Оценка толщины красочного слоя печатной продукции из опытных образцов бумаги

АННОТАЦИЯ

В статье излагаются результаты экспериментального исследования и статистического анализа процесса красковосприятия при офсетном способе  печати на бумагах, включающих синтетические полимеры. На основе полученной модели красковосприятия установлены оптимальные параметры, позволяющие проводить объективную оценку и прогнозировать красковосприятие запечатываемых материалов.

ABSTRACT

The article presents the results of an experimental study and statistical analysis of the process of color perception during offset printing on papers, including synthetic polymers. Based on the obtained color perception model, the optimal parameters were established, which allow an objective assessment and prediction of the color perception of the printed materials.

Ключевые слова: красочный слой, оттиск, коэффициент перехода краски, реологические свойства, впитываемость (сорбция), качество печати, красковосприятие.

Keywords: paint layer, print, ink transfer coefficient, rheological properties, absorption (sorption), print quality, color perception.

Введение. В бумажной промышленности широко используется хлопковая целлюлоза. Из хлопковой целлюлозы получается мягкая и плотная бумага, сохраняющая свои свойства длительное время. Бумага, получаемая из хлопкового сырья, используется для производства банкнотов, чеков и других банковских бумаг высокой прочности [1, 2]. Однако технология изготовления бумаги в промышленных масштабах из хлопковой целлюлозы экономически нецелесообразна. Добавление в бумажную массу отходов текстильной и химической промышленностей позволит решить проблему эффективного и рационального использования сырьевых ресурсов, сэкономить дорогостоящую хлопковую целлюлозу, снизив себестоимость бумаги и значительно сократить потребность в завозе бумаги извне [3, 4].

Экспериментальное исследование. С целью рационального использования отходов синтетических волокнистых ресурсов и создания новых ассортиментов бумажного материала на основе местного сырья при изготовлении композиционной бумаги нами использовались хлопковая целлюлоза из линта, необработанные и гидролизованные отходы полиакрилонатрильных (ПАН) волокон нитрона, окрашенного натурального шелка (ОНШ) и модифицированного нитронового волокна [4]. Гидролиз отходов нитрона осуществлен в 5%-ном растворе щелочи при температуре (90±2)⁰ С.

Совместно со специалистами испытательного центра по целлюлозе, бумаге, картону и изделиям из них – УзРИЦ ЦБКИ при Акционерном обществе «Тошкент қоғози» были изготовлены опытные образцы бумаги и произведена оценка их качества по утвержденному технологическому регламенту [5].

Для исследования и статистического анализа распределения красочного слоя на поверхности оттиска нами отобраны восемь оптимальнқх вариантов бумаги (табл. 1).

Таблица 1.

Опытные образцы бумаги и их волокнистый состав

В настоящей работе коэффициент перехода краски на запечатываемый материал определялся путем сравнения массы запечатываемого материала до и после печати. Ниже приведены результаты статистического анализа распределения красочного слоя на экспериментальных бумагах.

В качестве основных входных факторов были приняты: давление, скорость и гладкость бумаги. Температуру печатной краски не учитывали с целью упрощения описания процесса перехода печатной краски на запечатываемую бумагу.

Методом планирования полного факторного эксперимента [6] были исследованы и получены ряд выходных параметров (параметров оптимизации) определяющих качество печатных изданий: толщина красочного слоя, оптическая плотность и коэффициент перехода краски.

Результаты и их обсуждение. Сначала был составлен план двухуровневого () трехфакторного эксперимента, где первым фактором является давление с кодировкой , вторым – скорость, с кодировкой , третьим – гладкость бумаги, с кодировкой , с двумя параллельными опытами. Из анализа априорной информации были определены основные факторы и составлена табл. 2.

Таблица 2.

Входные параметры полного трехфакторного эксперимента 1-опыт () 

2-опыт ()

Перед проведением регрессионного анализа была выполнена проверка однородно­сти дисперсии ошибок опытов и установлен закон распределения. Проверка однородности дисперсии ошибок опытов проводилась по методике, опи­санной в работе [7, 8].

Для определения уравнения регрессии составлена матрица на двух уровнях () для оптической плотности (), толщины красочного слоя, () и коэффициента перехода краски (), полученных в  параллельных  опытах, каждый из которых определён из  испытаний. Таким образом, имеем

 ,, ()                                  (1)

Для проведения эксперимента была построена матрица планирования и рабочая матрица. Рассмотрим случай проведения двух опытов в каждом варианте при числе набора ,  полагаем  и внесем их значения в табл. 3.

На первом этапе исследования был поставлен полный факторный эксперимент. Для исключения систематических ошибок эксперимента, предусмотренного матрицей, опыты проводили в случайной последовательности. Статистическую обработку опытных данных сначала провели для толщины красочного слоя . С целью определения показателя красковосприятия бумаги на листовой печатной машине Ryobi 780-4 (в издательско-полиграфическом творческом доме «Г.Гуляма» г. Ташкента) при заданных условиях были отпечатаны оттиски (CMYK) [4]. Печать проводилась краской Flint Group K+E Novavit F 700. Параметры окружающего воздуха были при этом постоянными и соответственно равными: относительная влажность воздуха Ψ=50-55% и температура t=20-21⁰С. Оптическая плотность полученных оттисков была измерена с помощью денситометра Gretag Makbet.

В табл. 3 представлена матрица плана эксперимента и результаты измерений параметра оптимизации (толщины красочного слоя) с некоторыми статистическими характеристиками.

Таблица 3.

Результаты значений толщина красочного слоя

Выполнив регрессионный анализ по рассчитанным статистическим характеристикам были получены данные по однородности дисперсии ошибок опытов, адекватности математической модели (уравнения регрессии) параметра оптимизации, значимости коэффициентов уравнения регрессии и др.

Статистический анализ результатов экспериментальных исследований произведен с помощью известных критериев Кохрена, Стьюдента, Фишера.

Уравнение регрессии, полученное в кодированных переменных , и  для толщины красочного слоя имеет вид:

                                                                                     (2)

С учетом значимости коэффициентов уравнения регрессии (2) получили линейную зависимость толщины красочного слоя z от трех входных параметров, в которой отсутствуют парные взаимодействия:

Таким образом, все коэффициенты при исследуемых факторах являются значимыми, что позволяет перейти к крутому восхождению по  методу Бокса-Уилсона [6] для достижения области оптимума рассматриваемой функции отклика.

                                       (3)

Следует отметить, что данный метод является частным случаем планирования эксперимента и относится к экстремальному эксперименту, когда осуществляется выбор минимально необходимых числа дополнительных опытов и условий их проведения. Крутое восхождение – это процесс движения к оптимуму по самому крутому пути при условии, что факторы изменяются пропорционально их коэффициентам. Движение по градиенту обеспечивает направление самого крутого склона, ведущего от данной точки к вершине.

Шаг движения по градиенту выбирают таким, чтобы его минимальная величина была больше ошибки, с которой фиксируют фактор.

Рассмотрим метод Бокса-Уилсона на примере исследования красковосприятия при печатании на экспериментальной бумаге. Параметром оптимизации является толщина красочного слоя z, мкм. Крутое восхождение начинаем из центра плана, т.е. из точки с координатами х₁=х₂=х₃=0, что соответствует давлению p=550 Н, скорости v=7000 отт/час и гладкости бумаги q=30с (табл. 4). Шаг движения для фактора х₃ принят ∆₃=10с. Вычислим шаг движения для факторов х₁ и х₂;

         (4)

Лучший результат получен в 10−ом опыте. Величина параметра оптимизации – толщина красочного слоя (z, мкм) является удовлетворительной, и поэтому экспериментальная работа была завершена. Таким образом, потребовалось 10 опытов для того, чтобы определить оптимальные условия печатания: p=780 Н, скорости v=8380 отт/час и гладкости бумаги q=40с. Необходимо отметить, что условия, оптимальные для толщины красочного слоя (z) очень близки для формирования наилучших показателей оптической плотности (D_оп.пл.=1,45) и краскоперехода (К_п=47,5) (табл. 4).

Таблица 4.

Расчет крутого восхождения

Оптимальное значение усилия прижима р=780Н легко перевести в давление (МПа), если воспользоваться известной формулой Герца для контактных напряжений, полученной им при сжатии двух цилиндров равномерно распределенной силой вдоль их образующей. Для данного усилия получено значение давления 0,76 МПа при следующих параметрах: диаметр печатного цилиндра Ø65 мм и приведенный радиус кривизны ρ_пр=16,25 мм; модуль упругости и коэффициент Пуассона для резины соответственно равны 2,67 МПа и μ=0,5; предел прочности (у резины он практически равен пределу упругости) σ_в=80 кг/см²; относительное удлинение не менее 300%. 

Выводы. Таким образом, по результатам проведенных исследований были получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель красковосприятия по методу крутого восхождения Бокса-Уилсона, достигнута область оптимума для функции отклика в виде толщины красочного слоя, зависящей от усилия прижима р (давления), скорости (v) и гладкости бумаги (q).

2. Оптимальными условиями взаимодействия краски и экспериментальной бумаги являются, средний радиус пор 35 нм, гладкости бумаги 40 с, белизна 84%, К_п=47,5, D_оп.пл.=1,45. Рекомендуется следующий режим печатания: скорость печатания: v=8380 отт/час, давление р=0,76 МПа (Ryobi 780-4).

3. Результаты исследования являются основой для рационального определения композиционного состава экспериментальной бумаги при ее проектировании и выработке как бумажной, так и полиграфической продукции. Данные экспериментальных исследований красковосприятия бумаги могут быть использованы при разработке методов автоматического контроля процесса печатания. 

Список литературы:
1. Eshbaeva U.J. Djalilov A.A. Rafikov A.S. Paper with introduction of waste of polyacrylonitrile fiber // European science review. Vienna № 7–8 2018. July–August.
2. Ешбаева У.Ж., Рафиков А.С., Джалилов А.А. Бумага из текстильных отходов. Монография. –Германия: LAP LAMBERT Akademic Publishing. 2018. -132 c.
3. Старченко О.П., Кулак М.И., Медяк Д.М. Закономерности влияния давления печатного контакта на изменение размера растровых точек // Известия НАН Беларуси. − Беларусь, 2007. − №1. − С.61 – 67.
4. Старченко О.П., Кулак М.И. Перколяция типографской краски в пористой структуре бумаги // Сб. науч. тр. Белорус. нац. техн. ун-т. Вып. 19: Теоретическая и прикладная механика. − Минск, 2005. - С.192–197
5. Ешбаева У.Ж. Офсетная бумага с введением синтетических полимеров и её печатно-технические свойства: Дисс. на соис. уч. степ. док. тех. наук. − Ташкент. ТИТЛП. 2017. −234 с.
6. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. –Москва. Машиностроение, 1981. -184 с.
7. Блокхиус Г. Влияние на качество оттиска различных уровней оптической плотности при четырехкрасочной офсетной печати. // Сб. Современная полиграфия за рубежом. Офсетная печать. – М.: 1983. − №.1. − С.133-144
8. Варепо Л.Г. Модель абсолютного качества печатного оттиска.// Фундаментальные исследования. –Москва, 2007. - №12- Ч.2. - С. 365−366.