7.5. Коробление переплетных крышек

Коробление — это самопроизвольная деформация изгиба листовых материалов, полуфабрикатов или изделий относительно взаимно перпендикулярных осей вследствие усадки при изменении влагосодержания или старения. Такая же деформация плоских тел относительно одной оси, возможная у оттисков после лакирования и прессовки полимерной пленки, называется скручиванием. Коробление картонных сторонок затрудняет сборку крышек, а корбление переплетных крышек затрудняет их полиграфическое оформление и вставку блоков в крышки, значительно снижает надежность работы самонакладов позолотных и книговставочных автоматов, ухудшает внешний вид готовой книги.

7.5.1. Причины коробления крышек

Основные причины скручивания переплетных покровных материалов и коробления картона и переплетных крышек _ это их анизотропность, разносторонность, неравномерность и несимметричность локального влагосодержания в процессах склеивания и сушки. В переплетных крышках и в готовой книге причиной коробления является также несимметричность многослойной системы, состоящей из материалов различной толщины с различными физико-механическими свойствами. Бумага и особенно картон неравномерны по толщине листа и, как следствие, имеют неравномерную плотность по площади листов.

Переплетные крышки после сборки состоят по крайней мере из трех слоев, а крышки после вставки блоков — из пяти и семи в местах приклейки клапанов корешкового материала и загибки покровного материала. Эти слои — картон, клей, покровный материал — имеют различные толщину и влагосодержание, жесткость и коэффициент линейной усадки, что определяет различную величину усадки и усадочных напряжений и сил, которые в конечном счете определяют степень коробления переплетных крышек. Силы, действующие в каждом слое склейки и вызывающие усадку, скручивание и коробление переплетных крышек, пропорциональны напряжениям и площади поперечного сечения слоя:

(7.1)

где s_у — усадочное напряжение, Па; ш_м — ширина материала, м; d_м — толщина материала, м.

Так как ширина материала ш_м у всех слоев склейки одинакова, то усадочная сила пропорциональна напряжению и толщине материала. Максимальные усадочные напряжения — у костного клея, значительно меньше — у покровных материалов и картона. В то же время толщина сухой клеевой пленки примерно на порядок меньше толщины покровного материала и на два порядка меньше толщины картона. На основании расчетов усадочных сил, выполненных по формуле (7.1), можно сделать вывод, что усадочные силы в клеевом слое и покровных материалах примерно на порядок меньше, чем в картоне.

Внутренним усадочным напряжениям и силам, возникающим в материалах переплетных крышек, противостоит жесткость этих материалов, которая характеризуется моментом сопротивления материалов при изгибе. Так как момент сопротивления материала пропорционален квадрату его толщины, а наиболее толстым материалом крышек является картон, то можно считать, что решающую роль в процессе коробления крышек играют усадочные силы и жесткость картона, хотя в ряде случаев (тонкий картон, офсетная или обложечная бумага с высокой проклейкой в качестве покровного материала, толстый слой клея при ручной сборке крышек и т.п.) силы, возникающие в покровном материала и клеевом слое, могут быть сравнимы с усадочными силами в картоне.

Оценка скручивания и коробления. Для определения степени скручивания и наблюдений за кинетикой процесса используют специальный прибор [8], в котором образцы размером 30´130 мм закрепляют в зажимах в вертикальной плоскости, чтобы свободный конец образца имел длину 100 мм. После одностороннего увлажнения водой или клеем образец скручивает ся так, что увлажненная сторона становится выпуклой, но через некоторое время направление скручивания меняется: образец выпрямляется, а затем изгибается в противоположную сторону так, что увлажненная сторона становится вогнутой (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Зависимость скручивания образца от времени естественной сушки и параметры для определения степени скручивания полос картона

Степень скручивания С_с (мм^-1) полос картона и склеек вычисляется по величине отклонения f_к конца консоли от исходного горизонтального положения, а для образца, лежащего свободно на горизонтальной поверхности выпуклостью вверх, — по величине стрелы прогиба f_с:

(7.2)

Величину коробления переплетных крышек В_к определяют по стреле прогиба сторонок. Если же коробление несимметрично, то В_к определяют как среднеарифметическое значение высоты поднятия уголков сторонок крышки, расположенной на горизонтальной плоскости выпуклой стороной вниз.

 

 

7.5.2. Факторы, влияющие на коробление крышек

На величину коробления переплетных крышек влияют толщина картона, природа, концентрация и толщина слоя клея, тип покровного материала и анизотропность переплетных материалов. По данным автора, величина коробления переплетных крышек при использовании различных клеев и покровных материалов с увеличением толщины картона уменьшается по линейному закону (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Зависимость величины коробления переплетных крышек, покрытых оболожечной бумагой, от толщины картона для различных клеев: 1 — 9%-ного NАКМЦ; 2 — крахмального клея; 3 — 58%-ного костного; 4 — NаКМЦ + ПВАД в соотношении 1 : 3; 5 — 16%-ного желатина + 12,6%-ного латекса; 6 — ПВАД

Наибольшую величину коробления при различной толщине картона сторонок имеют крышки, при сборке которых применялись карбоксиметилцеллюлозный, крахмальный и сульфитный клеи, и значительно меньшую — крышки, собранные с применением костного, латексного и поливинилацетатного клеев, если использовались клеи рабочей рецептуры. Величина коробления возрастает с увеличением влагосодержания клеев, а клеи с примерно одинаковым влагосодержанием (костный, латексный, поливинилаце татный) вызывают тем большее коробление, чем выше усадочное напряжение в сухом клеевом слое. С увеличением толщины клеевого слоя (или расхода клея в г/м²) данной рецептуры и концентрации коробление переплетных крышек увеличивается, так как при этом увеличиваются толщина высохшей клеевой пленки и усадочные силы, возникающие в ней, а также количество влаги, внесенной с клеем, и влагосодержание материалов крышки. Решающим фактором, определяющим степень коробления крышек, является количество влаги, внесенной с клеем.

Большое влияние на величину коробления крышек оказывает коэффициент линейной усадки покровного материала. Если он выше, чем у картона, то под действием возникающих в покровном материала усадочных сил коробление переплетных крышек увеличивается. На основании этого можно сформулировать важное требование к покровному материалу: коэффициент линейной усадки покровных материалов переплетных крышек в процессе их сушки должен быть равным коэффициенту линейной усадки переплетного картона или меньше. Более толстая обложечная бумага вызывает большее коробление, чем тонкая, поэтому не следует применять толстую обложечную бумагу в качестве покровного материала для крышек из тонкого картона. Наиболее сильно коробятся переплетные крышки, покрытые клееной обложечной бумагой (см. рис. 7.9), значительно меньше — покрытые коленкором марок КОК и КВК, ледерином и балакроном (рис.7.10).

Рис. 7.10. Зависимость величины коробления переплетных крышек, покрытых различными покровными материалами, от содержания поверхностно-активного вещества в костном клее: 1 — коленкором марки КОК; 2 — коленкором марки КВК; 3 — ледерином; 4 — балакроном

Крышки, покрытые бумвинилом по сравнению с покрытыми балакроном коробятся значительно больше, так как в тонкой клееной бумаге-основе бумвинила возникают усадочные напряжения, в несколько раз превышающие напряжения, возникающие в толстой неклееной бумаге-основе балакрона.

Неоднородность структуры переплетных материалов по линейным размерам и толщине обусловливает различие коэффициентов линейной усадки, усадочных напряжений и жесткости и, следовательно, различие величины коробления переплетных крышек в процессе их сушки. Коэффициент линейной усадки и усадочные напряжения в машинном направлении у всех переплетных материалов ниже, а жесткость выше, чем в поперечном, поэтому долевой раскрой картона и покровных материалов обеспечивает наименьшую величину коробления переплетных крышек. По сравнению с долевым раскроем переплетных материалов поперечный раскрой картона при долевом раскрое покровных материалов повышает величину коробления крышек примерно в 1,5 раза, а поперечный раскрой всех переплетных материалов — более чем в 2 раза. Если при сборке переплетных крышек клеем увлажняется лицевая сторона картона, имеющая меньшую локальную объемную массу слоев, то, по сравнению с увлажнением сеточной стороны, величина коробления крышек повышается в 1,1-2,0 раза, причем верхний предел характерен для переплетных материалов и вариантов раскроя, дающих минимальное коробление.

 

 

7.5.3. Способы устранения коробления крышек

Каландрирование. Для устранения коробления переплетных крышек прибегают к каландрированию: готовые переплетные крышки подвергают изгибу на изнаночную сторону, пропуская их через вращающиеся валики в станках типа БКК-580 (Харьковский ЗПМ, Украина) или DB (фирма «Колбус», Германия). На выходе каландрирующего станка могут быть установлены бигующие ролики для нанесения меток на ткань штуковок, позволяющих точно фиксировать положение покровных сторонок на ручной операции крытья штуковок сторонками. Такие метки могут быть нанесены также на автоматах КДШ (см. подразд. 7.4.1) или на тигельных печатных машинах и позолотных прессах в процессе печатания и тиснения на корешке штуковок.

Каландрирование нельзя считать удачным способом решения проблемы устранения коробления крышек: вынужденная операция усложняет и удорожает технологический процесс изготовления крышек, требует дополнительных затрат времени и труда,
специального рабочего для обслуживания станка. Более того, каландрирование отрицательно влияет на качество готовых крышек: на 20-25% снижает жесткость крышек при изгибе, увеличивается коробление крышек в готовой книге, часто появляются неустранимые надломы у картонных сторонок и морщины на покровном материале крышек, что значительно увеличивает и без того высокий процент технологических отходов.

Использование толстого картона. При применении для переплетных крышек толстого (2,5 мм и более) картона и тонких, но прочных покровных материалов степень коробления крышек обычно не превышает допустимых значений, поэтому в ряде стран за рубежом толстый картон используют в производстве книг самых различных объемов и форматов. При пересмотре технологических инструкций по ТБПП, в частности выбора толщины картона для переплетных крышек, необходимо учитывать не только толщину блока и формат издания, но и его тип по уровню внешнего оформления, показатели назначения и долговечности.

Компенсирующее увлажнение. Как показали исследова ния, выполненные Ю.С.Гольденбергом [8], при дозированном увлажнении тыльной стороны переплетных крышек после их сборки и сушки в специальных решетчатых зажимах, обеспечивающих свободный влагообмен крышек с окружающим воздухом, компенсирующее увлажнение (КУ) позволяет получать практически некоробленые крышки. Предполагается, что увлажняющее и сушильное устройства агрегатируются с крышкоделательной машиной и не требуют увеличения численности бригады.

Эффект действия КУ определяется степенью компенсирующего увлажнения (СКУ) — удельным количеством нанесенной влаги по отношению к влаге клеевого слоя. Оптимальное значение СКУ около 150% и не зависит от способа и режима сушки. Естественная сушка увлажненных крышек длится 4 ч. При радиационно-конвективной сушке (мощности нагревателей 2 кВт, расстоянии до нагревателей 8 см, температуре воздуха 30°С и скорости его движения 1,4 м/с) продолжительность сушки не превышает 10 мин.

При применении компенсирующего увлажнения усложняется технологический процесс изготовления переплетных крышек, требуются дополнительные производственные площади для увлажняющего и сушильного устройств. Однако в связи с практически полным устранением коробления крышек на 18-19% возрастает производительность труда на позолотных полуавтоматах, исключается операция каландрирования крышек, улучшается точность вставки блоков в крышки и уменьшается с 0,5 до 0,1% брак, вызванный застреванием крышек в книговставочной машине.

Подбор способов и режимов сушки. Коробление переплетных крышек может быть уменьшено при использовании мягких режимов конвективной и радиационно-конвективной сушки с двусторонним облучением, но остается высоким даже в случае, если крышкам обеспечивалась плоская форма специальными решетчатыми зажимами.

Из опыта типографий, использовавших в 50-х годах высокочастотные сушилки, известно, что крышки при сушке в электромагнитном поле практически не коробились. Такой результат можно объяснить тем, что интенсивный внутренний высокочастотный нагрев снимает напряжения в материалах крышки, обеспечивая своеобразный эффект отжига. Интенсивный нагрев инфракрасными лучами также способствует релаксации напряжений в материалах крышек, но не обеспечивает равномерного нагрева по сечению, вследствие чего этот и другие способы сушки могут уменьшить, но не устранить коробление.

Применение добавок в клей. При введении в костный клей глицерина напряжения в сухой клеевой пленке снижаются и, как следствие, величина коробления переплетных крышек уменьшается. Это уменьшение происходит по линейному закону, но вводить глицерин сверх установленной нормы (7%) не рекомендуется, так как при этом заметно снижаются липкость клея и когезионная прочность пленки.

По данным автора, при введении в костный и желатиновый клей поверхностно-активных веществ (ПАВ) коробление переплетных крышек значительно снижается. Лучшим смачивате лем для растворов желатина и костного клея является ПАВ марки СВ1019 — диэтиленгексиловый эфир сульфоянтарной кислоты, применяемый в виде 4-5%-ного водного раствора, рН которого при необходимости может быть откорректирован буферным раствором. Добавка этого смачивателя в количестве 0,05% по отношению к сухому остатку клея увеличивает прочность склейки всех покровных материалов. Большая добавка (до 0,25%) несколько снижает прочность склейки, оставляя ее достаточно высокой, и одновременно уменьшает величину коробления кры
шек примерно на 2-2,5 мм (см. рис. 7.10), что для ряда покровных материалов позволяет получить некоробленые крышки и крышки с отрицательной (выпуклостью наружу) величиной коробления.

Проблема коробления переплетных крышек может быть решена при использовании для сборки крышек термоклеев, не содержащих влаги, имеющих малую усадку и усадочные напряжения.

 

 

7.5.4. Оценка качества готовых крышек

В процессе работы мастер участка, контрольный мастер, машинист и приемщик крышкоделательной машины контролируют следующие показатели качества готовых переплетных крышек: 1) точность высоты крышек у передних краев (допуск ±0,5 мм); 2) прямоугольность крышек; 3) прямолинейность крышек по верхним и нижним кромкам (допуск ±1,0 мм); 4) отсутствие косины шпации (допуск 1,0 мм); 5) одинаковость ширины и отсутствие косины расставов (допуск 1,5 мм); 6) плотность приклейки оставов к корешкам крышек; 7) величину загибки клапанов покровного материала [(15 ± 2,0) мм]; 8) плотность приклейки и правильность загибки покровного материала на углах крышки; 9) точность ширины склейки и отсутствие косины склейки корешка крышки с картонными сторонками [(15 ± 1,0) мм для машинного изготовления и (12-14 ± 1,0) мм — для ручного, в зависимости от формата издания]; допуск на отсутствие косины 1,0 мм; 10) ширину закрытия корешка покровными сторонками [(10 ± 1,0) мм при машинном изготовлении и (8 ± 1,0) мм при ручном]; 11) отсутствие косины приклейки покровных сторонок у корешка крышки (допуск 1,0 мм); 12) отсутствие косины расположения изображения на запечатанном покровном материале (допуск 1,5 мм на 100 мм длины); 13) отсутствие механических повреждений и загрязнений; 14) влажность сухой крышки [(9 ± 2)%]; 15) отсутствие коробления крышек (допуск 3 мм для малых форматов и 4 мм для средних и больших).

Прямоугольность крышки проверяют с помощью специального шаблона-угольника, а точность размера шпации и отсутствие ее косины — измерительными устройствами ВНИИ полиграфии; все остальные размерные показатели качества определяют металлической линейкой с миллиметровыми делениями, причем показатель «отсутствие косины» определяется как разность двух измерений у краев крышки.

Номинальные размеры — ширина развернутой эталонной крышки ш_к (мм), ее высота в_к (мм) и шпации ш_ш (мм) — определяются по формулам:

	(7.3)
	(7.4)
	(7.5)
	(7.6)

где ш_кп и ш_кк — ширина готовой крышки соответственно с прямым и кругленым корешком, мм; ш и в — ширина и высота блока после обрезки, мм; к_п и к_вп — ширина переднего и верхнего (и нижнего) кантов, мм; К_от — толщина картона отстава, мм; Т_б — толщина блока, мм; L_к — длина других кругленого корешка, мм; р — ширина расставов, мм.

Под плотностью приклейки отстава и покровных материалов понимают отсутствие морщин, воздушных пузырей и вздутий, полное прилегание склеиваемых деталей по плоскости и кромкам картонных сторонок. Правильность загибки покровного материала на углах крышки — это комплексный показатель, так как он подразумевает отсутствие просвета картона, минимальное утолщение загибки материала и отсутствие выступа складки материала за кромку крышки. Эти показатели оцениваются визуально.

Влажность переплетных крышек после сушки, поступающих на последующие операции, рекомендуется измерять электронным влагомером ЭВ-2К, а отсутствие коробления — по величине стрелок прогиба сторонок крышки, расположенной на горизонтальной поверхности (см. подразд. 7.5).

Для важнейших показателей качества готовых переплетных крышек — ширины крышки и шпации — рекомендуется проводить статистический контроль с использованием контрольных карт медиан.