Свойства бумаги и послепечатные процессы

Как свойства бумаги (в равной степени и картона) могут влиять на обработку оттисков после печати — разрезание оттисков, брошюровочно-переплетные и отделочные процессы — а значит, и на качество изделий? Ответы — в этой статье.

Характеристика качества бумаги (картона) для печати — показатель комплексный, слагающийся из следующих групп:

• качественные признаки (их называют фундаментальными), характеризующие бумагу как материал (масса 1 м², толщина, гладкость, сорбционные свойства, оптические характеристики и т. д.);
• печатно-технологические свойства, определяющие поведение материала при переработке в изделие;
• функциональные свойства, определяющие потребительские качества изделия (долговечность, способность сохранять упаковываемую продукцию и т. д.).

Фундаментальные характеристики бумаги оцениваются лабораторными приборами. Их можно считать объективными характеристиками.

Свойства, важные при переработке, оцениваются как объективными показателями (стойкость поверхности к выщипыванию, величина впитывания масла, деформация при намокании и пр.), так и определяемыми практикой производства (разносторонность, степень анизотропии свойств, отмарывание, деформация в процессе печати и пр.). Последние могут оцениваться с помощью приборных методов измерения, но их проявление во многом зависит от особенностей оборудования и практических навыков печатника.

Свойства изделия также оцениваются совокупностью объективных и субъективных показателей.

Для получения желаемого результата при переходе к изделию нужно максимально четко сформулировать требования к материалу, чтобы удовлетворить условиям переработки или задать их в соответствии с параметрами материала и требованиями к изделию.

После печати

Как свойства бумаги (в равной степени и картона) могут влиять на обработку оттисков после печати, а значит, и на качество изделий?

В качестве послепечатных процессов рассматриваются: разрезание оттисков, брошюровочно-переплетные и отделочные процессы.

Разрезание листов может производиться из рулона, если печать ведется на ролевой печатной машине. При листовой же печати осуществляется подрезка печатных листов или разрезание оттисков на экземпляры. В ряде случаев, например при производстве упаковки или этикетки, применяется высечка из бумажного полотна.

Брошюровочно-переплетные процессы — это технологические операции:

• обработки оттисков (разрезание, фальцовка, приклейка к тетрадям форзацев и вклеек);
• изготовления книжных блоков (скрепление листов — шитье нитками или проволокой, клеевое скрепление, обработка блока — подготовка его для вставки в крышку или крытья обложкой);
• изготовления брошюр в мягкой обложке.

Отделочные процессы применяются для придания печатной продукции новых эксплуатационных свойств и лучшего вида. К ним относятся:

• припрессовка пленки;
• лакирование;
• аппликация;
• биговка;
• тиснение;
• высечка;
• перфорация и др.

Очень часто при выпуске полиграфической продукции процессом, определяющим качество и стоимость изделия, оказывается не сама печать, а последующие брошюровочно-переплетные и отделочные работы. Особенно это проявляется при производстве малотиражной печатной продукции.

Допечатные и печатные процессы часто требуют гораздо меньших затрат труда и времени, чем брошюровочно-переплетные и отделочные. Дефекты же, допустимые в послепечатной обработке, в значительной степени определяют качество печатного изделия и могут свести на нет все усилия печатников.

Оттиски — не бумага!

В послепечатную отработку поступает, собственно, уже не бумага, а печатные оттиски, которые отличаются по свойствам от исходной бумаги в той степени, в какой процесс печати и наносимые на ее поверхность печатные краски и увлажняющие растворы, а также процесс сушки изменяют их. Поэтому рассматривать влияние свойств бумаги на послепечатные операции следует с учетом изменения этих свойств в процессе печати.

В наибольшей степени на послепечатные процессы оказывают влияние следующие свойства:

1. Сорбционная способность бумаги, определяющая влагопоглощение (в том числе и из окружающего воздуха), впитывание водных растворов и растворов клеев, красок, увлажняющих растворов, лаков.
2. Характеристики структуры бумаги:
   • геометрические (плотность как отношение толщины к массе бумаги площадью 1 м², шероховатость поверхности, пористость);
   • анизотропия свойств (различие свойств машинного, т. е. совпадающего с направлением наибольшей ориентации волокон бумаги, и поперечного направлений);
   • деформационные и их изменение при изменении влажности бумаги.
3. Однородность бумаги не является отдельной группой свойств, т. к. определяется стабильностью как сорбционных свойств, так и характеристик структуры, но ввиду основополагающего в ряде случаев влияния на качество изделия выделена и рассматривается как отдельная характеристика бумаги.

1. Сорбционная способность по отношению к влаге или композициям, используемым для обработки оттисков, изменяется из-за нанесения на поверхность бумаги печатной краски и определенного «экранирования» поверхности и в целом структуры листа.

На участках с печатной краской снижается адгезионная способность клея по отношению к бумаге. Поэтому во избежание проблем с качеством склейки необходимо, чтобы под склейку не попадали запечатанные поверхности бумаги.

Односторонняя печать вследствие изменения склонности поверхности бумаги поглощать влагу, содержащуюся в воздухе, может вызвать скручивание печатных листов или изделий. Для устранения скручивания применяют выдерживание стапелей с бумагой под чехлами для прохождения релаксационных процессов, иногда пачки оттисков прокладывают деревянными щитами и используют их стяжку.

Участки, покрытые краской, отличаются после лакирования большим глянцем из-за меньшего провала лака в структуру бумаги.

2. Наибольшее воздействие на структуру бумаги оказывает традиционная офсетная печать с увлажнением (здесь мы опускаем специальные виды печати, например металлографию, после которой бумага в результате оказываемого на нее действия печатной пары уплотняется, и поверхность ее на пробельных участках становится лощеной).

Бумага, основу которой составляют растительные материалы (древесная или хлопковая целлюлоза, древесная масса, крахмал), очень чувствительна к перепадам своего влагосодержания. Увлажнение бумаги приводит к значительным (на 10–30%) изменениям поперечных размеров волокон древесной целлюлозы, ослабляются межволоконные связи, происходит релаксация скрытых в бумажном полотне внутренних напряжений, а при более значительном увлажнении возникают новые. В результате уменьшается гладкость бумаги, поверхность коробится, оттиски скручиваются. Последующая сушка фиксирует уже новое состояние структуры. Как правило, менее плотной, более шероховатой и пористой.

Увлажнение с последующим высушиванием изменяет и деформационные свойства бумаги. Происходит усадка бумажного полотна (особенно в направлении, перпендикулярном преимущественной ориентации волокон в нем). Повышается гидрофобность, т. е. уменьшается восприимчивость по отношению к воде.

Сушка без увлажнения, которая используется при всех остальных видах печати (глубокой, сухом офсете, флексографии и др.), также может вызывать необратимые изменения.

Все указанные метаморфозы свидетельствуют о том, что на послепечатные операции поступают оттиски, представляющие собой материал, который может значительно отличаться по свойствам от исходного.

Сорбционная способность бумаги

Одна из фундаментальных характеристик бумаги — способность поглощать влагу (гидрофильность) или маслоподобные составы (олеофильность).

Эти показатели оцениваются либо количеством поглощаемого вещества на 1 м² поверхности, либо по скорости поглощения (времени проникновения раствора на обратную сторону бумаги). Есть методы, предназначенные для определения способности к маслопоглощению по длине масляного следа, возникающего на поверхности бумаги при растекании (растискивании) по ней капли масла: чем короче след, тем больше склонность к поглощению масла.

Гидрофильность бумаги влияет на ее равновесную влажность, устанавливающуюся при данной относительной влажности воздуха. Обычно равновесная влажность бумаги при относительной влажности 50–60% находится в пределах 5–6%, но возможны и отклонения в ту или другую сторону. Например, бумага с высоким содержанием древесной массы в указанных условиях может иметь влажность до 7%. Некоторые виды мелованной бумаги, наоборот, имеют более низкую влажность вследствие изолирующего влияния покрытий.

Влажность листов определяет относительную влажность воздуха в стопе, которая для оптимальных условий печати должна составлять 45–55%.

Влажность (влагосодержание) в значительной степени определяет практически все свойства бумаги. При повышении влагосодержания увеличивается ее пластичность, а также удлинение до разрыва, заметно повышается сопротивление излому при многократных перегибах листа.

Область положительного влияния увеличения влажности на свойства бумаги крайне узка (всего 2–3%), поэтому увлажнение мелованных видов бумаги свыше 6% даже вредно и способно привести к слипанию листов. Бумага без покрытия при влажности более 8% становится вялой, теряя жесткость при изгибе.

Имеет свои отрицательные последствия и пониженная сухость бумаги. Уменьшение влажности до 4% ведет к повышению хрупкости составляющих ее волокон, снижается прочность бумаги, ее упругость и пластичность. Бумага с пониженной влажностью (ее еще называют пересушенной) склонна к пылению, в том числе и кромок листов при разрезании, а также к накоплению статического электричества, что может вызвать проблемы в процессе переработки.

Влажность печатных оттисков больше всего изменяется в офсетной печати. В листовом «мокром» офсете, использующем увлажнение пробельных элементов печатной формы, за четыре краскопрогона увеличение влажности может достигнуть 1,5–2%.

В ролевых офсетных машинах и печатных машинах глубокой печати с горячей сушкой окончательная влажность бумаги может составлять 4% и менее.

Если влажность будет опускаться ниже 4%, то с бумагой произойдут необратимые процессы ороговения волокон с общим снижением ее механической прочности.

Устройства горячей сушки оттисков вызывают ударную тепловую нагрузку в бумажном полотне, которое нагревается горячим воздухом до температуры 100–140°С, при этом возникают значительные усадочные напряжения, требующие для сохранения целостности бумажного полотна высокой однородности и эластичности бумаги. Кроме того, при ролевой офсетной печати возможно возникновение волнистости кромок. В большей степени этот дефект проявляется при печати на плотной бумаге. Некоторые мелованные виды бумаги в сушильной секции теряют лоск.

Пересушенная бумага будет ломаться в фальцаппаратах. Чтобы этого не произошло, после устройства сушки бумажное полотно подается в секцию охлаждения или электростатического увлажнения, где происходит восстановление влажности до уровня исходной равновесной.

Способность к впитыванию масла определяет в известной степени скорость высыхания оттисков. Ввиду использования, особенно при ролевой печати, термозакрепляющихся красок фактор впитывания уже не играет такой роли при определении склонности оттисков к отмарыванию.

При склейке книжного блока способность к впитыванию оказывает влияние на качество и долговечность склейки.

Для прочного соединения листов необходимо, чтобы клей пропитал бумагу, дабы в максимальной степени произошло их сцепление. Для этого блок рыхлят фрезой, либо поперек корешка книжного (тетрадного) листа делают просечку или перфорацию.

Лучшее качество склейки получается при использовании шероховатой, пухлой бумаги. Однако при этом бумага должна иметь достаточную связанность внутренней структуры.

В противном случае возможно разрушение клеевого соединения с отрывом клея вместе с частью бумажного листа (расслоение его по толщине). Для бумаги со слабой связанностью структуры, например газетной, желательна полная пропитка клеем по толщине.

Рис. 1. Различие в условиях работы склеек при различной жесткости бумаги на изгиб: А — бумага высокой жесткости; Б — бумага низкой жесткости. Изгибающий момент (M), действующий на клеевое соединение листов бумаги, определяется произведением силы (F) на плечо (L), М=F*L; М1>>М2.

Для получения качественного клеевого соединения бумага должна в минимальной степени деформироваться при увлажнении клеевым раствором. Снижению таких деформаций способствует придание бумаге водоотталкивающих свойств за счет проклейки для уменьшения проникновения клеевого раствора в структуру. Таким образом, соотношение между степенью пропитки бумаги клеем и ее склонностью к короблению необходимо поддерживать на оптимальном уровне.

При прочих равных условиях минимальная деформация при увлажнении происходит в направлении максимальной ориентации волокон в листе, поэтому в книжном блоке направление преимущественной ориентации волокон должно совпадать с осью корешка.

В случае использования для склейки термопластичных безводных клеев-расплавов проблема деформации листов уменьшается, но на первый план выходит проблема обеспечения адгезии клея и поверхности бумаги для образования прочного клеевого соединения. Решается она за счет использования бумаги с невысокой сомкнутостью поверхности, в которую клей имеет возможность проникнуть. Вследствие недостаточности такого проникновения есть проблемы со склейкой мелованной бумаги. Выход — в привлечении клеев-расплавов, имеющих высокую адгезию к бумаге и обладающих высокой эластичностью в твердом виде.

Но хорошего качества склейки может не хватить для издания длительного срока использования. Чтобы получилось надежное и, главное, долговечное скрепление, важно, чтобы жесткость скрепленных листов на изгиб была по возможности меньше. В этом случае соединение испытывает меньшее усилие на разрыв. На рисунках показаны два случая склейки: бумаги с высокой жесткостью при изгибе (А) и с более низкой жесткостью (Б). При равной силе, переворачивающей листы (F₁=F₂), в первом случае на место склейки действует существенно более высокий момент силы (М₁>>М₂).

Именно поэтому, а также для создания условий получения прямого корешка, не деформирующегося при склеивании водным раствором клея, в тетрадных листах направление преимущественной ориентации волокон должно быть параллельно корешку.

Следует отметить, что при уменьшении формата издания жесткость бумаги на изгиб должна также уменьшаться, т. к. при раскрывании и перелистывании такого издания в меньшей степени проявляется гибкость листа и склейка подвергается большим воздействиям.

Характеристики структуры бумаги

Другой группой фундаментальных характеристик бумаги, определяющих ее поведение во многих послепечатных операциях, являются характеристики структуры бумаги и ее деформационные (упруго-пластичные) свойства.

Прежде всего при проведении операций подрезки, подчистки, разрезания оттисков следует учитывать пухлость бумаги.

Для пухлой бумаги, имеющей плотность до 0,6 г/см³, точность разрезания оттисков в стопе на гильотинной резательной машине увеличивается при более сильном прижиме стопы прижимным устройством.

Для бумаги, имеющей высокую гладкость поверхности и высокую плотность, прижим стопы следует уменьшить.

С уменьшением высоты стопы точность разрезания увеличивается. Увеличение толщины стопы жесткой бумаги ведет к уменьшению точности реза.

Для обеспечения надлежащего качества разрезания оттисков угол заточки ножа резательной машины должен соответствовать качественным характеристикам разрезаемого материала. Для более плотных материалов угол заточки должен быть больше. Вообще говоря, рекомендуемый угол при одинарной заточке должен быть в пределах 19–230. Чаще используется угол 20–210. При прямолинейной двойной заточке рекомендуемый угол первого участка 240, второго — 200.

Большое значение для процессов фальцовки и биговки имеет способность бумаги деформироваться при сжатии пластически, т. е. без восстановления после снятия нагрузки.

Рис. 2. Направление сил, действующих в месте фальцовки листа.

Фальцовка — процесс перегибания листов оттисков — приводит к сильным изменениям структуры листа, связанным как с растяжением внешней фальцуемой поверхности листа (А на рис. 2), так и со сжатием внутренней поверхности (Б на рис. 2). Поэтому лучше фальцуется бумага, которая при достаточном значении удлинения до разрыва, обеспечивающем сохранность на внешней стороне фальца (А), способна к необратимой пластической деформации на внутренней стороне фальца (Б). При высокой упругости бумаги (об этом часто свидетельствует высокая жесткость бумаги на изгиб) фальц плохо формируется — лист пытается распрямиться, вызывая проблемы при формировании тетрадей, их подборке, а также шитье и склейке.

В большей степени благоприятные условия фальцовки создаются при сгибе листа по линии, совпадающей с направлением преимущественной ориентации волокон в бумажном листе (так называемом машинном направлении). В этом случае меньше жесткость бумаги при изгибе и значительнее пластическая (необратимая) деформация листа после сгиба.

При перпендикулярной фальцовке часто наблюдается замятие листа на стыке взаимоперпендикулярных фальцев. Для устранения этой проблемы применяется предварительная биговка места сгиба. Как правило, этот прием используется и при работе с бумагой повышенной массы 1 м² (более 150 г). Это позволяет избежать «заломов». Аналогичную роль может играть и перфорация бумаги по линии будущего сгиба.

О влиянии жесткости бумаги при изгибе на долговечность склейки блока листов уже упоминалось. Влияние свойств бумаги на качество фальцовки нужно учитывать также при подготовке и приклейке форзаца.

Однородность бумаги

Однородность бумажного листа и бумажного полотна при ролевой печати — непременное условие не только получения изделия желаемого качества, но и вообще выполнения работы. Особенно это относится к современным ролевым печатным машинам, работающим на скорости около 100 тыс. оттисков в час, в которых для проведения качественной фальцовки требуется стабильность натяжения бумажного полотна, зависящая от его однородности. В ролевой печати определяющим может стать однородность намотки и качество гильзы, на которую наматывается бумага.

Отделочные процессы придания лучшего внешнего вида готовым изделиям, а также повышения их износоустойчивости (припрессовка пленки, ламинирование, лакирование) предъявляют основные требования к однородности обрабатываемого материала. Если шероховатая бумага имеет неравномерный просвет, выражающийся в колебании ее плотности по площади, это приводит к колебаниям шероховатости и пористости. Значит, условия сцепления с наносимыми при ламинировании и припрессовке (кашировании) пленками будут изменяться, что может привести к пятнистому внешнему виду изделия, а возможно, и к отделению пленки от его поверхности.

При лакировании колебания плотности бумаги по площади приведут к различию в восприятии лака поверхностью (более уплотненные участки впитывают меньше) и возникновению пятнистости по глянцу. Чем более гладкая и равномерная по шероховатости покрываемая поверхность, тем лучше результат.

При лакировании бумаги, имеющей пухлую структуру, жидкий лак «проваливается» и улучшения внешнего вида не происходит. Для получения однородного глянцевого покрытия поверхность бумаги должна быть сомкнутой и однородной как по рельефу, так и по плотности.

Для сушки оттисков после лакирования используются мощные сушильные устройства: основанные на сушке горячим воздухом, на инфракрасном или ультрафиолетовом излучении. Для того чтобы вернуть оттиски в нормальные условия после сушки, требуется секция охлаждения.

Важным условием получения качественного покрытия при всех отделочных процессах являются однородность и невысокая (до 6%) влажность обрабатываемой бумаги.

Избыточная влага может, испаряясь при нагревании в процессе отделки, нарушать целостность покрытия, препятствовать хорошему сцеплению с материалом.

Требование однородности бумаги по распределению массы 1 м², которая на малых площадях определяется как равномерность просвета (степень облачности структуры листа бумаги в проходящем свете), должно выполняться для всех видов отделочных процессов, будь то нанесение покрытий, каширование, окраска или механическая обработка в виде различных видов тиснения.

Заключение

Данная статья не охватывает все многообразие отделки печатной продукции, которая кроме рассмотренных операций включает приклейку форзаца, перфорирование, кругление углов блоков, гуммирование, шитье книжных блоков, закраску обреза книжных блоков и т. д. Однако указанные закономерности сохраняются и в процессах здесь не рассмотренных.

Появление новых технологий и материалов в известной мере может нивелировать влияние свойств бумаги на послепечатные операции. В качестве примера могут быть названы новые технологии склейки с использованием подслоев под клеевой слой — «праймеров» или высокочастотной сушки, однако нивелирование происходит лишь до определенной степени, и свойства материалов все же необходимо учитывать.

Об авторе: Михаил Остреров, кандидат технических наук.