Гигроскопичность бумаги и методики определения ее влажности

Все немелованные, не слишком уплотненные бумаги, например газетная – макропористые. Общий объем пор в таких бумагах достигает 60% и более, а средний радиус пор составляет около 0,16-0,18 мкм. Такие бумаги хорошо впитывают влагу и краску благодаря своей рыхлой структуре, то есть сильно развитой внутренней поверхности.

Параметры плотности и пористости связаны между собой. Для бумаг без покрытия – чем выше плотность и меньше пористость, тем меньше будет краско- и влаговосприятие бумаги.

С физической точки зрения, пористость - это объем пор, содержащихся в 1 бумаги. Она определяется расчетным способом:

где П - пористость; Vпор - объем пор; Vб - объем бумаги. Приведенную формулу в развернутом виде можно написать следующим образом:

где Vб - объем бумаги, ; Vв - объем волокнистого материала, ; Vн - объем наполнителя, .

Из этой формулы видно, что расчет пористости производят путем сопоставления значения плотностей (объемной массы) бумаги и плотности материалов, входящих в состав бумаги (волокнистых материалов и наполнителя). Волокнистые материалы (целлюлоза, древесная масса и др.) имеют плотность, примерно равную 1,5 , а плотность бумаги колеблется в пределах 0,5-1,3 . Из этих данных видно, что плотность бумаги меньше плотности волокнистого материала, что обусловлено ее пористостью.

Пористая структура бумаги, помимо суммарного объема пор характеризуется еще и размерами пор, от которых зависят важнейшие свойства бумаги и, в первую очередь, впитывающая способность. Так как поры бумаги не имеют определенной формы и различаются размерами, то вводится условный показатель - средний радиус пор, который определяется на основании изучения кинетики впитывания. При этом капиллярная структура бумаги уподобляется системе правильных цилиндрических капилляров. Капиллярное давление Р, приводящее к впитыванию, зависит от радиуса капилляров и молекулярных сил, проявляющихся через поверхностное натяжение жидкости и косинуса краевого угла смачивания .

Впитывание уподобляется течению жидкости по капилляру, которое подчиняется закону Пуазеля:

где - объемная скорость течения; - вязкость жидкости; l - длина капилляра. Совместное решение уравнений (1) и (2) дает закон Уошборна:

Этот закон определяет кинетику впитывания под действием капиллярного давления с учетом вязкого сопротивления течению, где t - время впитывания, l - высота впитывания.

Для проведения лабораторной раб оты используются: прибор "Клемма-Винклера" В-2, линейка, ножницы, уайт-спирит, секундомер.

Методика и порядок выполнения работы. Испытанию подвергается образец бумаги размером 15 x 240 мм, вырезанный в машинном направлении. На одном конце образца проводят линию на расстоянии 5 мм от края. Затем полоску бумаги укрепляют в зажиме 3 прибора "Клемма-Винклера" (см. рис.) таким образом, чтобы нулевое деление шкалы линейки 4 соответствовало нанесенной на образце линии. В ванночку 1 прибора наливают уайт-спирит в качестве впитывающейся жидкости и стопорным винтом 2 опускают планку с полоской бумаги и линейкой так, чтобы нулевая точка линейки оказалась на уровне жидкости. Замечают время (включают секундомер) и следят за высотой поднятия жидкости по полоске бумаги в зависимости от времени в течение 20 минут. При этом необходимо следить за тем, чтобы бумага не касалась металлической линейки 4.

Определение степени проклейки бумаги.

Как известно, бумага обладает гигроскопичностью. Однако есть способы ее уменьшить – одним из них является проклейка, то есть введение в состав бумажной массы различных клеящих веществ или нанесение на поверхность бумаги в процессе ее изготовления клеевой композиции (поверхностная проклейка).

Характеристикой проклейки является степень проклейки.

Определение ее производится штриховым методом или методом сухого индикатора. Наиболее распространенным является штриховой метод.

Приборы и принадлежности: стандартные чернила для определения проклейки бумаги, рейсфедор, обыкновенная линейка, контрольная линейка КЛ.

Методика и порядок выполнения работы. Степень проклейки бумаги характеризуется шириною штриха (в мм), который не расплывается по поверхности бумаги и не переходит на ее оборотную сторону.

Для проведения испытания на бумагу наносят штрихи стандартными водными чернилами. Штрихи длиною около 75 мм проводят рейсфедером по линейке. Ширина первого штриха - около 0,25 мм, а каждого последующего возрастает на 0,25 мм. Ширину штриха увеличивают до тех пор, пока чернила не начнут расплываться или проходить на оборотную сторону бумаги. Измеряют наибольшую ширину штриха, при которой еще не наблюдается расплывание и пробивание на оборотную сторону. Для этой цели пользуются измерительной контрольной линейкой, позволяющей производить измерения с точностью до 0,2 мм.

Делают вывод с оценкой полученного результата, ориентируясь на следующие данные: 0,25 мм - бумага не проклеена, 0,50-0,75 мм - бумага с малой степенью проклейки, 1,0-1,50 мм - бумага со средней степенью проклейки, 1,75-2,0 мм - бумага с высокой степенью проклейки.

 

Определение линейной деформации бумаги после намокания и высушивания.

Для полиграфиста важно не только понимать, как на гигроскопичность влияют отдельные свойства бумаги, но и знать, как бумага реагирует на уже произошедшее увлажнение. Это необходимо, в частности, для бумаг офсетной печати, непосредственно контактирующих с увлажняющим раствором.

Так, бумага деформируется в процессе увлажнения – волокна набухают и линейные размеры листа изменяются. После сушки они также меняются, но, при этом, зачастую бумага все равно не возвращается к исходному размеру. По этой причине необходимо уметь рассчитывать линейную деформацию бумаги по следующей методике.

Приборы и принадлежности: контрольная линейка КЛ, масштабная линейка, ножницы, кювета с дистиллированной водой, сушильный шкаф с термометром до 100 .

Методика и порядок выполнения работы. На листе бумаги вычерчивают квадрат, стороны которого равны 100 мм и соответствуют машинному и поперечному направлениям бумаги. Находят центр квадрата и через него проводят две взаимно перпендикулярные линии, параллельные сторонам квадрата. На этих линиях обозначает машинное и поперечное направления. Затем квадрат вырезают. Контрольной линейкой измеряют длину проведенных линий с точностью до десятой доли миллиметра, На образце пишут длину линий. Квадрат на 30 минут погружают в кювету с дистиллированной водой. По истечении указанного времени образец вынимают из кюветы, излишек воды удаляют фильтровальной бумагой и той же линейкой измеряют длину контрольных линий. После этого образец помещают в сушильный шкаф, нагретый до температуры 60-80 , и высушивают в течение 20 минут. Вновь измеряют длину контрольных линий.

Рассчитывают относительную линейную деформацию бумаги после намокания и после высушивания для обоих направлений по формуле

 

4. Способы и оборудование для измерения влажности бумаги

На предприятиях влажность измеряется с помощью влагомеров (гигрометров). Влагомеры позволяют определить процентное содержания воды в бумаге. Основные типы влагомеров: 

• Диэлькометрические (индуктивные, емкостные) влагомеры основаны на изменении электрических свойств материала в зависимости от влажности;
• СВЧ-влагомеры используют изменение степени поглощения или отражения энергии электромагнитных волн сверхвысокой частоты в зависимости от влажности полотна;
• ИК-влагомеры подобны СВЧ-влагомерам, но базируются на измерении энергии инфракрасных волн;
• Кондуктометрические влагомеры построены на активном сопротивлении бумажного полотна, которое находится между электродами в цепи постоянного или переменного тока;
• Ёмкостно-индуктивные влагомеры используют взаимосвязь влагосодержания бумаги, которая перемещается в поле колебательного контура, и потери мощности контура из-за изменений активного и реактивного сопротивлений.

Существует большое разнообразие моделей влагомеров. Наиболее часто на производстве используются следующие:

• модель влагомера ВЛ-М используется для определения влажности одного листа, малогабаритна, работает по принципу поглощения водой инфракрасного излучения. 

• модель ИВТМ-7К – это портативный влагомер с зондом в виде штык-ножа для измерений влажности бумаги в стопе и листовых материалах. 
• модель  используется для измерения влажности бумаги на полиграфических предприятиях, в типографиях, на предприятиях бумажной промышленности, в лабораториях контроля качества этикетки и упаковки. 

• модель влагомера ИВЦ - это модель потокового влагомера для измерения влажности целлюлозы и картона. 
• модель влагомера ВВ-4 представляет собой штыковой электронный влагомер с резистивным принципом измерения в рулонах, пачках и отдельных листах бумаги, а также на конвейере.

В лабораторных же условиях влажность бумаги можно определить методом высушивания в сушильном шкафу, описанным в ГОСТ 13525 19-91.

Навеску около 5 г (с точностью до 0,0002 г) предварительно измельченной на кусочки целлюлозы помещают в высушенный до постоянного веса бюкс. Затем бюкс со снятой крышкой высушивают в сушильном шкафу до постоянного веса 1 при температуре 100—105°. По окончании сушки бюкс с целлюлозой закрывают в сушильном шкафу крышкой, переносят в эксикатор, охлаждают до комнатной температуры и взвешивают.

Влажность рассчитывают в процентах от взятой навески целлюлозы. Расхождение между параллельными определениями не должно превышать 0,2% +0,004 от процента влаги.

Для быстрой сушки целлюлозы применяется лампа инфракрасного света мощностью 500 вт, нагревающая волокно до температуры 125—135°С. Лампа укрепляется вертикально на открытом штативе или в сетчатом шкафу.

Если исследуемая целлюлоза имеет большую (выше 40%) влажность, то навеску сначала сушат под лампой в плоской металлической или стеклянной чашке (диаметром 100 мм и высотой 15 мм), а затем уже переносят в бюкс.

 

Заключение

В данной курсовой работе было рассмотрено такое понятие, как гигроскопичность бумаги. Были объяснены причины возникновения этого явления и способы, благодаря которым в полиграфии уменьшается вредное влияние влажности на свойства бумаги.

Были также разобраны свойства бумаги, от которых зависит ее восприимчивость к влаге. Так, мы рассмотрели, как прочность и пористость бумаги влияют на ее влажность, как степень проклейки помогает уменьшить гигроскопичность и как можно определить степень линейной деформации бумаги при увлажнении.

Эти знания крайне важно учитывать при разработке материалов для офсетной печати, а также для любых работ, в которых бумага тем или иным образом взаимодействует с влагой.

Вопрос взаимодействия целлюлозных волокон с водой заслуживает отдельного рассмотрения и изучения как вопрос, имеющий огромное значение для полиграфической промышленности.

 

 

 

Список использованной литературы:

1. Что полиграфист должен знать о бумаге / Степанов С.И., Дубинский А.Б., Усов К.В.;  М.: ПРИНТ-МЕДИА центр, 2005. – 376 стр.

2. ГОСТ 13525.19-91: Бумага и картон. Определение влажности. Метод высушивания в сушильном шкафу

3. Полиграфические материалы. Ч. I: Бумага и переплетные материалы. Лабораторные работы / Шахкельдян Б.Н., Климова Е.Д., Кравчина Н.А., Якушев С.М.; Московский государственный университет печати. – М.: МГУП, 1992. – 102 с.

4. Дипломное проектирование. Методические указания: В.И. Бобров, Ефремов Н.Ф., Панишев В.Г., Черная И. В.; Московский государственный университет печати. – М.: МГУП, 2007. – 109 с.