Международные Сатпаевские чтения «Роль и место молодых ученых в реализации... экономической политике Казахстана». - 2015. - Том I I. -...

Международные Сатпаевские чтения «Роль и место молодых ученых в реализации новой
экономической политике Казахстана». - 2015. - Том I I. - С. 95-101
УДК 67.017
Жансеитова Ж.Т., Абдувалиева М.С., Канатов К., Шамельханова Н.А.
Исследование микроструктуры и свойств алюминиевой основы
формных пластин для офсетной печати
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева,
Казахстан, г. Алматы
zhanara_zhan92@mail.ru
В статье приведены результаты металлографического анализа микроструктуры
и механических свойств алюминиевой основы трех видов формных пластин для офсетной
печати – фотоформных (аналоговых) и СТР-пластин (термальные и фиолетовые).
Полученные данные могут послужить одним из критериев выбора качественных
материалов для полиграфического производства.
The study presents results of metallographic analysis of microstructure and mechanical
properties of aluminum basis for three types of printing plates for offset printing – photopfrom
(analog) and CTP ( thermal and violet). Obtained data can serve as one of criteria for selection
of quality materials for printing industry.
Ключевые слова: формные пластины, офсетная печать, алюминиевая основа,
микроструктура, свойства
Качество полиграфического исполнения во многом зависит от свойств
применяемых материалов, а именно: их твердости, вязкости, прочности и других.
Поэтому, чтобы обеспечить применение доброкачественного материала в производство,
необходимо знать его эксплуатационные свойства, которые, в свою очередь, зависят от
структуры материала.
Среди применяемых в полиграфии многочисленных материалов, металлы (Al, Fe,
Cu, Ni, Cr, Zn) значительно повышают производительность работы и качество продукции.
Металлы и особенно их сплавы отличаются высокой механической прочностью,
способностью отливаться и принимать заданную форму, что широко используется в
полиграфии. В этой связи, целью данного исследования является анализ структуры и
свойств алюминиевой основы формных пластин для офсетной печати, влияющих на
качество полиграфической продукции.
Полиграфические предприятия Казахстана используют предложения разных фирмпроизводителей формных пластин, ассортимент которых на мировом рынке постоянно
увеличивается. Все ведущие фирмы-производители имеют в своем ассортименте
несколько разных типов пластин, которые различаются по назначению, типу копирования
(позитивные или негативные), тиражестойкости (пробная и малотиражная печать, для
високотиражных работ), способом экспонирования (традиционный в ультрафиолетовых
лучах, проекционный, лазером по технологии «computer-to-plate»). Сегодня свыше 50
фирм мира изготовляют предварительно сенсибилизированные пластины негативного и
позитивного копирования, моно- и полиметаллические толщиной 0,1…0,5 мм, форматом
от 370х450 до 1420х1680 мм для печати малых, средних и больших тиражей на бумажной,
пленочной. В настоящее время на рынках стран СНГ активно работают такие
производители пластин, как «Agfa», «Polichrome», «Du Pont», «Lastra», «Pluri Metall»,
1
«Horsell» и др. [1]. Любая из фирм-производителей представлена одной-двумя марками
офсетных пластин, которые являются самыми универсальными. Как правило, это
пластины позитивного копирования, которые экспонируются в ультрафиолетовом (УФ)
излучении с длиной волны 400…430 нм, с электрохимическим зернением поверхности
алюминия. Они могут использоваться как на листовых, так и на рулонных машинах. Их
тиражестойкость лежит в границах 100…200 тыс. краскоотпечатков. Стоимость этих
материалов практически одинаковая. К ним можно отнести такие известнейшие марки:
«Ozasol PSS (Аgfa)», «Virage (Polichrome)», «Spartan (Du Pont)», «Libra Gold (Horsell)»,
«Futura Oro (Lastra)», «Micropos (Pluri Metall)» [2].
Наиболее распространено применение формной основы из алюминия или его
сплава (помимо углеродистой или нержавеющий стали). Алюминий применяют для
изготовления офсетных форм плоской печати позитивным копированием с
использованием поливинилового спирта или камеди сибирской лиственницы, а также ортохинондиазидов в качестве копировального слоя [3]. Поверхность алюминиевой
пластины монометаллических форм остается без изменений, а в полиметаллических
формах на нее наращивают слой меди (на нем дальше создаются печатающие элементы), а
сверху его – слой хрома или никеля (для создания пробельных элементов). В обоих
случаях на формную пластину наносят копировальный слой – негативный (например,
хромированный поливиниловый спирт ПВС или диазосмолу) или позитивный
(производные ортонефтехинондиазидов) в зависимости от способа копирования. На этот
слой контактным способом копируют растровую или штриховую фотоформу: негатив или
диапозитив.
Для нашего исследования были выбраны три вида формных пластин для офсетной
печати с алюминиевой основой, покрытой тонким копировальным слоем: фотоформные
(аналоговые) и СТР-пластин (термальные и фиолетовые).
При всех современных способах изготовления монометаллических форм
(полиметаллические формы практически не используются в настоящее время)
гидрофобные печатающие элементы создаются на пленках копировального слоя, прочно
сцепленных с развитой поверхностью металла, создаваемая способом электрохимического
зернения, а пробельные –на адсорбционных гидрофильных пленках, образованных на
поверхности металла основы.
Формные пластины для офсетной печати представляют собой многослойную
структуру (рисунок 1), которые производятся на основе особо чистого алюминиевого
проката и являются результатом сложного и продолжительного процесса [3].
Рисунок 1 - Строение пластины: 1 –алюминиевая основа; 2 –электрохимическое
зернение; 3 –оксидная пленка; 4 –гидрофильный подслой; 5 –светочувствительный
копировальный слой; 6 –микропигментированный слой
После электрохимической обработки, оксидирования и анодизации алюминиевая
основа приобретает физико-химические характеристики, обеспечивающие высокую
разрешающую способность и тиражестойкость, стабильность гидрофильных свойств
2
пробельных элементов на офсетной печатной форме, равномерное распределение
красочного слоя и увлажняющего раствора по всей площади пластины.
Основные технические показатели аналоговых формных пластин имеют примерно
следующие значения: шероховатость – 0,40,8 мкм; толщина анодированного слоя –0,81,7
мкм; толщина копировального слоя – 1,92,3 мкм; спектральная чувствительность –320450
нм; энергочувствительность – 180240 мДж/см2; время экспонирования (при освещенности
10 000 лк) – 23 мин; минимальный размер воспроизводимых штрихов –68 мкм; линиатура
растрового изображения – 60 лин/см (150 lpi); градационная передача растровых
элементов – в светах 12%, в тенях 9899%; тиражестойкость –до 150 тыс. оттисков без
термообработки и до 1 млн оттисков с термообработкой; цвет копировального слоя –
синий, зеленый, темноголубой; толщина пластин–0,15; 0,2; 0,3; 0,4 мм.
Термальные пластины состоят из следующих слоев: алюминиевой подложки,
печатного слоя и термочувствительного слоя, который имеет толщину менее 1 мкм
(рисунок 2) [4].
Рисунок 2 - Структура термальной пластины : 1 – алюминиевая основа; 2 – защитный
слой; 3 – слой эмульсии
Термальным пластинам свойственна высокая разрешающая способность,
тиражеустойчивость обычно указывается производителями на уровне 200 000 и более
оттисков. При дополнительном обжиге некоторые пластины способны выдержать
миллионный тираж. Эти пластины могут работать в агрессивных условиях печати (УФкраски), а также все операции с ними могут проводиться при дневном свете, что
обеспечивает комфортные условия работы.
Фиолетовые пластины (производители: Agfa, Fuji, Kodak, Lastra) с алюминиевой
основой и полимерным покрытием, придающим им исключительную тиражеустойчивость
– 200000 и более оттисков, при дополнительном обжиге печатных форм могут увеличить
срок службы до 400 000 – 1 000 000 оттисков. Разрешающая способность печатной формы
позволяет работать с линиатурой растра 200 lpi и «стохастикой» от 20 мкм, она
выдерживает очень высокие скорости печати. Эти пластины предназначены для
экспонирования в устройствах с лазером видимого света – зеленым или фиолетовым.
Структура пластин такова (рисунок 3): на стандартную анодированную и зерненую
алюминиевую основу нанесен слой мономера, защищенный от окисления и
полимеризации специальной пленкой, которая при дальнейшей обработке растворяется
водой [4].
3
Рисунок 3 - Структура фотополимерной пластины для прямой записи изображения при
изготовлении офсетной формы
Поверхность офсетных формных пластин должна удовлетворять следующим
требованиям: быть очень твердой и износоустойчивой для обеспечения тиражестойкости
пробельных элементов формы; иметь определенную микрогеометрию, шероховатость для
обеспечения высокой адгезии печатающих элементов формы; хорошо смачиваться
копировальным слоем для обеспечения высокой адгезии между слоем и поверхностью
пластины. Соответственно, к изготовлению пластин и, прежде всего, к алюминиевой
основе предъявляются высокие требования по: количеству примесей других металлов (не
должно превышать 0,5%); неровности поверхности (не должны превышать 3 мкм);
твердости и сопротивлению на разрыв.
При изготовлении пластин, алюминиевое полотно, размотанное из рулонов массой
в несколько тонн, проходит несколько стадий обработки, в зависимости от его ширины.
Сначала оно очищается в щелочной среде. Потом поступает в ванны, где происходит
электрохимическое зернение поверхности с оксидированием и наполнением оксидной
пленки, созданием специального гидрофильного подслоя. После этого алюминиевая
основа приобретает физико-химические характеристики, обеспечивающие высокую
разрешающую способность и тиражестойкость, стабильность гидрофильных свойств
пробельных элементов на офсетной печатной форме, равномерное распределение
красочного слоя и увлажняющего раствора по всей площади пластины.
Поверхность алюминия, которая проходит обработку зернением, может поглощать
количество воды в несколько десятков раз больше, чем гладкая поверхность. Высокая
капиллярность поверхности необходима для достижения нужного баланса краска –
увлажняющий раствор при офсетном способе печати. Для рулонных печатных машин,
которые работают на высоких скоростях, нужна будет более развитая поверхность
формного материала, чем при работе на листовых машинах. Пластины с высшей степенью
зернистости наиболее приспособлены для работы в регионах, где наблюдаются
значительные колебания температур. Также степень зернистости влияет на разрешающую
способность форм. Электрохимическое зернение проводится в кислоте, как правило,
азотной или соляной (в зависимости от необходимой степени развития поверхности).
Значение напряжения электрического тока, который проходит через кислоту, достигает
нескольких десятков тысяч вольт. В частности, пластины «Ozasol P5S» зернятся в азотной
кислоте и различаются более развитой мелкопористой структурой поверхности алюминия,
в отличие от пластин Р51 того же производителя, обработка которых происходит в
соляной кислоте. Поверхность Р51 имеет более развитую структуру.
Подготовка исследуемых образцов трех видов пластин на алюминиевой основе,
залитых эпоксидной смолой в оправке, состояла из операций: шлифования, полирования и
последующего травления в 5%- растворе плавиковой кислоты. Образцы были вырезаны из
пластин в двух направлениях: для изучения металлической основы и изучения границы
копировального слоя и основы металла. Для качественного анализа микроструктуры
4
исследуемого материала был использован металлографический микроскоп IMM 901,
оборудованный селективным фотографическим устройством.
При изучении микрошлифов под микроскопом видно (хотя границы зерен
выявлены нечетко), что металлическая основа имеет неоднородный состав зерен чистого
алюминия, имеющих неодинаковую кристаллографическую ориентировку, на что
указывает их различная степень травимости.
Видны округлые включения примесей, а также включения в виде строк. Включения
распределены довольно равномерно по объему зерна, а не вокруг границ зерен. Природа
включений требует дополнительного изучения методами электронной микроскопии и
рентгеноструктурного анализа. Из полученных фотографий микроструктуры образцов
можно заключить, что по количеству включений, наибольшее количество их в аналоговых
пластинах, в двух других они не превышают 0,5% объема.
Дефекты типа пор, микротрещин или неметаллических включений почти во всех
образцах не обнаружены, за исключением аналогового образца, где предположительно
видны остатки разрушенного копировального слоя использованных пластин (рисунок 4 ).
В
целом,
структуры
всех
образцов можно
охарактеризовать
как
удовлетворительные по предъявляемым к ним требованиям. Их поверхность довольна
шероховатая. Шероховатость поверхности оценивалась по границе пленка – алюминиевая
основа, видной на образцах, расположенных в оправке перпендикулярно плоскости
пластины. Среднее значение микронеровностей поверхности алюминия (показатель
шероховатости) составляет ориентировочно 0,4…0,7 мкм.
а) × 400
г) ×400
б) ×1000
д) ×1000
5
в) ×400
е) ×400
ж) ×400
к) ×400
и) ×1000
Рисунок 4 - Микроструктуры алюминиевой основы и границы пленка-основа
формных пластин: а) аналоговая при ×400; б) аналоговая при×1000; в) граница пленкаоснова аналоговой пластины; г) термальная при ×400; д) термальная при × 1000; е)
граница пленка-основа термальной пластины; ж) фиолетовая при ×400; и) фиолетовая при
×1000; к) граница пленка-основа фиолетовой пластины
Из механических свойств металлов, наиболее ответственных за эксплуатационную
надежность в процессе печатания, можно выделить прочность, пластичность,
сопротивление усталости и износостойкость. Прочность металла характеризуется
максимальным условным напряжением, которое выдерживает металл при растяжении до
разрушения; пластичность определяется как относительное удлинение при растяжении.
Механическая прочность должна быть достаточной для печатания больших тиражей, без
заметного износа печатающих элементов формы под действием значительного давления
печатного цилиндра и при сильном трении бумаги. Сопротивление усталости
характеризуется максимальным напряжением, которое выдерживает материал, не
разрушаясь при повторно-переменных нагрузках. Износостойкость металла может
оцениваться по объему сошлифованого металла с учетом условий вытирания. Значения
износостойкости сплава алюминия приведены относительно износостойкости чистого
алюминия. Важным свойством формной является его твердость, от которого зависит
тиражеустойчивость печатной формы.
Показатели прочности алюминиевой основы формных пластин приведены в
таблице 1 [5].
Таблица -1 - Показатели прочности алюминиевой основы формных пластин для
офсетной печати [5]
Металлическая
основа пластины
Алюминий (0,3 мм)
Алюмомагниевый
сплав, АМГ (0,3 мм)
Временное
сопротивление
разрыву, МПа
135…195
255…335
Механические свойства
Относительное
Относительная
удлинение, %
износостойкость
4
2
1
1,2
По значениям микротвердости (HV) исследуемых образцов, полученных на
микротвердомере Ломо ПМТ–314 (таблица 2), можно судить об относительной
однородности микроструктуры, без результатов фазового анализа. Значения HV
рассчитывались по формуле HV = sin = 1,854 .
6
Таблица 2 – Значения микротвердости исследуемых образцов по результатам
замеров при нагрузке Р = 1г
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Аналоговая пластина
d1,
d2
d ср
HV,
мкм мкм мкм кг/мм2
31
31
31
1,93
61
54
57,5 0,56
30
34
32
1,81
72
61
66,5 0,42
69
70
69,5 0,38
67
67
67
0,41
42
38
40
1,16
55
54
54,5 0,62
60
54
57
0,57
67
65
66
0,42
Термальная пластина
d1
d2
d ср
HV
мкм мкм мкм кг/мм2
44
38
41
1,1
90
90
90
0,23
46
49
47,5 0,82
76
72
74
0,33
67
69
68
0,4
96
92
94
0,21
77
85
81
0,29
80
84
82
0,27
91
64
62,5 0,47
75
70
72,5 0,35
Фиолетовая пластина
d1
d2
d ср
HV
мкм мкм мкм кг/мм2
65
65
65
0,44
85
79
82
0,27
84
87
85,5 0,25
63
60
61,5 0,49
77
74
75,5 0,32
63
62
62,5 0,47
80
86
83
0,27
81
90
85,5 0,25
72
61
66,5 0,42
69
68
68,5 0,39
Анализ полученных данных показывает, что существует разброс значений
микротвердости для всех образцов в допустимых пределах. Максимально высокие
значения микротвредости указывают на наличие твердых включений.
Таким образом, из результатов проведенных
исследований следует, что
исследуемые виды пластин от разных производителей вполне удовлетворяют
требованиям, предъявляемым к ним по структуре и свойствам. При этом, при
использовании формных пластин на основе алюминия для офсетной печати нужно
выбирать пластины качественных производителей [5], что даст возможность получить
максимально стойкие материалы.
Список литературы
1. Дэниел Дж. Вилсон. Основы офсетной печати/ Дэниел Дж. Вилсон; Пер. с англ. М.
Бредиса. - М.: ПРИНТ-МЕДИА центр, 2005. - 232 с.
2. Хайди Толивер-Нигро. Технологии печати: учеб. пособие для вузов/ Хайди
Толивер-Нигро; Пер. с англ. Н. Романова. —М.: ПРИНТ-МЕДИА центр, 2006. - 232
с.
3. Полянский Н.Н., Карташева О.А., Надирова Е.Б. Технология формных процессов.
Учебник. – М.: МГУП, 2007. – 366с.
4. Офсетные СТР-пластины: новинки и тенденции [Электронный ресурс] // Publish.2007.- № 10.- Режим доступа: http :// mb . osp . ru / cgi - bin / iframe / publish - m build -125 x 300?73839& options = T .
5. Выбор формных материалов для офсетной печати. [Электронный ресурс]. - Режим
доступа: http://www.printodrom.ru/Vibor-formnih-materialov-dlya-ofsetnoi-pechati.
7