	0,136	0	2,48	16,5	2,18	13
7,85	478	0,196	0,014	0,21	0,4	2,34	34	2,97	6,7

Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что задержанная обратимая деформация имеет меньшую величину и больший модуль, чем мгновенная упругая. Доля задержанной части в суммарной обратимой деформации не превышает10-20 %, что расходится с обычными представлениями об эластичности.

Поскольку доля задержанной деформации невелика, жесткость бумаги на растяжение характеризуется величиной модуля упругости или, если воздействие положительно, - модулем равновесной деформации Е_р.

Главная характеристика растяжения бумаги – ее небольшая деформация и сравнительно большой модуль. Предельное растяжение бумаги перед разрывом редко превышает 2-3%.

Остаточные деформации бумаги не могут объясняться текучестью, поскольку бумага не обладает этим свойством. Структурные связи в ней неоднородны по прочности и различаются в зависимости от их природы (водородные связи, молекулярные силы, механические зацепления) и от условий контактов. Поэтому нагрузка разрушает сначала отдельные, наиболее слабые связи, но при этом сохраняется внешняя целостность бумаги. С увеличением нагрузки разрушения развиваются вплоть до полного разрыва бумаги. Освободившиеся при местных разрывах элементы перемещаются, вытягиваются и распрямляются, что и является причиной остаточных деформаций.

Местные разрушения вызывают перегрузку оставшихся структурных связей и постепенное разрушение более прочных связей. Поэтому при длительном воздействии растягивающих сил на бумагу происходит ослабление ее структуры, и она разрывается при нагрузках, меньших, чем в стандартных условиях. Например, на бумагу с разрывным усилием 45 Н действовала в течении двух часов растягивающая нагрузка 34 Н. После этого разрывное усилие того же образца составило 38 Н. Эта же бумага разорвалась при нагрузке 34 Н, действовавших в течении 12 часов.

Хотя разрывное усилие характеризует прочность, иногда сопротивление разрушению определяется деформационными свойствами. Это связано с различными условиями механических воздействий. При постепенном увеличении нагрузки, как при испытании на динамометре, разрывается более слабая бумага. Но иногда материал испытывает не силовое воздействие, а деформационное. Например, в бумагопроводящей системе рулонной машины биения валиков могут вызвать мгновенное растяжение бумаги (рис. 21) и в ней разовьются напряжения, зависящие от величины деформации и модуля растяжения .

Рис. 21. Биения валиков, вызывающие разрыв жесткой бумаги

В жесткой бумаге с большим значением модуля Е напряжения могут превысить предел прочности, и тогда она порвется. Более мягкая бумага, хотя и менее прочная, выдержит разрушения без разрушения, если, благодаря малому модулю, напряжения не превысят предела ее прочности.

Деформация сжатия. При нагрузке, нормальной к поверхности, бумага сжимается. Измерения толщины показывают, что мгновенные упругие деформации сливаются с быстропротекающими эластическими, особенно в плотных видах бумаги (рис. 22). При сжатии наблюдается значительно большая относительная деформация (10-30% и более), чем при растяжении, и при меньшем напряжении.

В таблице 10 приведены характеристики деформации растяжения бумаги по результатам испытаний представленных на рис. 22.

Рис. 22. Деформация сжатия бумаги под давлением: 1 – мелованная бумага, фильтровальная бумага, а – давление 164 Н/см², б – давление 320 Н/см²

Таблица 10. Характеристика деформации сжатия бумаги.

Бумага	Напряжение Р, Н\м2	Относительная деформация, %	Плотность под нагрузкой, г/см3	Модуль сжатия, Н/м2		Остаточная деформация, %	Плотность остаточная, г/см3
				при нагрузке	при разгрузке
Мелованная, пористость 30%	0 164 320	0 6,8 8,5	1,1 1,18 1,21	2420 3760	2830 8000	1,0 4,5	1,1 1,11 1,15
Фильтровальная, пористость 63%	0 164 320	0 16,6 28,5	0,56 0,67 0,79	990 1130	1550 1780	6,0 10,5	0,56 0,6 0,63

Сравнение этих данных с результатами, представленными в табл. 9 показывает, что модуль сжатия мал по сравнению с модулем растяжения. Это объясняется тем, что сжатие достигается в результате изгибания волокон, требующего меньших усилий, чем растяжение. При сжатии в большей мере проявляются гибкость и эластичность волокна. А возможности изгибания, сближения и заклинивания соседних волокон связаны с пористостью бумаги.

Сильное сжатие вызывает существенное изменение структуры бумаги, и прежде всего повышение ее плотности и снижение пористости. В результате увеличивается ее сопротивление дальнейшему сжатию – возрастает модуль сжатия (табл. 10). Поэтому повышение давления вызывает уменьшение прироста деформации (рис. 22 и рис. 23).

Рис. 23. Зависимость деформации сжатия бумаги от давления: 1 – бумага №2, 2 – бумага №1, 3 – мелованная бумага

Бумага подвергается сжатию под давлением при печатании с форм высокой печати. В большей степени сжимаются выступающие участки неровной поверхности бумаги, поэтому происходит ее выравнивание, повышающее эффективную гладкость под давлением печати.

Помимо сжатия бумаги давление формы вызывает ее местное растяжение по краям печатающего элемента, как это показано на рис 24. Для избежания остаточного оборотного рельефа на оттиске необходимо чтобы эти деформации были обратимы. Однако оттиски, полученные способом высокой печати с жестких форм, обычно имеют следы оборотного рельефа. Одной из причин остаточных деформаций является уплотнение в зоне сжатия. Вторая и более важная причина – значительные растяжения по контуру печатающего элемента, превышающие предельную растяжимость бумаги (рис. 24).

Рис. 24. Схема деформации бумаги при высокой печати:

а – исходное состояние, б – момент печатания, в – остаточная деформация после печатания, 1 – форма, 2 – бумага, 3 - декель

Это приводит к остаточным деформациям бумаги и вызывает местные разрывы в ее структуре. Поэтому для компенсации недостаточной гладкости бумаги нельзя применять чрезмерное давление с целью получения пропечатки изображения. Необратимые деформации возникают также при тиснении или печатании с тиснением. Цель процесса – остаточная деформация, а показатель качества – устойчивость рельефа тиснения (необратимость деформации) и величина остаточной деформации. В данном случае речь идет об абсолютной деформации сжатия, соответствующей глубине рельефа тиснения. Этот эффект зависит от толщины материала, так как абсолютная величина пропорциональна начальному размере – толщине.

Деформация изгиба. При изгибе наружная сторона листа растягивается, а внутренняя сжимается (рис. 25).

Рис. 25. Схема деформации изгиба

При изгибе на угол  по окружности радиусом r длина наружной стороны станет равной

,

где h – толщина листа.

Так как начальная длина равна длине средней линии, не изменяющейся при изгибе

,

то относительная деформация растяжения будет равна

.

Деформация сжатия внутренней стороны листа имеет тоже значение, но с обратным знаком. Отсюда следует, что деформация растет с увеличением толщины и с уменьшением радиуса изгиба.

Изгибание с большим радиусом равносильно малым и обратимым деформациям. Более существенные деформации происходят при малых радиусах изгиба, например при фальцовке. В этом случае деформации превышают предельную растяжимость и происходят местные разрушения структуры. Это приводит к необратимым деформациям и образованию устойчивого не разгибающегося фальца. На внутренней стороне происходит сжатие и уплотнение. Уплотненные участки стремятся разжаться, что вместе с упругим растяжением вызывает частичное изгибание фальца.

Большое практическое значение имеет способность бумаги выдерживать без разрушения многократные перегибания, т.е. прочность на излом. Это изгибы с большой кривизной, когда наружная сторона бумаги вынуждена испытывать деформации, превышающие предел растяжимости.

Способность бумаги выдерживать перегибы объясняется ее пористой структурой и гибкостью волокна, поэтому в зоне деформации происходит не только растяжение, но и сжатие.

Деформации местного растяжения столь велики, что часть связей разрывается. При последующих перегибаниях количество разрывов нарастает, вплоть до полного разрушения бумаги. Сопротивление бумаги излому снижается, если она вырабатывается из более жесткого волокна. Разрывы могут ускоряться и прочность на излом снижаться вследствие истирания волокон частицами наполнителя при изгибах.

Прочность на излом характеризуется количеством двойных перегибов, вызывающих разрыв. В машинном направлении бумага имеет большую прочность на излом, чем в поперечном.

Релаксация упругих напряжений в бумаге. Остаточные деформации при растяжении, сжатии изгибах бумаги возникают в результате изменения ее структуры, заключающихся в образовании новых связей при сжатии или при растяжении связей при разрушении. В последнем случае они могут привести к разрывам.

При кратковременных действиях нагрузок много меньше разрывных бумага испытывает малые деформации, которые относятся к упругим и исчезают после снятия нагрузки. Если эти нагрузки действовали длительное время, то обратимая деформация переходит в остаточную. Например, когда бумага долго находилась в свернутом состоянии. При радиусе кривизны 5 см бумага толщиной 0,1 мм испытывает растяжении всего 0,1%. Если бумагу сразу развернуть, то она полностью не распрямляется. При этом сохраняется упругость, которую приходится преодолевать при распрямлении листа. Это объясняется тем, что при длительном напряженном состоянии в бумаге медленно протекает перегруппировка связей, приводящей к остаточной деформации без изменения общей характеристики структуры.

Прочность на продавливание характеризует сопротивление бумаги усилиям, направленным перпендикулярно ее поверхности. Определяется на специальном гидравлическом приборе, создающем давление, вызывающее продавливание поверхности бумаги.

Прочность поверхности бумаги. Трение бумаги в печатной машине приводит к отделению от нее частиц волокна и наполнителя. Образующаяся пыль засоряет форму и вызывает брак печатной продукции. Форма может загрязняться и в результате выщипывания волокна или частиц покровного слоя бумаги липкой краской. Это происходит при достаточной общей прочности структуры бумаги, характеризуемой пределом прочности или условно разрывной длиной. Для предотвращения пыления и выщипывания применяют поверхностную проклейку. Испытания пылимости проводят на приборах, основанных на истирающем действии острого лезвия с определением потери массы бумаги в результате истирания.

Особенности механических свойств бумаги. Бумага образована из гибких эластичных волокон, но связи между ними придают ей свойства упруго - хрупкого материала. Это выражается небольшой растяжимостью, завершающейся разрывом, и большим модулем растяжения. Механические свойства бумаги различны в разных ее направлениях. Деформационные реакции бумаги различны при растяжении и сжатии. При сжатии наблюдаются значительно большие деформации и меньшая жесткость, что связано с пористой структурой бумаги и гибкостью волокна.

Структура и свойства бумаги изменяются при механических воздействиях на нее:

при растяжении под действием малых нагрузок, далеких от разрывных, но действующих длительное время, упруго - напряженная структура может релаксировать с переходом упругих деформаций в остаточные;

нагрузки более высокие, но все же меньшие чем разрывное усилие, вызывают при растяжении бумаги постепенное разрушение ее структурных связей. В результате при сохранении целостности бумаги прочность ее уменьшается;

при деформации сжатия происходит уплотнение и образование новых структурных связей. При значительном уплотнении это приводит к остаточной деформации.

Все это относится к свойствам бумаги при нормальной влажности.