ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЛУБОКОГО СПОСОБА ПЕЧАТИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты экспериментальных исследований деформационных свойств при растяжении образцов из волокнообразующих полимерных материалов в виде полиэтилена(ПЭ) и полипропилена (ПП), которые относятся к невпитывающим запечатываемым материалам и в форме тонких пленок широко используются при глубоком способе печати в производстве печатной продукции (газеты, упаковки, этикетки). С учетом особенностей способа глубокой печати, когда печатающие элементы расположены ниже, чем пробельные, показана определяющая роль деформационных процессов запечатываемых полимерных материалов, зависящих от основного режимного параметра печати-давления между печатной формой на формном цилиндре и печатным цилиндром.

Получены важные механические характеристики (прочность при разрыве σ, МПа; относительное разрывное удлинение ε,% ; модуль продольной упругости Е, МПа) приведенных полимерных пленок, которые могут быть использованы в расчетной практике для обоснования технологической нагрузки в зоне печатного контакта, вызывающей только возникновение  упругих деформаций и, как следствие, формирование высококачественных изображений оттиска с непрерывными и точными градационными  переходами.

ABSTRACT

The article presents the results of experimental studies on the deformation properties under tensile stress of samples made from fiber-forming polymeric materials such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP). These materials belong to the class of non-absorbent printable substrates and, in the form of thin films, are widely used in the gravure printing process for the production of printed materials (newspapers, packaging, labels).Taking into account the specific features of the gravure printing method—where the printing elements are recessed below the non-printing areas—the study highlights the crucial role of the deformation behavior of printable polymeric materials, which is influenced by the main technological parameter of the printing process: the pressure between the printing plate on the form cylinder and the impression cylinder.

Key mechanical characteristics were obtained for the studied polymer films, including tensile strength (σ, MPa), elongation at break (ε, %), and longitudinal elastic modulus (E, MPa). These parameters can be used in practical calculations to justify the technological load in the printing contact zone, which should only cause elastic deformations. This, in turn, ensures the formation of high-quality printed images with continuous and precise tonal gradations.

Ключевые слова: полимерные пленки, полипропилен, полиэтилен, глубокий способ печати, деформация, растяжение, модуль упругости, диаграмма, напряжение.

Keywords: polymer films, polypropylene, polyethylene, gravure printing, deformation, tension, elastic modulus, diagram, stress.

Введение. В настоящее время в полиграфии и упаковочном производстве широко используется большой спектр волокнообразующих полимерных материалов: полиэтилен низкой и высокой плотности (соответственно ПЭНП и ПЭВП), полипропилен (ПП), полиэтилентерефтолат (ПЭТФ), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС) и ряд других композиционных материалов, включая комбинированные многослойные пленки.

Важно отметить, что на долю ПЭ и ПП приходится 54%от общего объема производства полимерных материалов в мире [1], при этом упаковка для пищевой продукции включает 29% полипропилена, 18% полиэтилена и 21% пористых многослойных материалов [2]. Среди перечисленных полимерных материалов наибольшее распространение, как за рубежом, так и в республике в качестве упаковочных и этикеточных материалов получили ПЭ, ПП, ПЭТФ, относящиеся к невпитывающим запечатываемым материалам.

Высокий и непрерывный рост спроса на упаковочные материалы предопределяет увеличение требований к качеству печати на запечатываемых материалах при производстве упаковок, отличающихся прочностью, яркой цветовой гаммой, эстетичностью, а также рядом специфических свойств: герметичностью, устойчивостью к воздействий бактерии и температуры. Последние ценные качественные показатели обеспечиваются применением металлизированных пленок, т.е. пленки с тонким слоем алюминиевого покрытия.

Металлизированные многослойные упаковочные   материалы в основном находят применение для упаковки пищевых продуктов, создавая при этом множество их разновидностей. В целом многослойные упаковочные материалы на основе из металлизированной фольги состоят из алюминиевой фольги, бумаги, картона, полимерной пленки и адгезивов. Алюминиевые комбинированные запечатываемые материалы, как и полимерные пленки, относятся к невпитывающим материалам и отличаются очень гладкой с минимальной шероховатостью поверхности. Обычно для их печати применяется метод глубокой печати [3-5], занимающий лидирующее положение в производстве качественной упаковки и одновременно являющийся одним из самых быстро развивающихся в полиграфии отрасли.

Основной конструктивной особенностью оборудования для глубокой печати является то, что печатающие элементы расположены ниже, чем непечатающие (пробельные). Таким образом, способ глубокой печати характеризуются применением форм с углублением печатающих элементов. Пробельные элементы на поверхности печатной формы расположены в одной плоскости и создают печатную структуру.

На всю печатную форму, состоящую из пробельных и печатающих элементов, при печати наносится краска и форма заливается ею. Перед печатью происходит удаление печатной краски с пробельных элементов и таким образом, она остается только в углублениях. Высокое технологическое давление и силы адгезии обеспечивают перенос краски из углублении на поверхность запечатываемого материала.

Отличительной особенностью способа глубокой печати является изменение слоя краски для печати полутоновых изображений. При этом важно отметить, что высококачественные воспроизведение таких полутоновых изображений нельзя осуществить в других способах печати. Данный способ печати обладает уникальностью в передаче градационных оттенков, что объясняется нанесением краски на запечатываемый материал в слоях разной толщины, обеспечивая непрерывность и точность градационных переходов.

Кроме конструктивных особенностей рабочих поверхностей элементов, находящихся в зоне печатания, на качество оттисков влияет еще и ряд других факторов: комплекс свойств запечатываемого материала, оборудование и технология, включающая режимные параметры печатания. Среди режимных параметров основным является необходимое усилие, создаваемое давление печатного цилиндра для переноса краски на запечатываемый материал.

Материал и составляющие деформации. Запечатываемый материал, находясь в зоне печатного контакта, подвергается упругой деформации, как промежуточное звено между жестким печатным цилиндром и мягким формным цилиндром (глубокая, флексографская печать). Следовательно, упругие свойства запечатываемого материала, например, волокнообразующих полимерных пленок (ПП, ПЭ, ПЭТФ), представляют собой существенный фактор как средство регулирования печатным процессом на невпитываемых материалах с целью изыскания и вскрытия научно-обоснованных резервов повышения эффективности печати.

Среди физико-механических свойств материалов, в том числе и запечатываемых, показателями, определяющими качество и эксплуатационное состояние продукции, является прочность при разрыве , модуль упругости E, относительная деформация при разрыве  ε. Полимерные пленки, используемые в печатном процессе, как и в общем случае поведения полимерных тел  при нагружении, характеризуются одновременным протеканием трех видов деформации: упругой , высокоэластической   и  пластический :

 ,                                                                 (1)

где ε -общая (суммарная) относительная деформация.

Так как точное разделение общей относительной деформации на упругую, эластическую и пластическую затруднительно, то полную деформацию полимерных материалов целесообразно рассматривать как состоящую из следующих частей: обратимых (упругой и эластической) и необратимой (пластической). Основываясь на таком подходе, авторами [6],  были получены основные закономерности деформирования многих текстильных материалов, отличающихся сырьевым составом, линейной плотностью и др.

Все составные части полной деформации при действии внешней силы начинают развиваться одновременно, но с различными и присущими им скоростями. Отдельные части волокон полимеров могут быть из вещества, структура которого находится упорядоченном или даже в кристаллическом состоянии, а другие, наоборот, состоят из плохо ориентированных и порой даже относительно слабо взаимодействующих молекул. Безусловно, эти  разные части деформируются по-разному, в конечном итоге формируя суммарную полную деформацию.

При растяжении волокон под действием внешней силы происходит деформация фибриллярной структуры в виде изменения ориентации кристаллитов и аморфных участков, деформации их в осевом направлении. Так как ориентация кристаллитов в волокнах обычно высока, то ее увеличение при растяжении волокон сравнительно невелико. Однако ориентация макромолекул в аморфных участках при растяжении существенно возрастает.

Чем менее упорядочена структура волокон, тем в большой степени она трансформируется при нагружении с глубокими структурными перестройками, в значительной степени необратимыми. Таким образом, деформационные свойства волокон определяются в основном деформируемостью аморфных областей структуры, которые являются и наиболее «слабыми местами», по которым происходит разрушение волокон.

Оценка общей относительной деформации  может быть дана исходя из следующего. Рассмотрим линейный элемент  некоторого тела, находящегося первоначально в недеформированном состоянии (рис.1). Пусть после деформирования он преобразуется в линейный элемент . Тогда величина относительной деформации удлинения без учета изменения направления будет определяться соотношением

                                                                  (2)

Рисунок 1. Изменение в ориентации линейного элемента P_oQ_o при деформировании

В общем случае следует учитывать изменение в ориентации линейного элемента при деформировании. Данное изменение содержит направление линейного элемента    в прямоугольных координатах с помощью направляющих косинусов ()  и сдвиг точки  при деформировании в направлении осей x,y,z , характеризуемый с помощью перемещений u (x,y,z),(x,y,z)  и  (x,y,z). При этом уравнение (2) записывается в виде

,                     (3)

где

= ∂u/∂x ;                    = ∂v/∂y ;              = ∂w/∂z ;

 ;      ;       ;           (4)

Величины ,  и    являются относительными деформациями в точке  соответственно по осям x, y  и  z ,  и деформации  ,  и    -  сдвиговые деформации в точке . В соотношениях (3) и (4) не учитываются производные второго и выше порядков в составляющих перемещениях и поэтому они справедливы только при малых деформациях сплошного деформируемого тела.

Для полимерных материалов, применяемых в качестве запечатываемых, деформационные процессы чрезвычайно важны, так как от интенсивности деформации полимерной пленки под влиянием технологической нагрузки в зоне печатания зависит качество воспроизведения изображений, включая передачу градационных оттенков при прочих равных условиях, например, при глубоком способе печати.

Совершенно очевидно, что для печати на полимерных пленках недопустимо появление необратимых деформаций. Только упругие деформации, полностью и мгновенно исчезающие после снятия технологической нагрузки на пленку после выхода из зоны печатания, создают благоприятные условия для получения качественного оттиска. Оценка уровня упругих деформаций невозможна без детального анализа зависимости напряжения и деформации, которую проводят по данным экспериментальных исследований (испытаний) на растяжение, являющееся основным и наиболее распространенным  методом исследования и контроля механических свойств конструкционных материалов и, в первую очередь, металлов. Однако и для полимерных материалов испытание на растяжение является главным, имеющим информационную и практическую ценность.

Метод экспериментального исследования. Зная некоторые закономерности деформируемости полимерных материалов, важным представляется экспериментальное исследование взаимосвязи напряжения и деформации, развиваемых при растяжении полимерных запечатываемых пленок в виде специальных образцов.

При изучении механических свойств полимерных плёнок, как волокон и нити, наибольшее значение получили исследования их растяжения. Особенно это актуально для волокнообразующих полимеров (ПП, ПЭ, ПЭТФ), применяемых в печатном процессе. Запечатываемый материал, вследствие вращательного движения рабочих органов машин, в зоне печати подвергается сложной деформации в виде сжатия и последующего растяжения контактных слоёв печатного материала, что вызвано кинематикой и динамикой процесса печати.

Учитывая специфику печатной продукции (отсутствие длительных и многократно повторяющихся эксплуатационных нагрузок, что характерно, например, для текстильных изделий), экспериментальное изучение растяжения направлено на получение полуцикловых характеристик с доведением образцов до разрушения. Для этого с помощью внешней силы вызывают растяжение образца, непрерывно увеличивающееся по некоторому закону. За сравнительно короткое время (обычно от доли секунд до нескольких десятков секунд) внутренние напряжения в нём резко увеличиваются и проба доводится до разрыва. Определяются характеристики (усилия, деформация и др.), относящиеся к процессу растяжения и к моменту разрыва. Зависимость получаемых характеристик от времени при этом обычно не устанавливается и чтобы исключить это влияние, каждое испытание проводится в течение некоторого постоянного времени.

Испытания осуществляются на разрывных машинах разнообразных конструкций. В настоящем исследовании экспериментальные исследования  проведены на разрывной машине модели “SHIMADZU” AG-X Plus (рис.2).

Рисунок 2. Разрывная машина “SHIMADZU” AG-X Plus

В качестве полимерных материалов для экспериментальных исследований были выбраны плёнки полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и биаксиально ориентированные полипропиленовые плёнки (БОПП), произведённые соответственно в ООО "Maya-plast" и ООО "Sirdaryo mega-lyuks". Их физико-механические свойства приведены в табл.1.

Таблица 1.

Физико-механические свойства полимерных пленок, применяемых в качестве запечатываемого материала

Как следует из данных табл. 1, приведённые физико-механические свойства полимерных плёнок соответствует диапазону значений, установленных нормативными документами [7,8]. Экспериментальные образцы из полимерных плёнок имели ширину 15 мм и рабочую длину 100 мм.

Результаты и обсуждения. Разрывная машина указанной модели оснащена диаграммным устройством, позволяющим непрерывно регистрировать кривые зависимости «напряжение - относительное удлинение» в процессе нагружения до разрыва образца. Результаты испытаний на растяжение образцов из полимерных печатных материалов представлены на рис.3 и рис.4 (плёнки БОПП), а на рис.5 и рис.6– плёнки ПЭНП.

Рисунок 3. Диаграмма деформирования при растяжении пленки полипропилена(БОПП) со скоростью (V=100 мм/мин) в продольном направлении

Рисунок 4. Диаграмма деформирования при растяжении пленки полипропилена(БОПП) со скоростью (V=100 мм/мин) в поперечном направлении

Две кривые диаграммы деформирования «напряжение-деформация» отражают крайние положения этих кривых при пятикратной повторности. Разность значений напряжений σ при этом для фиксированных деформаций монотонно уменьшается практически до нуля в точке разрыва. В начальной стадии  разность напряжения наибольшая и составляет более 20 МПа. При этом максимальное напряжение (напряжение разрыва) σ=250 МПа, соответствующее максимальной относительной деформации ε=62,5%.

Деформируемость плёнки БОПП в поперечном направлении по сравнению с продольным выражена в меньшей степени. Так, если напряжение разрыва σ=31 МПа вызывает деформацию ε=31% (рис.4), то этому значению деформации нормальное напряжение σ=200 МПа (рис.3). Такое существенное различие напряжений связано с преимущественным расположением волокон данного полимера вдоль растягивающей внешней силы.

Рассматриваемое напряжение в сущности является условным, так как учитывается первоначальная площадь поперечного сечения образца, хотя она фактически уменьшается из-за уменьшения толщины плёнки по мере растяжения.

Вычисление модулей упругости для полимерных материалов допустимо, если рассматривать малые деформации, как и в текстильном материаловедении и предположить, что они будут полностью обратимыми. Поэтому такие модули часто называют начальными [6], подразумевая, что они получены для начальных условий растяжения. Так, продольный модуль упругости Е, вычисляемый по диаграмме деформирования через напряжение σ и относительную деформацию ε в пределах линейной зависимости в условиях малой деформации, определяется из соотношения

     ,                                                      (12)

где α-угол наклона линейного участка кривой деформирования относительно оси абсцисс (деформации ε).

 Для образца плёнки БОПП по данным диаграммы деформирования (рис. 3) продольный модуль упругости составляет Е=2778 МПа.

 На рис.5 и рис.6 даны диаграммы растяжения образцов из полиэтилена (ПЭНП) соответственно в поперечном и продольном направлениях. Испытания показали, что полуцикловые характеристики существенно отличаются по сравнению с образцами плёнки БОПП: высокая растяжимость с относительной деформацией разрушения ε=761% (поперечное направление)

и ε=1000% (продольное направление). Разрывные напряжение соответственно равны σ =34,21 и 21,03 МПа. Полученные данные деформируемости ПЭНП согласуется с результатами исследования растяжимости полимеров, показанными на рис.3: деформируемость полипропилена существенно меньше, чем ПЭНП. Высокая растяжимость при малых значениях напряжений может негативно отразиться на качестве печатной продукции.

Рисунок 5. Диаграмма деформирования при растяжении пленки ПЭНП пленки со скоростью V=100 мм/мин в поперечном направлении

Рисунок 6. Диаграмма деформирования при растяжении пленки ПЭНП пленки со скоростью V=100 мм/мин в продольном направлении

Анализ диаграмм растяжения (рис.5 и рис.6) показывает, что появляется участок так называемый "текучести" (как и для малоуглеродистой стали), когда при постоянном напряжении деформация образца возрастает. Далее на диаграмме  растяжения наблюдается резкое возрастание напряжения σ, что подтверждает акт деформационного упрочнения, как и в металлических изделиях. Непрерывность кривой деформирования в продольном направлении (рис.6) явно нарушена, что может свидетельствовать о нестабильности структуры волокон и строений их в продольном направлении.

В табл.2 представлены обобщённые данные результатов экспериментальных исследований при растяжении образцов из волокнообразующих полимеров, применяемых в качестве запечатываемого материала в полиграфии и упаковочном производстве.

Таблица 2.

Данные механических характеристик, полученных при растяжении образцов из полимерных пленок

Заключение. Таким образом, получены важные механические характеристики волокнистых полимерных материалов (БОПП, ПЭНП), которые необходимы в расчётный практике при моделировании контакта твёрдых тел в различных технологических процессах, в частности, в зоне печатного контакта при глубоком способе печати, характеризующейся упругими деформациями запечатываемого материала. Учёт интенсивности его деформации и связанного с ней технологической нагрузки, безусловно, является надёжным средством получения качественных оттисков в печатном процессе.

Список литературы:

1. BOPP плёнка. [Электронный ресурс]. – входной режим:  www.okhta.ru/articles/bopp-plenka
2. Упаковочные изделия из полимерной пленки . [Электронный ресурс]. – входной режим:  https://e-plastic.ru/news
3. Крыжановский В.К.,  Кербер М.Л., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д.. Производство изделий из полимерных материалов/Учеб. Пособие СПб.: Профессия, 2004. -464 с.
4. Сафаева Д.Р. Исследование печатно-технических свойств упаковочного материала(полипропилен) глубоким способом печати: Автореф. ...дис.докт.филос.(PhD) по техн.наук. — Ташкент:ТИТЛП,2022.-48с.
5. Safaeva D.R., Bulanov I.A., Toshmuxamedova Sh.B.. Experimental studies of the deformation-strength properties of materials for printing in the form of single-layer films of polypropylene and polyethelene // AIP Conference Proceedings.  3304,D30065(2025), July 21,2025
6. Кукин Т.Н. , Соловьев А.Н., Кобляков А.И. Текстильное материаловедение (волокна и нити). ̶ М.: Легпромбытиздат. 1989-352 с.
7. ГОСТ 26996 -86. Полипропилен и сополимеры пропилена. Технические условия. /ИПК Издательство стандартов. Москва.2005.
8. ГОСТ 16338-85 Полиэтилен низкого давления. Технические условия./Москва. Стандартинформ. 2005