МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БУМАГИ И КРАСКИ ПРИ ОФСЕТНОМ СПОСОБЕ ПЕЧАТИ

УДК  677:021:154

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании комплексно изучены физико-химические и оптические свойства печатного процесса. Проанализированы механизмы взаимодействия между бумагой и краской, в частности, процессы закрепления, растекания и кинетика высыхания краски. Интенсивность цвета и оптические характеристики оценены на основе модели Кубелки–Мунка. Результаты исследования показали, что печатный процесс имеет нелинейный характер, при котором даже незначительные изменения технологических параметров оказывают существенное влияние на качество печати. Установлено, что зависимость между текучестью краски и качеством печати имеет параболический характер, при этом оптимальное значение наблюдается в диапазоне 1,0–1,2 Па·с. С увеличением пористости бумаги возрастает скорость проникновения краски в её поры, однако снижается интенсивность цвета. Анализ по контактному углу показал, что оптимальная адгезия достигается в интервале 40°–60°. На основе полученных результатов научно обосновано понятие «показатель качества печати». Данный подход имеет важное значение для оптимизации параметров печатного процесса и получения продукции высокого качества.

ABSTRACT

In this study, the physicochemical and optical properties of the printing process were comprehensively investigated. The mechanisms of interaction between paper and ink were analyzed, particularly the processes of ink fixation, spreading, and drying kinetics. Color intensity and optical characteristics were evaluated based on the Kubelka–Munk model. The results showed that the printing process has a nonlinear nature, where even minor changes in technological parameters significantly affect print quality. It was established that the relationship between ink fluidity and print quality has a parabolic character, with an optimal value observed in the range of 1.0–1.2 Pa·s. As paper porosity increases, the rate of ink penetration into the pores increases; however, color intensity decreases. Contact angle analysis showed that optimal adhesion is achieved within the range of 40°–60°.

Based on the obtained results, the concept of a “print quality index” was scientifically substantiated. This approach is important for optimizing printing process parameters and obtaining high-quality printed products.

Ключевые слова: Печатный процесс; модель Кубелки–Мунка; интенсивность цвета; пористость бумаги; текучесть; контактный угол; адгезия; кинетика высыхания; нелинейная система; окно качества печати; оптические свойства; взаимодействие «бумага–краска».

Keywords: Printing process; Kubelka–Munk model; color intensity; paper porosity; fluidity; contact angle; adhesion; drying kinetics; nonlinear system; printing quality window; optical properties; ink–paper interaction.

Введение. Современная полиграфическая промышленность является одной из важнейших технологических систем передачи информации, эффективность и качество продукции которой зависят от множества факторов. Основными компонентами, формирующими качество печатной продукции, являются бумага и краска. Взаимодействие между этими компонентами представляет собой сложный комплекс физико-химических процессов, определяющих чёткость, цветопередачу и прочность печатного изделия. Научные исследования показывают, что микроструктура бумаги и реологические свойства краски определяют основные параметры печатного процесса [1]. В то же время взаимодействие бумаги и краски необходимо изучать не только на основе отдельных параметров, но и с применением системного подхода [2].

Целью данного исследования является научный анализ требований, предъявляемых к печатной бумаге и краскам в полиграфическом процессе, выявление механизмов их взаимодействия с использованием математических моделей, а также определение путей оптимизации качества печати.

Методическая часть. В данном исследовании полиграфический процесс рассматривается не как совокупность простых технологических операций, а как многопараметрическая сложная система, включающая взаимосвязанные физические, химические и механические процессы. Такой подход широко применяется в современных научных работах и позволяет анализировать не отдельные компоненты системы, а их взаимодействие [3].

Качество печати в общем виде выражается следующей функциональной зависимостью:

Q=f(P, I, M, T)

где Q – показатель качества печати, включающий такие комплексные параметры, как чёткость изображения, интенсивность цвета, контраст и прочность. P – физико-механические и оптические свойства бумаги, I – реологические и химические характеристики краски, M – механические воздействия в процессе печати (давление, скорость), а T – технологические условия (температура, влажность, режим сушки).

Методология исследования основана на описании взаимного влияния этих параметров с использованием математических моделей. Структурная модель бумаги построена на основе теории пористой среды [4,5]. Пустоты между волокнами бумаги образуют капиллярную систему, через которую происходит закрепление краски. Данный процесс описывается законом Дарси:

Данное уравнение позволяет определить скорость проникновения краски в бумагу. Здесь коэффициент пористости (k) характеризует степень открытости структуры бумаги, а вязкость (μ) отражает сопротивление потоку краски. Научный анализ показывает, что с увеличением пористости краска быстрее впитывается, однако при этом снижается степень её удержания на поверхности, что приводит к уменьшению интенсивности цвета [6].

Модель течения краски была исследована на основе реологического подхода. Печатные краски, как правило, относятся к неньютоновским жидкостям, то есть их вязкость изменяется в зависимости от скорости сдвига. Это поведение описывается следующим уравнением:

где n – реологический показатель, определяющий тип течения краски. При n < 1 краска проявляет псевдопластические свойства (разжижается под воздействием температуры и сдвига), что обеспечивает её более лёгкое перенесение в процессе печати [7].

Оптическая модель основана на теории Кубелки–Мунка и описывает процессы цветопередачи и распределения света на поверхности бумаги. С помощью данной модели оцениваются оптическая плотность красочного слоя и интенсивность цвета. Белизна и коэффициент отражения рассматриваются как основные детерминанты качества цвета [8]. Оптические свойства были проанализированы на основе модели Кубелки–Мунка:

Офсетный печатный процесс основан на физико-химическом различии между гидрофильными и гидрофобными поверхностями. Гидрофильные участки печатной формы удерживают увлажняющий раствор и отталкивают краску, тогда как гидрофобные участки, наоборот, воспринимают краску. Равномерное распределение краски по поверхности запечатываемого материала и формирование качественного изображения зависят от степени смачивания поверхности (wetting), которая оценивается через контактный угол.

Согласно уравнению Кубелки–Мунка [9], отношение K/S характеризует интенсивность цвета печатного материала. Если коэффициент отражения (R) мал, это означает, что материал поглощает больше света и отражает его меньшую часть. В таком случае значение K/S велико, что свидетельствует о тёмном, насыщенном и интенсивном цвете. Напротив, при большом значении R поверхность отражает больше света, в результате чего цвет выглядит более светлым и менее насыщенным, а значение K/S уменьшается. Модель Кубелки–Мунка является важным научным инструментом для определения интенсивности цвета и контраста печатных материалов, позволяя точно и надёжно оценивать их оптические свойства.

Процесс адгезии краски к бумаге был изучен на основе теории поверхностной энергии. С помощью уравнения Юнга степень адгезии оценивается через контактный угол:

γSG​=γSL​+γLG​cosθ

Здесь:

γSG — энергия поверхности между твёрдым телом и воздухом;

γSL — энергия поверхности между твёрдым телом и жидкостью;

γLG — энергия поверхности между жидкостью и воздухом;

θ (тета) — угол смачивания (контактный угол) при попадании капли на поверхность.

Данная формула описывает, каким образом печатная краска смачивает поверхность бумаги и как формируется взаимодействие между жидкой краской и твёрдой основой, что напрямую влияет на качество адгезии и равномерность нанесённого изображения.

Рисунок 1. Состояние печатной краски при переходе на поверхность бумаги

Из данного рисунка видно, в каком состоянии находится печатная краска при контакте с поверхностью бумаги — растекается ли она по поверхности или остаётся в виде капли. Если краска хорошо смачивает поверхность бумаги, она равномерно растекается и покрывает её тонким слоем. В этом случае контактный угол мал, что считается благоприятным для печатного процесса, так как краска переносится чётко и равномерно. В результате изображение получается более чётким и качественным [10].

Напротив, если краска плохо смачивает поверхность печатного материала, она не растекается и остаётся в виде капли. В этом случае контактный угол велик. Такая ситуация вызывает проблемы в печати, поскольку краска распределяется неравномерно, что приводит к ухудшению качества изображения.

Таким образом, данное уравнение позволяет объяснить, как краска взаимодействует с поверхностью бумаги, как она растекается и каким образом формируется итоговое качество цвета. При малом контактном угле краска хорошо распределяется и прочно закрепляется на поверхности бумаги, что улучшает качество печати [11].

Результаты. В ходе исследования были проведены эксперименты с изменением различных параметров. Основные свойства бумаги и краски варьировались, после чего оценивалось качество печати.

Таблица 1

Экспериментальные результаты по качеству печати

Исследуемые параметры:

• Пористость бумаги: 0,5–2,0 × 10⁻¹² м²

• Вязкость краски: 0,5–2,0 Па·с

• Контактный угол: 20°–80°

• Скорость высыхания: 0,1–1,0 с⁻¹

Качество печати оценивалось как комплексный показатель в процентах. Результаты показали, что максимальные значения качества достигаются при средних значениях параметров.

Графический анализ. Зависимость между вязкостью печатной краски и качеством печати имеет нелинейный характер и проявляется в виде параболы. В офсетной печати краски с низкой вязкостью легко растекаются по поверхности запечатываемого материала, тогда как краски с высокой вязкостью формируют более чёткое и контрастное изображение. Оптимальное значение вязкости наблюдается в диапазоне μ ≈ 1,0–1,2 Па·с.

При использовании красок с высокой текучестью на бумаге с высокой пористостью скорость проникновения краски в поры бумаги увеличивается, однако интенсивность цвета снижается. Это объясняется тем, что пигментные частицы проникают внутрь структуры бумаги, уменьшая насыщенность изображения.

Анализ контактного угла показал, что диапазон 40°–60° является оптимальной зоной закрепления краски. В процессе сушки наблюдается зависимость скорости от параметров системы: при оптимальных значениях скорости высыхания качество печати достигает максимума.

Рисунок 2. Влияние текучести краски на качество печати

На данном графике показана зависимость между текучестью краски (μ) и качеством печати, которая имеет нелинейный, параболический характер. При низких значениях текучести краска становится излишне жидкой и неконтролируемо растекается по поверхности бумаги. В результате нарушаются контуры изображения и снижается точность печати.

Максимальное качество печати достигается при значениях текучести краски в диапазоне μ ≈ 1,0–1,2 Па·с. Эта область соответствует оптимальному режиму процесса.

При чрезмерно высокой текучести ухудшается закрепление краски на поверхности бумаги, в результате чего формируется недостаточный красочный слой, изображение становится размытым, а качество печатной продукции снижается.

Следовательно, для печатных красок необходимо строго поддерживать оптимальный диапазон значения коэффициента текучести.

Рисунок 3. Влияние пористости бумаги на интенсивность цвета

Данный график отражает изменение интенсивности цвета (K/S) в зависимости от пористости бумаги. Как видно из графика, с увеличением пористости бумаги интенсивность цвета уменьшается.

Причина этого заключается в том, что бумага с более пористой структурой способствует более глубокому проникновению краски в поры, в результате чего пигментные частицы в меньшей степени остаются на поверхностном слое. Это приводит к снижению отражённого света, уменьшению оптической плотности и, как следствие, к ослаблению насыщенности отпечатанного изображения.

Таким образом, одним из ключевых факторов, влияющих на качество печатной продукции, является поверхностная структура бумаги, в частности её гладкость и пористость.

Рисунок 4. Взаимосвязь между контактным углом и качеством адгезии

Данный график отражает зависимость между контактным углом и качеством закрепления краски на поверхности бумаги. Кривая имеет параболический характер, при этом оптимальная область находится в диапазоне 40°–60°.

Если контактный угол слишком мал (менее 40°), это свидетельствует о чрезмерном смачивании поверхности. В этом случае краска избыточно растекается по запечатываемому материалу, что может приводить к снижению чёткости изображения и нарушению границ элементов.

Напротив, при больших значениях контактного угла (более 60°) краска недостаточно смачивает поверхность бумаги и плохо закрепляется, что ухудшает адгезию и снижает качество печати.

Таким образом, диапазон 40°–60° является наиболее благоприятной зоной для обеспечения оптимального взаимодействия краски с поверхностью бумаги и формирования качественного печатного изображения.

Рисунок 5. Кинетика сушки печатного слоя

Данный график отражает процесс высыхания слоя печатной краски, который протекает по экспоненциальному закону. На начальном этапе наблюдается высокая скорость высыхания, обусловленная интенсивным испарением растворителя. По мере протекания процесса скорость уменьшается, поскольку удаление остаточной влаги становится затруднённым.

Из графика видно, что существует оптимальная скорость сушки, при которой качество печати достигает максимального значения. Слишком быстрое высыхание может привести к неравномерному закреплению красочного слоя, тогда как чрезмерно медленное высыхание способствует растеканию краски и снижению чёткости изображения.

Представленные графики подтверждают, что процесс печати является сложной многопараметрической и нелинейной системой. Каждый параметр имеет свою оптимальную область значений, и только их согласованное взаимодействие формирует итоговый показатель «качества печати». Отклонение от этих оптимальных диапазонов приводит к резкому ухудшению печатного результата. Поэтому для получения высококачественной продукции необходимо поддерживать технологические параметры в сбалансированном состоянии.

Анализ полученных результатов. Полученные данные показывают, что процесс печати имеет нелинейный характер. Это означает, что зависимость между параметрами системы не является прямо пропорциональной. Даже незначительные изменения пористости бумаги, текучести краски, давления или влажности могут существенно повлиять на конечное качество печати. В некоторых случаях такие изменения практически незаметны, однако в других — приводят к резкому снижению интенсивности цвета или нарушению чёткости изображения. Это указывает на наличие критических точек в системе печати, при которых малые изменения параметров вызывают значительное ухудшение качества.

Процесс печати основан на сложном взаимодействии между бумагой и краской. В системе существует равновесное состояние, определяемое балансом между закреплением краски и её растеканием по поверхности. В идеальных условиях эти процессы находятся в равновесии, обеспечивая высокую интенсивность цвета и максимальную чёткость изображения. Нарушение этого баланса приводит к дефектам: при чрезмерной текучести краска проникает вглубь бумаги, снижая насыщенность цвета, а при избыточном растекании нарушаются контуры изображения.

Таким образом, понятие «окно качества печати» (printing window) отражает диапазон оптимальных технологических параметров, при которых достигается наилучшее качество продукции. В этом диапазоне процессы закрепления и растекания краски находятся в равновесии, обеспечивая стабильную интенсивность цвета, высокую чёткость изображения и контраст. Выход за пределы данного окна приводит к резкому ухудшению качества из-за нелинейного характера системы.

Следовательно, эффективное управление процессом печати требует учёта его нелинейной природы, определения критических точек и поддержания всех параметров в пределах окна качества печати. Особенно важно детальное изучение взаимодействия бумаги и краски для нахождения оптимальных условий, обеспечивающих получение высококачественной печатной продукции.

Обобщённая модель качества печати может быть выражена следующим образом:

Q=αP+βI+γS−δD

Здесь S – поверхностное взаимодействие, D – дефекты.

В результате проведённых теоретических и моделирующих исследований было подтверждено, что качество печати определяется сложной взаимосвязью свойств бумаги и краски.

Анализ показал, что с увеличением пористости бумаги ускоряется капиллярное проникновение краски. Однако чрезмерное усиление этого процесса приводит к глубокому проникновению пигментных частиц в поры бумаги, что вызывает снижение интенсивности цвета. Следовательно, существует оптимальная пористость, отклонение от которой приводит к ухудшению качества печати.

Результаты по текучести краски показали, что при умеренно высокой текучести улучшается равномерность распределения краски по поверхности и повышается чёткость изображения. Однако слишком высокая текучесть затрудняет перенос краски, что приводит к неполному формированию печатных элементов.

По данным анализа контактного угла установлено, что оптимальная адгезия наблюдается в диапазоне 30°–60°. В этом интервале краска одновременно хорошо растекается и достаточно удерживается на поверхности.

Анализ процесса сушки показал, что скорость высыхания оказывает существенное влияние на качество печати. Слишком быстрое высыхание вызывает внутренние напряжения в красочном слое и образование микротрещин, тогда как слишком медленное высыхание приводит к смазыванию и проблемам закрепления.

Обсуждение результатов (Discussion). Полученные данные чётко демонстрируют нелинейный характер процесса печати. Это означает, что увеличение или уменьшение параметров не приводит к прямо пропорциональному изменению результата. Данная система должна рассматриваться как нелинейная, взаимосвязанная система.

Взаимодействие между бумагой и краской имеет состояние равновесия, нарушение которого приводит к дефектам печати. Например, высокая пористость вызывает чрезмерное закрепление краски и снижение интенсивности цвета, а низкая текучесть приводит к растеканию и потере чёткости изображения.

Также важную роль в формировании качества печати играют процессы поверхностной энергии и адгезии, которые зависят от химического состава и поверхностных свойств бумаги и краски. Поэтому их необходимо оптимизировать не по отдельности, а в интегрированном виде.

Заключение (Conclusion). Результаты данного исследования ещё раз подтверждают, что полиграфический процесс представляет собой сложную систему, в которой одновременно протекает множество взаимосвязанных физико-химических процессов. Качество печати формируется за счёт взаимодействия структурных свойств бумаги, реологических параметров краски, поверхностной энергии и кинетики сушки.

Основные научные результаты исследования:

• обоснован многопараметрический нелинейный характер процесса печати;

• определены критические точки равновесия между бумагой и краской;

• показана возможность прогнозирования качества печати на основе математических моделей.

В перспективе интеграция данного подхода с технологиями искусственного интеллекта позволит осуществлять управление печатным процессом в режиме реального времени, автоматически подбирать оптимальные параметры и обеспечивать получение высококачественной печатной продукции.

Список литературы:

1. Poljak Gaži J., Bates I. Анализ глубины проникновения краски в подложки для вторичной упаковки. Journal of Graphic Engineering and Design, 2025.
2. Ahmed F. M. и др. Улучшение печатаемости и цветопередачи текстиля с использованием полимерных обработок. Materials Today Communications, 2025.
3. Wei C. A. и др. Использование модели Кубелки–Мунка для прогнозирования поверхностного цвета. Coatings, 2024.
4. Zhang Y. и др. Механизмы взаимодействия краски и бумаги в современных печатных системах. Applied Surface Science, 2023.
5. Chen L. и др. Влияние пористости подложки на впитывание краски и качество печати. Colloids and Surfaces A, 2022.
6. Kumar A. и др. Реологическое поведение печатных красок и его влияние на печатаемость. Journal of Coatings Technology, 2022.
7. Singh R. и др. Кинетика высыхания растворительных печатных красок. Chemical Engineering Journal, 2022.
8. Li X. и др. Влияние поверхностной энергии и смачиваемости в печатных процессах. Surface Science Reports, 2021.
9.  Eshbaeva U. Zh. et al. Mathematical planning of an experiment in studying the printing process on kraft paper // Universum: technical sciences. - 2024. - Vol. 4. - No. 2 (119). - P. 51–56.Eshbaeva U. J. Офсетная бумага с введением синтетических полимеров и её печатно-технические свойства: диссертационная работа. – Ташкент: ТИТЛИ, 2017. – 234 с.
10. Eshbaeva U. Zh., Dzhalilov A. A. Composite technology for producing paper and cardboard with the inclusion of synthetic fibers // Bulletin of the National Academy of Sciences of Belarus. Series of Chemical Sciences. - 2022. - Vol. 58. - No. 4. - P. 418-422.

References:

1. Poljak Gaži J., Bates I. Analysis of the Depth of Paint Penetration in Substrates for Secondary Packaging // Journal of Graphic Engineering and Design. 2025. (In Russ.)
2. Ahmed F.M. et al. Improvement of Printability and Color Transfer of Textiles Using Polymer Treatments // Materials Today Communications. 2025. (In Russ.)
3. Wei C.A. et al. Use of the Kubelka–Munk Model for Predicting Surface Color // Coatings. 2024. (In Russ.)
4. Zhang Y. et al. Mechanisms of Paint and Paper Interaction in Modern Printing Systems // Applied Surface Science. 2023. (In Russ.)
5. Chen L. et al. Influence of Substrate Porosity on Paint Absorption and Print Quality // Colloids and Surfaces A. 2022. (In Russ.)
6. Kumar A. et al. Rheological Behavior of Printing Inks and Its Influence on Printability // Journal of Coatings Technology. 2022. (In Russ.)
7. Singh R. et al. Kinetics of Drying of Solvent-based Printing Inks // Chemical Engineering Journal. 2022. (In Russ.)
8. Li X. et al. Influence of Surface Energy and Wettability in Printing Processes // Surface Science Reports. 2021. (In Russ.)
9. Eshbaeva U.Zh. et al. Mathematical Planning of an Experiment in Studying the Printing Process on Kraft Paper // Universum: Technical Sciences. - 2024. - Vol. 4. - No. 2 (119). - P. 51–56. (In Russ.)
10. Eshbaeva U.Zh., Dzhalilov A.A. Composite Technology for Producing Paper and Cardboard with the Inclusion of Synthetic Fibers // Bulletin of the National Academy of Sciences of Belarus. Series of Chemical Sciences. - 2022. - Vol. 58. - No. 4. - P. 418-422. (In Russ.)