Українська академія друкарства

На правах рукопису

Гавенко

Світлана Федорівна

УДК 655.26:686.1.024:688.3:658.562

Методи та засоби норМалізації

технології виготовлення книг способом

незшивного клейового скріплення

05.05.01 – машини і процеси поліграфічного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2002 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській академії друкарства,

Міністерство освіти і науки України.

Науковий консультант: заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Лазаренко Едуард Тимофійович,

Українська академія друкарства,

професор (м. Львів).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Мервінський Роман Іванович,

Українська академія друкарства,

завідувач кафедри охорони праці

та екології (м. Львів);

доктор технічних наук, доцент

Сафонов Олександр Вікторович,

Компанія “НИССА”,

технічний директор (м. Москва);

заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Сенченко Микола Іванович,

Книжкова палата України, директор (м. Київ).

Провідна установа: Національний технічний університет України “

Київський політехнічний інститут”,

видавничо-поліграфічний факультет,

Міністерство освіти і науки України (м. Київ).

Захист відбудеться "_6_" листопада 2002 р. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.101.01 в Українській академії друкарства (вул. Підголоско, 19, м. Львів, 79020, Україна), ауд.101 о 14.00 год.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Української академії друкарства (вул. Підвальна, 17, м. Львів).

Автореферат розісланий "__4__" жовтня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Жидецький В. Ц.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Аналіз розвитку книговидавничої справи показує, що, незважаючи на розповсюдження електронних ін формаційних технологій та завдяки йому, книга залишається і за прогнозами фахівців буде і надалі одним із основних носіїв інформації. У сучасних технологіях виготовлення книг спостерігається інтенсивний перехід на випуск значної частини видань способом незшивного клейового скріплення (НКС). Така тенденція характерна як для світового, так і українського книговидання. Це дає змогу випускати книги з вищою продуктивністю незалежно від обсягу і формату, спрощеної конструкції, застосовувати для їх комплексної обробки універсальні автоматизовані або потокові лінії з швидким переналагодженням устаткування.

Удосконаленню обладнання для технологій виготовлення видань способом НКС, зокрема розробці машин для обрізування книжкових блоків, створенню теорії та практики різання різних сортів паперу присвячені роботи українських та закордонних вчених, серед яких особливе місце займають дослідження Полюдова О. М., Акатьєва Д. Ф., Георгієвського І. К., Грушевського З. Я., Жидецького В. Ц., Іващенка В. Т., Коломійця А. Б., Книша О. Б., Пергамента Д. А., Петріашвілі Г. Г., Топольницького В. П. та ін.

Проблеми технології НКС, процеси утворення клейових з'єднань аркушів у книжковому блоці, вплив властивостей клеїв і паперів на міцність та довговічність книжкових видань, контроль якості вивчали і досліджували у своїх роботах вітчизняні та закордонні вчені: Биткова К. М., Бобров В. І., Борисова В. І., Воробйов Д. М., Воюцкий С. С., Гуськов П., Дубасов А. І., Загоруйко Й. Т., Іванова Т. Г., Кізбер С. А., Колбіна О. Л., Конюхова І. І., Кондратьєв А. М., Корнілов І. К., Кротова М. А., Кулік Л. Й., Купцова О. Б., Лєбєдєв Ю. М., Ліхачов В. В., Мартинюк М. С., Мервінський Р. І., Москвітін М. І., Пашуля П. Л., Потієвська С. О., Рудницький М. С., Санжарський А.Сафонов О. В., Сенченко М. І., Соботка В., Теліцин А. М., DinnerEngelerFurlerSendorStadlerTensта інші.

Однак книги, виготовлені способом НКС на вітчизняних підприємствах, поки що мають низькі експлуатаційні показники, недостатню міцність і довговічність, що можна пояснити відсутністю системного і науково-обґрунтованого підходу у керуванні технологічними процесами при виготовленні книг, оптимізації технологічних та експлуатаційних властивостей клеїв, клейових з'єднань і прогнозуванні міцності видань.

У зв'язку з цим актуальною науково-прикладною проблемою є дослідження технології та устаткування виготовлення книг НКС, на основі яких проведено розробку та удосконалення методів і засобів нормалізації процесів скріплення корінців книжкових блоків, оптимізація конструкції видань та оцінювання їх якості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота тісно пов'язана з Державною програмою розвитку книговидання і преси України, затвердженої Указом Президента України № /95 від 28 лютого 1995 року та виконувалась за госпдоговірною темою № “Розробка та впровадження комплексної системи методів оцінки і забезпечення якості книжкової продукції”, яка проводилась на базі ВАТ “Львівська книжкова фабрика “Атлас” та “Поліграфкнига”, в яких автором розроблено методику оцінювання експлуатаційних показників книжкових видань; за науково-дослідними темами ВАТ УНДІПП ім. Т. Шевченка – №7-96 і №6-98 “Розробка державних та галузевих стандартів на продукцію поліграфічного виробництва”, планами наукової роботи за тематикою “Квалілогя книги” кафедри технології друкарсько-обробних процесів Української академії друкарства.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методів і засобів нормалізації технологічного процесу скріплення корінців книжкових блоків з метою поліпшення їх експлуатаційних властивостей, оптимізації параметрів нових і стандартних конструкцій видань та оцінювання їх якості.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

1) провести аналіз інформаційних потоків розвитку сучасних технологій, техніки і матеріалів для виготовлення книг способом НКС і дослідити тенденції створення та вдосконалення їх конструкцій;

2) створити методи та засоби нормалізації процесу склеювання книжкових блоків на основі виявлених особливостей взаємодії клеїв та паперів при виготовленні книг способом НКС;

3) розробити теоретичні та практичні засади технології скріплення корінців блоків при виготовленні книг способом НКС на основі удосконалення технологічних і експлуатаційних властивостей клеїв, провести оптимізацію технології та її випробування у виробничих умовах;

4) створити математичну модель керування технологічним процесом формування клейового з'єднання і прогнозування конструктивної міцності книги та розробити рекомендації до удосконалення процесів нанесення клеїв в машинах НКС;

5) на основі кваліметричного аналізу дефектів у книгах НКС дослідити деформаційні явища, кінетику пошкоджень і руйнувань клейових з'єднань в корінці блока та розробити рекомендації щодо нормалізації технології НКС і оптимізації конструкцій книг НКС;

6) з врахуванням системного і функціонально-структурного аналізу та методів математичної статистики розробити алгоритми оцінювання експлуатаційних показників книжкових видань та нормалізації технології НКС;

7) на основі отриманих результатів наукових досліджень розробити узагальнену схему збору та опрацювання даних для оцінювання якості видань, нормативно-технічну документацію, державні стандарти для технології книжкового виробництва.

Об'єктом дослідження є нормалізація технологічного процесу виготовлення книг способом НКС, оптимізація конструкції видань та оцінювання їх якості.

Предметом дослідження є процес і закономірності скріплення корінців книжкових блоків з використанням новостворених та удосконалених технологічних способів виготовлення книг.

Методи досліджень: фізико-механічний, рентгеноструктурний, термомеханічний, ІЧ-спектроскопічний, електронно-оптичний, структурно-функціональний та системний аналізи, математичне моделювання, статистичні методи контролю: кусум-метод, контрольні карти, схеми Ісікави, діаграми Парето, кваліметрична діагностика.

Науковою новизною одержаних результатів при розв'язанні науково-прикладної проблеми – дослідження технології та устаткування виготовлення книг НКС з розробкою та вдосконаленням методів і засобів нормалізації процесів скріплення корінців книжкових блоків, оптимізації конструкції видань та оцінювання їх експлуатаційних показників є:

1) установлені закономірності впливу запропонованих способів НКС книг для покращення їх технологічних та експлуатаційних властивостей;

2) виявлено позитивні зміни структури клейових композицій та їх технологічних властивостей під дією зовнішнього магнітного поля, що покладено в основу розробленого методу фізичної модифікації клеїв;

3) виявлені особливості скріплення корінців книжкових блоків у технології НКС, які базуються на структурно-фізичній природі паперів і клеїв, їх взаємодії на макро- і мікрорівнях, що забезпечують міцність та довговічність видань;

4) створено розрахункову модель міцності скріплення корінця книжкового блока на основі запропонованої діаграми валкового способу нанесення клею та оптимізації структурно-фізичних властивостей клейових з'єднань, що є засобом забезпечення міцності книги;

5) на основі дослідження деформаційних явищ і кінетики розповсюдження тріщин у корінці книжкового блока під час його експлуатації виявлено вплив технологічних факторів на конструктивну міцність і довговічність клейових з'єднань та проведено оптимізацію технологічних параметрів конструкції книги;

6) розроблено оптимізаційні моделі нормалізації технології НКС та оцінювання експлуатаційних показників книги з використанням методів математичної статистики;

7) обґрунтовано застосування системного і функціонально-структурного підходу, який включає базу даних, програмне забезпечення для оцінювання та автоматизованого контролю якості книг, реалізованого в експертно-комп'ютерній системі.

Практичне значення одержаних результатів. Створені, випробовані та впроваджені: способи НКС книжкових блоків (патенти 24569А, 29977А України), спосіб окантування корінця книжкового блока (патент 24581А України); конструкція книжково-журнальної обкладинки і спосіб її виготовлення (патенти 25601А, 32803А України) та спосіб приєднання суперобкладинки до обкладинки (патент 29271А України), а також клеї для виготовлення книг НКС (патенти 23329А, 23330А, 23331А, 23632А України).

Розроблені технології виготовлення книг НКС позитивно оцінені та впроваджені у виробництво на Львівській обласній книжковій друкарні, ВАТ “Книжкова фабрика “Атлас”, видавництві “Вільна Україна”, ВАТ “Поліграфкнига”, НВП “Мета”, ДП ТВПК “Збруч”, видавництві “Укрмедкнига” ТДМА ім. Горбачевського І. Я. Розроблені технологічні інструкції: “Оцінка кваліметричних показників книг НКС”, “Виготовлення книжкових видань безшвейним способом скріплення з використанням термоклеїв”, “Критво книжкових видань обкладинкою”, “Приготування робочих розчинів і методи дослідження клеїв для виготовлення книг способом НКС”, “Процеси виготовлення книжкових блоків, скріплених способом НКС з окантуванням корінця”, які затверджені на ВАТ “Поліграфкнига”, “Книжкова фабрика “Атлас”, дочірньому підприємстві “Декоро” корпорації “Nittany Industries. Inc.” (США). Створена, апробована та впроваджена на цих підприємствах методика оцінювання якості книжкових видань, в якій передбачено використання статистичних методів контролю.

Розроблено ГСТУ 29.2-97 “Підручники і навчальні посібники для загальноосвітніх шкіл та інших типів середніх навчальних закладів. Поліграфічне виконання” та ГСТУ 29.4-2001 “Обкладинки та палітурки” у співавторстві з співробітниками ВАТ “УНДІПП ім. Т. Шевченка”, які зареєстровано УНДІСС та Держстандарту України від 16.08.1997 р. за № /200190 на зміну ОСТ .113-86 і ОСТ 29.116-87 та 20.11.2001 за №804/200523 відповідно.

Результати проведених досліджень використані в навчальних посібниках, рекомендованих МОН України для вищих поліграфічних навчальних закладів і курсах лекцій для студентів з дисципліни “Технологія брошурувально-палітурного виробництва” та розроблених нових курсах лекцій з дисциплін “Оцінка якості друкованої продукії”, “Оздоблення і захист друкованої продукції”, “Якість і товарознавча експертиза”, “Основи стандартизації, метрології та управління якістю”.

Особистий внесок здобувача. Наукові та експериментальні результати, внесені до роботи, одержані автором особисто.

У роботах, написаних у співавторстві, автору належить розробка методів контролю, систематизації та оцінювання кваліметричних показників книг, визначення принципів моделювання технологічних процесів і конструкції книжкової продукції (2, 3, 10, 35, 38, 39, 40, 57, 58, 60, 65, 67-73), встановлення математичних залежностей між міцністю і довговічністю клейових з'єднань, основні ідеї з модифікації клеїв та створення нових клейових матеріалів і технологій незшивного клейового скріплення (9, 15, 16, 20, 34, 62, 66). Участь автора у створенні патентів (21-30) відображена у відповідних довідках і пропорційна кількості авторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на: Міжнародній науковій конференції “Книга в соціокультурному просторі” (3-5 травня 1995 р., м. Львів), III-й Міжнародній науково-практичній конференції “Контроль и управление в технических системах” (м. Вінниця, 1995 р.), II-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-95”, Всеукраїнській науковій конференції “Розробка та застосування математичних методів в науково-технічних дослідженнях” (м. Львів, 1995 р.), II-й Міжнародній науково-практичній конференції “Информационные технологии в печати” (м. Москва, 1995 р.), науково-практичній конференції “Програмно-технічні засоби інформації освіти” (м. Київ, 1995 р.), Міжнародних наково-практичних конференціях “Соціально-економічні проблеми видавничо-поліграфічного комплексу (ВПК) та його інфраструктур” (м. Львів, 1996 р.), I-й, II-й та III-й Міжнародних науково-практичних конференціях “Квалілогія книги” (м. Львів, 1996 р., 1998 р., 2000 р.), Міжнародній конференції “Національна еліта та інтелектуальний потенціал України” (м. Львів, 1996 р.), XXXVI-й науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, наукових співробітників і аспірантів МДУД (м. Москва, 1996 р.), VIII-й українській конференції з високомолекулярних сполук (м. Київ, 1996 р.), Міжнародних конференціях “Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали” (м. Львів, 1996 р., 1998 р., 2000 р.), VII-й Міжнародній конференції з хімії і фізико-хімії олігомерів “Олігомери VII” (м. Перм-Чорноголовка, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Издательско-полиграфический комплекс на пороге третьего тысячелетия” (21-23 листопада 2001 р., м. Мінськ), науково-практичному семінарі в рамках Міжнародної поліграфічної виставки “Поліграфія 2001” (м. Київ, 2001 р.), звітних науково-практичних конференціях професорсько-викладацького складу, наукових працівників і аспірантів УПІ ім. Ів. Федорова – УАД (м. Львів, 1994-2002 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано одну монографію, п'ять навчальних посібників, десять патентів України, два ГСТД України, 44 статті в періодичних галузевих і фахових наукових виданнях, 11 публікацій у повідомленнях Міжнародних, всеукраїнських та регіональних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, списку літературно-патентних джерел, восьми додатків і містить 291 сторінку (зі списком літератури 328 сторінок), 155 рисунків та 34 таблиці.

Список використаних літературних джерел нараховує 488 бібліографічних найменувань, додаток (на 64 сторінках) складається з актів про впровадження доробок у виробництво та навчальний процес, класифікацій та відомостей про способи НКС, матеріали, устаткування та засоби контролю книг, програм та прикладів розрахунків на ПЕОМ.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовані актуальність теми, сформульовані мета та задачі досліджень, висвітлені наукова новизна, практична цінність отриманих результатів. Наведено короткий зміст роботи, дані про публікації, апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі “Стан, проблеми та прогнозування тенденцій розвитку книжкового виробництва” детально аналізуються сучасні тенденції розвитку технології виготовлення книг в Україні та в розвинутих країнах світу.

Проаналізовано наукові праці вітчизняних і закордонних вчених щодо проблем технології незшивного клейового скріплення (НКС), удосконалення конструкцій книг, збільшення їх міцності та довговічності; досліджень властивостей клеїв та їх взаємодії з різними матеріалами.

На основі проведеного аналізу сучасного стану та перспектив розвитку книговидавничої справи, зокрема, брошурувально-палітурного виробництва на поліграфічних підприємствах України та критичного аналізу наукових розробок з вищенаведених питань сформульовані науково-прикладні проблеми технології виготовлення книг способом НКС і визначені основні напрямки її удосконалення. Акцентується увага на відсутності або недостатності наукових розробок з технології, устаткування, матеріалів і засобів контролю якості книг, що не дозволяє нормалізувати технологію НКС.

Саме цим викликана потреба в проведенні досліджень, мета та завдання яких сформульовані в “Загальній характеристиці роботи”.

У другому розділі “Удосконалення технології виготовлення книг способом НКС: методи та засоби досліджень” описано методику нормалізації технології виготовлення книг НКС з використанням нових способів скріплення блоків, методи та засоби фізичної і хімічної модифікації вододисперсійних, термо- і поліуретанових клеїв, вивчення властивостей новостворених клейових систем та клейових з'єднань в корінцях блоків.

Скріплення модельних книжкових блоків виготовлених з різних сортів паперу здійснювали на розробленому пристрої для заклеювання та окантування корінців, а також на машинах НКС моделей “Jouniorbinder”, “Interbinder”, “Eurobinder”, “BB-3000”, оснащених клейовими апаратами різної будови, що дозволило використовувати та апробовувати різноманітні схеми нанесення клею на корінець блока.

Об'єктами досліджень були вибрані книжкові блоки, виготовлені за розробленими способами НКС (патенти 24569А і 29977А України). Перед нанесенням клею корінці книжкових блоків підлягали спеціальній обробці – фрезеруванню, торшонуванню. Досліджено міцність скріплення книжкових блоків, фальці яких, за пропозицією автора, до нанесення клею розрізались по середині вздовж корінцевих згинів (патент 24569А України). Апробовано спосіб НКС, у якому згідно технології зрізаний і торшонований корінець блока підлягав подвійному проклеюванню клеями різної природи (патент 29977А України). Вплив конструкції книги на її довговічність і експлуатаційні характеристики вивчено після окантування заклеєного корінця окантувальною тасьмою в трьох місцях: по краях блока і по середині, а також приклеювання (розплавленням) окантувально-каптальної капронової тасьми нагрівальними пристроями до корінця блока (патент 24581А України).

Для склеювання книжкових блоків було використано клеї на основі полівінілацетатної дисперсії (ПВАД) вітчизняного виробництва (ГОСТ 18992-80) – далі клей №1; LUNATAK B-327 (Німеччина, ф. Х. Фулер) – клей №6; клеї на основі ПВАД після запропонованої автором їх фізичної (клей №2) та хімічної модифікації (клеї №3, №4, №5 – патенти 23330А, 23331А, 23329А України), термоклеї – ТК-2П (№1), ТК-3П (№2), Теплакс-М (№3), ЛХ-6 (№4), ТК-У (№5), КР-2 (№6), INSTANT FLEX (I.F.652) – (№8), JOWATНERM (№9), EMUTERM 20-108 (№10) і розроблений автором ПУ-клей №7 на основі 4,4' дифенілметандіізоціанату натрію, поліетиленглікольадіпінату, полінадкислоти, утвореної ацилюванням пероксидів стиромалем (патент 236332А України).

Для хімічної модифікації вододисперсійних клеїв на основі ПВАД використано ряд цільових домішок, зокрема, пластифікатор дибутилфталат (ДБФ), співполімер стиролу і малеїнового ангідриду (клей №4), полівініловий спирт і стиромаль (клей №3), параамінобензосульфацетамід натрію (клей №5). Фізичну модифікацію клеїв здійснювали в результаті накладання на них у спеціальній установці магнітного поля (МП), напруженість якого змінювали в межах від 0,3 до 1,0 Тл впродовж 15-60 хв та вимірювали універсальним тесламетром 43205 з датчиком Холла ПИПРАД товщиною 0,5 мм. Для модифікації вододисперсійних клеїв використовували воду, оброблену магнітним і електричним полями в магнітроні та мембранному аналізері відповідно.

Фізико-механічні властивості клейових плівок визначали на розривній машині СПУ-1 за ГОСТ . В'язкість клеїв на основі ПВАД визначали згідно ГОСТ 18992-72 за допомогою стандартної чашки ВМС, ПУ-клеїв – за методом розтікання краплі, а термоклеїв – ротаційним віскозиметром РВ-8.

Показник схоплення клею характеризували часом, який пройшов від моменту його нанесення до утворення достатньо міцної склейки, при якій папір розривається по волокну. Липкість клею визначали за методом Б. В. Дерягіна. Час загону оцінено часом, протягом якого клей не втрачає своєї липкості після нанесення на будь-яку поверхню.

Зміни властивостей клейових композицій спостерігали під час прискореного старіння (при температурі 45°С, протягом 7 діб) і при природньому старінні (впродовж 1-3 років) за фізико-механічними показниками – руйнівному напруженні при розтязі, відносному видовженні при розриві. Зміну фізико-хімічних властивостей клейових плівок оцінювали методом ІЧ-спектроскопії спектрофотометром Спекорд-М80 на зразках, які виготовлені на підкладці з CaF у вигляді плівок з клеїв-розплавів та з водного розчину дисперсійних клеїв.

Властивості ТК, ПУ-клеїв та ВД-клеїв вивчено за допомогою термогравіметричного (ТГА) і диференційно-термічного аналізу (ДТА) на дериватографі ОД-102 системи Паулік-Паулік-Ердей.

Рівномірність нанесення клеїв на корінець книжкового блока, структурні перетворення на межі “клей-папір” досліджено методами оптичної (МИ-8) та електронної растрової (TESLA BS) мікроскопії. Рентгенофазовий аналіз клеїв, а також глибину їх проникнення в структуру паперу визначено на дифрактометрі ДРОН – 2 при Cuк??випромінюванні.

Міцність клейових з'єднань аркушів книжкового блока і cтійкість їх до багатократних перегортань (без навантажень на корінець книжкового блока і з навантаженням від 0,5 до 3Н), що характеризують довговічність видань, визначено методами Pull-Test і Flex-Test з використанням тестера Ziglox.

Досліджено вплив на міцність і довговічність видань запропонованих автором нових конструкцій обкладинок (патенти 25601А і 32803А України) і способу приєднання суперобкладинки до обкладинки (патент 29271А України). Читабельність книжкових видань, виражену через оптимальний кут розкриття блока, визначено за спеціально розробленою методикою з використанням цифрової камери кольорового зображення марки PS-39 фірми “Compro”.

Для оцінювання результатів дослідження використано методи математичної статистики з застосуванням пакету програми Statistica в системі Maccad.

У третьому розділі “Дослідження технології скріплення корінців книжкових блоків при виготовленні книг способом НКС” розглянуті результати дослідження закономірностей впливу на технологічні та експлуатаційні показники книг, які скріплені розробленими способами НКС за допомогою відомих та фізично і хімічно модифікованих клеїв на основі ПВАД, ТК і ПУ-клеїв та запропонованих технологічних способів нанесення їх на корінець блока. Так, встановлено, що хімічна модифікація клеїв на основі ПВАД внаслідок запропонованого автором введення цільових домішок суттєво впливає на міцність та деформаційно-експлуатаційні властивості клейових з'єднань (табл. 1). Взаємодія модифікаторів клею і целюлози, яка становить основу структури паперу, пояснюється з досліджень ІЧ-спектрів зміною концентрації водневих зв'язків.

Позитивний вплив на технологічні та експлуатаційні властивості клейових композицій має їх фізична модифікація, а саме обробка в МП. Побудовано такий ряд (за збільшенням міцності склеювання книжкових блоків з використанням активованих вод для приготування клеїв): каталітна < водопровідна < дистильована < аналітна < намагнічена, причому із збільшенням напруженості магнітного поля та часу його дії зростає відносна міцність клейового з'єднання. ІЧ-спектри пояснюють це явище тим, що під дією МП в клеях відбуваються певні структурні зміни, які проявляються в збільшенні поглинання частот коливань в області смуги 1240 см-1, віднесеної до вільних гідроксильних груп ОН.

Таблиця 1

Експлуатаційні показники видань НКС*

Варіанти нанесення клею на корінець блока Міцність скріплення блока Збільшення довговічності видань, рази**

зусилля розриву, кН/м питоме зусилля виривання аркуша з блока, Н/см

1. Одинарне нанесення 1.1. Дисперсійні клеї

№1 0,78 7,3

№2 1,1 9,2 1,6

№3 1,75 11,6 2,8

№4 1,65 12,0 3,5

№5 1,4 8,6 2,3

1.2. ТК і ПУ-клеї

№2 0,65 6,8 1,2

№4 0,68 6,7 1,5

№5 0,75 7,3 1,4

№7 1,15 9,6 6,5

№8 0,95 8,3 1,5

2. Подвійне нанесення

№3 (дисп.) + №7 (ПУ-клей) 1,84 12,5 2,8

№4 (дисп.) + №4 (терм.) 1,69 11,2 2,6

№7 (ПУ-клей) + №2 (дисп.) 1,52 9,8 3,4

№5 (дисп.) + №2 (терм.) 1,64 10,3 2,5

3. Окантування тасьмою

№4 (дисп.) 2,8 16,4 4,7

№5 (терм.) 2,56 13,6 2,6

№7 (ПУ- клей) 2,72 15,9 8,5

* Блоки виготовлені з офсетного паперу марки "Supra"

** Скріплених модифікованими клеями

Магнітне поле стабілізує ПВАД, обмежує її гелеутворення, підвищує гомогенність. Так, при напруженості МП в діапазоні 0,3-1,0 Тл збільшується поверхневий натяг клеїв і зростає їх в'язкість на 3-14%. Це підтверджують також електронно-мікроскопічні дослідження, які показують, що при магнітній активації клею №2 спостерігаються процеси інтенсифікації кристалічних утворень у вузлах комірок, збільшуються їх розміри. Таким чином, дія електричних і магнітних полів суттєво впливає на технологічні показники клейових композицій, а також на міцність скріплення книжкового блока. На міцність клейових з'єднань в книгах НКС, як видно з табл. , суттєво впливають запропоновані способи модифікації клеїв ПВАД, ТК та ПУ і способи їх нанесення на корінець – одинарне чи подвійне, а також способи окантування блоків.

У четвертому розділі “Теоретичні та практичні аспекти нормалізації технології незшивного клейового скріплення” досліджено вплив технологічних факторів на міцність видань на основі розкриття особливостей механізму взаємодії клеїв та паперів. З використанням рентгеноструктурного, термогравіметричного, електронно-мікроскопічного, ІЧ-спектроскопічного аналізів показано позитивний вплив модифікації клеїв на основі ПВАД, а також домішок до ТК і ПУ-клеїв на термостабільність клейових з'єднань, що пояснюється, зміною молекулярної та надмолекулярної структури цих матеріалів і позитивно впливає на довговічність клейових з'єднань корінців книжкових блоків.

Проведений термомеханічний аналіз оцінювання клейових з'днань та, відповідно, довговічності книг НКС дозволяє розмістити досліджувані клеї в такі ряди (за втратою маси, %):

вододисперсійні клеї №4 < № 3 < №5 < №6 < №2 < №1;

ПУ-клеї і ТК №7 < №10 < №5 < №8 < №6 < №9 < №3 < №2 < №1 < №4.

За зменшенням величини рентгенівського ступеня кристалічності досліджені клеї утворюють наступні ряди на основі ПВАД: №4 > №2 > №3 > №5 > №6 > №1; термоклеї: №3 > №2 > №1 > №5 > №4 > №10. Проміжне місце між ТК і вододисперсійними клеями займають ПУ-клеї (№7).

Оскільки ступінь кристалічності полімерів суттєво впливає на їх фізико-механічні властивості, то ці ряди і пояснюють ті зміни експлуатаційних показників клейових з'єднань, які були виявлені і описані в розділі 3.

Аналіз пошарових дифрактограм (рис. 1), одержаних з корінців книжкових блоків, показує, що глибина проникнення клею в структуру паперу залежить від технології нанесення, природи клею та структури паперу і для типографського паперу знаходиться в межах 25-30 мкм, для офсетного – 10-20 мкм, а для крейдяного – 5-10 мкм.

Ці результати підтверджують електронно-мікроскопічні дослідження паперів та клеїв, які виявили, що волокна целюлози утворюють тісне сплетіння мікрофібрил. В офсетних паперах марки А, Supra та Lumi Ofset виявлені макропори (більші 2 мкм) і мікропори (0,2 мкм). Аналіз мікроструктури поверхневих країв крейдяних чистоцелюлозних паперів Galerie Art, Welart, Kymex Cote вказує на наявність чітко видимих дрібних частинок коаліну і основної частини крейдяного шару – зв'язуючого (ймовірно латексу).

Рис. 1. Вплив товщини клейової плівки на інтенсивність рентгенівських рефлексів паперу:

1,1', 1" – офсетного; 2, 2', 2" – типографського; 1,1', 1" та 2, 2', 2" – відповідні зрізи

з заклеїного корінця блока; а – клей №3, б – клей №7.

Папери мають більш замкнену гладку поверхню з великою кількістю мікропор, а тому адгезійна міцність клейових плівок з такими паперами менша, ніж у типографського №2, у якого на поверхні волокон видні правильної форми пори розміром до 6 мкм, закручені по спіралі навколо пор мікрофібрил; іноді проглядаються наскрізні пори, що вказує на неоднорідність паперу. Як показали електронно-мікроскопічні дослідження, ПВАД – це полідисперсна система з частинками сферичної форми 1,5-4,5 мкм і тому пориста структура паперу утворює міцне клейове з'єднання з вододисперсійними клеями, оскільки розміри їх частинок менші від розмірів пор, що дозволяє частинкам клейової композиції проникати на більшу глибину. ТК в розплавленому вигляді проникають в пори і міжволокнисті прошарки паперу, з'єднуючи їх один з одним.

Електронно-мікроскопічні дослідження сколів клейових з'єднань (рис. ) показали, що зріз поверхонь чистоцелюлозних крейдяних паперів, офсетних (з наповнювачами і вмістом деревної маси), а також паперів для глибокого друку має нерозвинену структуру, чим і пояснюється зменшення адгезійної міцності з'єднання клейової плівки з такими сортами паперів.

а б

Рис. 2. Електронно-мікроскопічні дослідження

сколів клейових з'єднань з папером Galleri Art (а) і офсетним марки Supra (б).

При оптимізації міцності книг НКС, що враховувала такі фактори, як товщина клейової плівки Х1 (0,14-1,5 мм), глибина мікровиривів Х2 (0,2-0,8 мкм), відстань між мікровиривами Х3 (4-16 мм), при зусиллі розриву блоків У1 (0,7-1,8 кН/м) і питомому зусиллі виривання аркуша з блока У2 (6,8-12,1 Н/см) були отримані регресійні рівняння, які адекватно описують технологічний процес скріплення блоків:

У1 = 0,59084Х1+0,009944Х2+0,063352Х3+0,408112 (R=0,99);

У2 = 2,6148Х1+0,077606Х2+0,616904Х3+5,040159 (R=0,98).

Як встановлено, міцність видань НКС залежить також від напряму волокон паперу, площі поверхні склеювання і маси клею нанесеної на корінець блока. Виявлено структурно-функціональні зв'язки між досліджуваними способами обробки корінців блока, технологією нанесення клею, природою і структурою паперів, їх поверхневими, фізико-механічними, технологічними та іншими властивостями і міцністю книг НКС (табл. 2).

Це дозволило запропонувати модель процесу скріплення книжкових блоків вододисперсійними, ТК і ПУ-клеями:

P=[5,92sinn–1,35]?[0,42(sink+1)+0,65]??

?[0,02t+0,15]?[0,005s+1,12]??0,008p+0,15],

де Р – міцність скріплення; n – коефіцієнт пористості паперу, на якому віддруковане видання (типографський №2 марки В – 0,58; офсетний марки А – 0,50; для глибокого друку – 0,45); k – коефіцієнт співвідношення глибини мікровиривань і відcтані між ними в аркуші паперу при обробці корінця книжкового блока (k=1; 2; 3 – залежно від способу обробки корінця); t – температура нанесення клею з врахуванням його марки і способу висушування °С; s – умовний коефіцієнт схоплення клею і паперу в корінці книжкового блока; р – зусилля обтискування заклеїного корінця книжкового блока після накладання обкладинки, Па.

Таблиця 2

Оптимізація міцності книг НКС*

Способи обробки корінця блока Питоме зусилля виривання аркуша з блока, Н/см, Регресійні рівняння Коефіцієнт регресії R

поздовжній напрям У1 поперечний напрям У2

1. Торшонування а) без розпуску аркушів 7,8 10,9 У1= –9,3Х1–27115Х2+61,5 У2= –11,06Х1+22005,9Х2–32,19 0,991

б) з розпуском аркушів 8,5 9,2 У1= –20,71Х1+7744,07Х2–4,57 У2= –30,02Х1+5999,83Х2+0,26 0,950

2. Фрезерування а) без розпуску аркушів 6,8 7,0 У1= –9,4Х1–78692,6Х2+145,7 У2= –9,7Х1–24466,1Х2+49,7 0,999 0,890

б) з розпуском аркушів 7,4 10,8 У1= 30,67Х1–9220,18Х2+19,77 У2= 19,7Х1–45814,2Х2+86,6 0,948 0,999

3. Розрізування фальців зошитів посередині вздовж корінцевих згинів (патент 24569 А України) 12,3 11,2 У1= 19,06Х1–0,0048Х2+9,408 У2= –19,57Х1+14079Х2–17,705 0,980 0,990

* книжкові блоки виготовлялись з офсетного паперу марки "Supra", площа поверхні склеювання (Х1) змінювалась від 0,008 до 0,1 м2, маса клею(Х2) від 18 до 22 г/м2(10-4)

Як видно з рис. 3, найбільший вплив на міцність клейового з'єднання має коефіцієнт пористості паперу, який залежить від радіусу і об'єму пор та пустот в середині паперу.

Рис. 3. Модель склеювання корінця блока:

n – коефіцієнт пористості паперу; j – умовний коефіцієнт схоплення (мм);

Р – зусилля виривання аркуша з блока (Н/см).

Апробація запропонованої моделі прогнозування міцності клейових з'єднань в корінці блока проведена за вибіркою з 250 значень міцності клейового з'єднання книжкових блоків, за зусиллям вириву аркуша з блока в межах 7,5...12,5 Н/м. Порівняння розрахункового критерію Фішера Fp=1,2054 з табличним Fт=1 дозволяє стверджувати, що модель адекватна дослідженим явищам і процесу. Здійснені за цією моделлю розрахунки і наступні їх експериментальні перевірки та виробничі випробування підтвердили доцільність та ефективність запропонованих технологій.

На основі експериментальних досліджень побудована якісна діаграма нормалізації технологічного процесу НКС (рис. 4), яка описує найбільш поширені валкові системи нанесення клею на корінець блока. Функції координатних осей виконують геометричні характеристики – відношення мінімального зазору між валиками L до поверхні корінця книжкового блока Rmax, технологічна характеристика – відношення швидкості обертання валиків V до максимально можливої швидкості Vmax. Лінія 1 при цьому встановлює обмеження на максимальну швидкість, лінія 2 – на максимальну товщину клейового шару, крива 3 – мінімальні ефективні витрати клею, крива 4 – максимальні витрати клею. Ділянка, розташована вище кривої 5, характеризується відсутністю зустрічних потоків, що обмежує функції зазору між валиками й поверхнею корінця. Крива 6 визначає ділянку з надзвичайним дисипативним тепловиділенням в матеріалі й, отже, вказує межу, за якою починається термічна деструкція клею. Праворуч від кривої 7 слід очікувати нестабільності процесу нанесення клею або порушення суцільності клейового шару внаслідок великих напружень зсуву. Крива 8 обмежує напруження зсуву й питомий тиск, який діє з боку валиків на корінець блока.

Рис. 4. Робоча діаграма процесу склеювання.

При вивченні характеру руху розплавів термоклеїв у валковому клейовому апараті в процесі подвійного нанесення клею на корінець в зоні нанесення клею виявлено деформації циркуляції течії. Зафіксовано, що частина клею рухається в напрямі, протилежному до руху валиків, а другий шар клею рухається в одному напрямі з валиками, причому, швидкість його руху в ділянці мінімального зазору з віддаленням від поверхні валика збільшується, що впливає на товщину клейової плівки.

Аналіз цих досліджень показав, що клейові валики, розраховані на мінімальне проклеювання – 120 мм, максимальне – 460 мм, регулюються за висотою в діапазоні 0,1-2 мм. Можливість нанесення шару термоклею завтовшки 0,3-0,4 мм при температурі 130-165°С, забезпечується величиною зазору між фрезерованою поверхнею корінця і валиком – спінером або ракелем, який збирає залишки клею, в межах 0,4-0,7 мм, що залежить від товщини блока й поверхневої густини паперу та обкладинки (табл. 3). Зі збільшенням об'ємної маси паперу товщину клейового шару доцільно збільшувати в бік позитивного допуску.

Таблиця 3

Рекомендації щодо технології нанесення клею

в клейовому апараті валкового типу

Товщина блока, мм Товщина клейової плівки, мм

< 10 0,5±0,1

< 20 0,65±0,15

> 20 0,85±0,2

Таким чином, на ефективність процесу склеювання корінців книжкових блоків суттєво впливає вибір способу й режимів нанесення клею, його технологічні властивості, структура паперу.

У п'ятому розділі “Дослідження технології конструювання книг НКС та оптимізації їх параметрів” здійснено кваліметричний аналіз причин виникнення і накопичення потоку дефектів у конструкціях книг НКС, в тому числі пошкоджень і руйнувань клейових з'єднань в корінці блока, досліджено деформаційні процеси при експлуатації видань та показано позитивний вплив технологій скріплення блоків, способів зміцнення їх корінцевої частини, запропонованих автором та описаних у попередніх розділах.

Кваліметричний аналіз більше 1,5 тисячі видань, які були в інтенсивному користуванні протягом одного-трьох років, дозволив виявити характерні види і причини руйнувань книжкових конструкцій. Найчастіше зустрічаються такі дефекти, як розривання блока в корінці (34,2%), відривання книжкової оправи від блока (23%), випадання аркушів з блока (30%), проникнення клею між сторінки блока (затікання) (14,6%), що пояснюється низькими фізико-механічними, технологічними та експлуатаційними характеристиками клеїв, недосконалими конструкціями книг та технологією їх виготовлення, що вимагало теоретичного аналізу умов експлуатації видань та відповідних прикладних рішень.

Напружено-деформаційний стан книги, запропоновано описати на основі теорії міцності тензором напруження Т? з компонентами в трьох взаємоперпендикулярних площинах. Залежність між змінними напруженнями ?max і числом циклів N до руйнування конструкції книги описується рівнянням

,

де m і с – постійні для даного матеріалу (паперу, клею), температури і навколишнього середовища.

Рівняння кривої втоми конструкції книги в логарифмічних координатах має вигляд: lg?max= –lgN/m + lgC/m, а кут нахилу прямої: tgB=1/m. Якщо постійне (середнє) напруження ?m=0, то границя витривалості буде дорівнювати ?–1, оcкільки цикл навантаження симетричний.

Як видно з рис. 5 при ?а=0 руйнування зразка книжкового блока або елемента конструкції настає при середньому напруженні ?m=?в. Експериментально встановлено, що постійні розтягуючі напруження зменшують опір втоми, а стискаючі постійні напруження стримують розвиток тріщини і підвищують границю витривалості. Аналізом діаграм граничних напружень у книзі і кривої втоми конструкції книжкового блока встановлено, що повільне руйнування елементів книги (втома) без залишкових деформацій при напруженнях, значно менших від границі міцності матеріалів (паперу, клею) наступає після певної дії напружень на корінець блока численних факторів.

Як встановлено, кінетика розповсюдження тріщин в прямому корінці книжкового блока, скріпленого клеєм, залежить від співвідношення зовнішніх напружень розтягу і стиску, тому використаних матеріалів (клею, паперу), а також орієнтації зародкової тріщини відносно них.

Рис. 5. Діаграма граничних напружень в книжковому блоці.

Дослідження показують, що вододисперсійні клейові композиції розміщуються в ряд: №4 < №2 < №5 < №3 < №6 < №1 за здатністю спричиняти менші зміни в структурі склеєного корінця книжкового блока. За зменшенням схильності до тріщиноутворення ТК і ПУ-клеї можна розмістити в ряд: №2, №4, №5, №3, №8, №6, №9, №10, №7.

Розвиток тріщин протікає, як виявлено, у дві стадії: перша – розтріскування клейової плівки в площині корінця, друга – перехід тріщин в площину сколу, перпендикулярну до напряму головного напруження розтягу. Важливу роль в процесі тріщиноутворення відіграє місце прикладання напружень (фронт хвилі напружень). Так, аналіз характеру руйнування заклеєного корінця блока показує, що деформуюча сила, яка спричиняє руйнування з'єднання, може бути направлена у двох напрямках (рис. 6).

Рис. 6. Послідовність руйнування клейового з'єднання: а – незруйноване з'єднання;

б – розрив поверхневого шару, товщина якого дорівнює глибині проникнення клею;

в – відшарування поверхневого шару; деформація клейової плівки г – прямого,

д – заокругленого корінця; 1 – папір; 2 – клейова плівка; 3 – клейовий шар, що проник у папір;

Q – розривне зусилля; ?t – глибина проникнення клею.

Дослідження процесу руйнування з'єднання показує, що в початковий період ?? =90°С) шар товщиною ?t працює на відшаровування і зріз,а при зміні кута і характеру руйнування поверхневого шару починає працювати на розрив і відшарування. При куті ? прикладання зусилля F справедливо F=F?t/cos?, оскільки Q?t=Qk?t/t, а Q і F?t характеризують одну і ту ж величину, міцність шару паперу на розрив, то F?t/cos??Qk?t/t, звідки F?t=Qk?tcos?/t.

Таким чином, дослідження показують, що при ?>15°С клейовий поверхневий шар одночасно відривається і відшаровується від паперу. При рівних умовах міцність клейового з'єднання залежить від кута його руйнування (?).

Зародження і розповсюдження тріщин у корінці книжкового блока пояснено на основі дислокаційної, поверхневої та вакансійної моделей і викликало необхідність дослідження процесу моделювання розкривання книги та оптимізації елементів її конструкції. Встановлено, як видно з табл. , що кут розкривання книжкового блока (без навантажень на корінець і з навантаженням 0,5-3 Н) залежить від конструктивних параметрів видання, виду паперу (поперечний, поздовжній напрями волокон), технології нанесення клею на корінець і його властивостей. Оптимальні значення кутів розкривання блоків досягаються при використанні модифікованих вододисперсійних клеїв (175°), а також при технології подвійного нанесення клеїв на корінці блоків за схемами:

дисперсійні клеї + ТК (152-176°);

дисперсійні клеї + ПУ-клеї (165-170°),

що підтверджує ефективність запропонованих конструкцій і способів НКС.

Таблиця 4

Кути розкривання книжкового блока

Розміри книжкового блока, см Вид паперу (марка) Маса паперу, г/м2 № і марка клею Кут розкри-вання ?,° під дією власної ваги сторінок Розкривання під наванта-женням на корінець Р=0,5-3 Н

ширина висота товщина біля корінця повний h, см від корінця до горизизон. поверхні кут розкривання

14,0 20,5 0,6 Офсетний Supra 60 №2 (ТК-3П) 51 129°30' 1,0 166°35'

14,4 21,5 1,7 Офсетний марки A 70 №4 (ЛХ-6) 38 140°20' 0,9 160°40'

13,0 16,0 1,5 Офсетний марки В 50 №5 (ТК-У) 48 140°30' 0,4 167°

17,6 26,6 4,5 Lumi Offset (офс.) 70 №8 (I.F.) 45 145°20' 1,2 159°

13,4 21,5 0,5 Galleri Art (крейд.) 115 №5 (дисп.) 70 158°45' 0,8 175°

15,8 28,0 5,0 Megamatt (офс.) 80 №7 (ТК-С) + №2 (дисп.) 85 148° 1,5 165°

10,0 16,4 0,8 MoDoSilver Offset (офс., крейд.) 70 №5 (дис.) + №2 (ТК-3П) 40 137° 1,4 152°

13,2 17,2 2,8 Kymex Cote (крейд.) 80 №3 (дис.) + №7 (ТК-С) 79 165° 0,6 170°

14,0 22,0 1,1 Lumi Nova (офс.) 75 №7 (ТК-С) 80 149° 1,2 168°

15,2 21,0 0,8 GraphoLux 65 №4 (дис.) + №4 (ЛХ-6) 68 162° 0,7 176°

16,0 23,0 1,5 Маш. гладкості для глибок. друку 70 №4 (дис.) 65 160° 0,5 174°

17,2 24,0 1,8 Galleri Brite 60 №3 (дис.) 87 170°' 1,1 175°

У шостому розділі “Теоретичні концепції створення методів та засобів оцінювання експлуатаційних показників книжкових