docokladka12_2011_2d ns.cdr
download 
Reklamacja Transkrypt
okladka12_2011_2d ns.cdr
ZAGADNIENIA POLIGRAFICZNE Elektryczność statyczna w konwencjonalnych technikach drukowania Static Electricity in Conventional Printing Techniques JAN KOWALCZYK W artykule przedstawiono najważniejsze problemy związane z występowaniem zjawisk elektrostatycznych w procesach drukowania wykorzystujących techniki konwencjonalne. W pierwszej części pracy przedstawiono mechanizm samoistnego powstawania ładunków elektrostatycznych, okoliczności sprzyjające osiąganiu wysokich potencjałów ładunków oraz sposoby ograniczania ich powstawania przez odpowiedni dobór materiałów lub modyfikację ich właściwości. W następnych częściach pracy omówiono metody usuwania ładunków elektrostatycznych oraz negatywny wpływ gromadzenia się ładunków elektrostatycznych na przebieg procesu drukowania. Ostatnia część artykułu poświęcona jest wykorzystywaniu zjawisk elektrostatycznych do wspomagania procesów drukowania. Między innymi omówiono system wspomagania stosowany we wklęsłodruku i jego wpływ na parametry punktów rastrowych na odbitce, systemy elektrostatycznego ładowania stosowane w technice heatsetu itp. The paper presents the major problems concerning the phenomena of electrostatic in printing processes using conventional techniques. The first part of work presents the mechanism of spontaneous formation of electrostatic charges, circumstances conducive to the achievement of high potentials and ways to reduce their formation by an appropriate choice of materials or modify their properties. The following sections discuss methods for removing static electricity and the negative impact of the accumulation of electrostatic charges on the printing process. The last part of the article is devoted to the use of electrostatic phenomena to support the printing process. Among other things, it discusses the support system used in gravure and its effect on the parameters of halftone dots on the prints, electrostatic charging systems used in heatset technology etc. Wstęp Zjawisko elektryzacji ciał stałych znane jest od VI wieku p.n.e., ale do dziś nie zostało w pełni rozpoznane. Trudność dokładnej charakterystyki zjawiska w konkretnych warunkach technologicznych wynika z dużej różnorodności właściwości materiałów oraz mnogości różnych czynników fizycznych mających wpływ na jego przebieg. Pojawianie się ładunków elektrostatycznych może mieć charakter samoistny, zupełnie przypadkowy, co zazwyczaj przyczynia się do stwarzania utrudnień w różnych procesach technologicznych. Ładunki mogą być również wytwarzane celowo, w sposób kontrolowany dla osiągnięcia określonych efektów. Szczególnego znaczenia problem elektryczności statycznej nabiera w procesach drukowania na współczesnych wysokowydajnych maszynach, gdzie występowanie tego zjawiska może prowadzić do obniżenia jakości uzyskiwanych druków oraz ograniczenia PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · GRUDZIEŃ 2011 prędkości pracy maszyn lub przeciwnie, być wykorzystywane do usprawnienia procesu drukowania. Istotny jest również fakt, że ładunki elektrostatyczne mogą prowadzić do uszkodzeń maszyn drukujących, częściowego lub całkowitego zniszczenia wykonywanej produkcji, np. w przypadku najnowszych zastosowań technik poligraficznych, takich jak elektronika drukowana. W celu eliminacji utrudnień wywołanych ładunkami elektrostatycznymi w pierwszej kolejności należałoby dążyć do ograniczenia powstawania ładunków przez stosowanie odpowiednich materiałów. Często jednak ze względów technologicznych jest to niemożliwe i konieczne okazuje się stosowanie urządzeń usuwających powstające ładunki, zapobiegających ich gromadzeniu i osiąganiu wysokich potencjałów. Samoistne powstawanie ładunków elektrostatycznych Istnienie obok siebie dwóch ciał może prowadzić do ich elektryzacji – powstawania na nich ładunków. Ładunki powstają w trzech podstawowych sytuacjach: • dwa nienaelektryzowane ciała ulegają wzajemnej elektryzacji w wyniku przekazywania ładunków po zetknięciu, • ciało nienaelektryzowane po zetknięciu z ciałem naelektryzowanym przyjmuje od niego ładunek, • ciało elektryzuje się w skutek umieszczenia w polu elektrycznym. Mechanizmy powstawania ładunków elektrostatycznych opisuje wiele teorii, które nie w pełni znajdują potwierdzenie w praktyce ze względu na złożoność tego zjawiska. W poligraficznych procesach produkcyjnych zjawisko elektryzacji występuje najczęściej podczas rozdzielania dwóch wcześniej stykających się nienaelektryzowanych ciał. Jego przebieg objaśnia się teorią warstwy podwójnej, którą opracował Heimholtz. Teoria ta zakłada, że na granicy styczności dwóch ciał powstaje tzw. warstwa podwójna, składająca się z dwóch warstw ładunków o przeciwnej polaryzacji. Przyjmuje się, że elektryzowanie podczas kontaktu odbywa się w następstwie przechodzenia elektronów z jednego ciała do drugiego. Zjawisko to związane jest z różną wielkością pracy wyjścia tych dwóch ciał, czyli energią, którą trzeba dostarczyć elektronom, aby mogły opuścić dane ciało. Dr inż. J. Kowalczyk, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Mechaniki i Poligrafii, ul. Konwiktorska 2, 00-217 Warszawa 733 ZAGADNIENIA POLIGRAFICZNE Mechanizm powstawania ładunków na dwóch połączonych, a następnie rozdzielanych ciałach przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Mechanizm powstawania ładunków podczas rozdzielania dwóch ciał, Ia, Ib – przepływ prądu odpowiednio w ciele A i B, x-droga rozdziału ciał W przedstawionym przykładzie warstwa podwójna powstająca w miejscu styku dwóch materiałów w trakcie ich rozdziału ulega podziałowi, przy czym ciało A uzyskuje ładunek dodatni zaś ciało B ujemny. Jednocześnie z procesem elektryzowania przebiega proces zaniku ładunków, który związany jest z występowaniem skrośnej i powierzchniowej przewodności rozdzielanych materiałów. Na rysunku przedstawia to przepływ prądu o natężeniu Ia oraz Ib. Zakładając, że A jest metalem o wysokiej przewodności, a B materiałem o przewodności γ i przenikalności elektrycznej εr gęstość utworzonego ładunku na powierzchni rozdzielanej wyrazić można za pomocą wzoru (1): γx σ=σ0 exp(- ε ε v ) 0 r gdzie: σ – gęstość powierzchniowa ładunku σ0 – gęstość ładunków warstwy podwójnej γ – przewodność v – prędkość rozdziału ε0 – przenikalność elektryczna próżni εr – przenikalność względna x – długość drogi rozdziału. Z powyższego równania wynika wniosek mający duże znaczenie technologiczne, że intensywność elektryzowania w dużym stopniu zależy od prędkości rozdziału stykających się materiałów. Im prędkość procesów technologicznych, którym towarzyszy elektryzacja jest wyższa, tym większa jej intensywność. Rzeczywista wielkość ładunków oraz ich polaryzacja są często trudne do przewidzenia, ponieważ jest to zależne od wielu czynników. Są to między innymi: • skład chemiczny stykających się ciał, ich struktura, czystość lub rodzaj domieszek, • warunki otoczenia miejsca powstawania ładunków, takie jak stopień jonizacji powietrza, jego wilgotność oraz temperatura, • gładkość powierzchni stykających się ciał, a przy ich wzajemnym ruchu również współczynnik tarcia. Do przewidywania sposobu elektryzowania się ciał często stosuje się reguły Coehna (2), uznawane przez wielu badaczy za słuszne tylko w odniesieniu do ciał chemicznie czystych. 734 Zgodnie z tymi regułami: • podczas kontaktu dwóch dielektryków dodatnio elektryzuje się dielektryk charakteryzujący się większą przenikalnością elektryczną, • gęstość powierzchniowa powstających ładunków jest proporcjonalna do różnicy przenikalności elektrycznych obu stykających się ciał, • przy kontakcie metali z dielektrykami metal może ładować się ujemnie lub dodatnio; metale szlachetne przy kontakcie z dielektrykami elektryzują się zazwyczaj dodatnio, zaś nieszlachetne ujemnie. W oparciu o te zasady w literaturze prezentowane są tzw. szeregi tryboelektryczne, przedstawiające poszczególne ciała w kolejności wzrastającej wielkości przenikalności elektrycznej, pozwalające określić zdolność pary materiałów do elektryzowania się i przyjmowania polaryzacji. Niestety, stosując reguły Coehna nie można wytłumaczyć zjawiska elektryzowania się dwóch jednakowych ciał, kiedy to wielkość oraz rodzaj ładunków zależą od sposobu ich wzajemnego tarcia. Na przykład, po rozdzieleniu dwóch arkuszy wykonanych z jednego rodzaju tworzywa sztucznego mogą powstać na ich powierzchniach rozmieszczone przemiennie obszary naładowane dodatnio i ujemnie. Metody ograniczania powstawania i gromadzenia ładunków elektrostatycznych Zdolność gromadzenia się ładunków elektrostatycznych na materiałach zależy od relacji pomiędzy szybkością tworzenia ładunków, a ich samoneutralizacją wywołaną przepływem prądu wewnątrz lub na zewnątrz materiału, którego wartość w dużej mierze zależy od rezystancji skrośnej. Skuteczną metodą ograniczania powstawania ładunków może być odpowiedni dobór stosowanych w procesach materiałów, których rozdzielanie nie prowadzi do intensywnej elektryzacji. W maszynie drukującej można wykonać pewne elementy, prowadzące przemieszczające się podłoże drukowe, z materiału o niskiej zdolności generowania ładunków. Elementy te mogą być wykonane z tych materiałów w całości (np. taśmy transportujące na stole spływowym samonakładaka) lub mogą stanowić cienką warstwę, pokrywającą części metalowe maszyny (np. walce prowadzące wstęgę). Często ze względu na to, że urządzenie drukujące posiada stałe elementy prowadzące wykonane z określonych materiałów, których nie można zmieniać, zmieniając rodzaj podłoża drukowego, w celu ograniczania powstawania ładunków stosuje się modyfikacje podłoża. Modyfikacja polega na wprowadzaniu specjalnych substancji antystatycznych do masy materiału, z którego jest wykonane podłoże drukowe lub na nanoszeniu substancji antystatycznych na jego powierzchnię. Celem tego działania jest zwiększenie przewodności skrośnej lub powierzchniowej ułatwiającej zanik ładunków. Według niektórych źródeł przyjmuje się, że materiały posiadający rezystancję powierzchniową w zakresie 109-1014Ω/ m2 nie ulegają elektryzacji (3). Substancje antystatyczne wprowadzane do materiałów w trakcie ich wytwarzania lub przetwarzania stosowane są najczęściej w produkcji podłoży drukowych z tworzyw sztucznych (np. podczas ekstruzji). W produkcji papieru są stosowane rzadziej i najczęściej można je znaleźć w papierach do celów specjalnych, od których wymaga się właściwości antystatycznych, np. w powlekanych papierach do drukowania cyfrowego. Działanie antystatyczne wprowadzanych substancji może być realizowane PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · GRUDZIEŃ 2011 ZAGADNIENIA POLIGRAFICZNE dwiema drogami. Antystatyk wprowadzony do masy materiału migruje w kierunku jego powierzchni zewnętrznych, gdzie wchodzi w interakcję z wilgocią z otaczającego go powietrza, redukując powierzchniową rezystancję, co prowadzi do zmniejszenia prawdopodobieństwa powstania wysokich potencjałów ładunków. Przykładem takiej substancji mogą być estry kwasu alkanosulfonowego (4). Tego typu substancja i inne działające wg powyższego mechanizmu mogą być również stosowane zewnętrznie, na przykład poprzez napylanie na powierzchnię. Drugi sposób uzyskania efektu działania antystatycznego to wprowadzenie do materiału lub na jego powierzchnię substancji o względnie wysokiej przewodności. Przykładem takiej substancji może być krzemian glinowo-magnezowy (5). Stosowany jest on do tworzyw sztucznych, ale również w produkcji antystatycznego papieru przeznaczonego do zadrukowania metodą elektrografii. Substancje antystatyczne aplikowane na zewnątrz podłoża drukowego mogą być nanoszone przez napylanie w postaci roztworów wodnych lub alkoholowych bezpośrednio, w niezależnym procesie lub przy okazji prowadzenia innego procesu technologicznego. Na przykład, w technologii heatsetu środki antystatyczne dodaje się do roztworu nawilżającego papier po procesie utrwalania. Skuteczne działanie środków wchodzących w interakcję z wilgocią z otaczającego powietrza wymaga utrzymywania w pomieszczeniu, w którym prowadzone jest drukowanie lub obróbka materiałów, odpowiednich warunków klimatycznych. Większa wilgotność sprzyja większej skuteczności działania tych substancji. Również materiały niezawierające substancji antystatycznych elektryzują się mniej w wilgotnym otoczeniu. Jeżeli materiał jest higroskopijny to zaabsorbowana woda może wywołać dostatecznie duży wzrost przewodności elektrycznej skrośnej i powierzchniowej, aby w sposób zadowalający ograniczyć gromadzenie się ładunków. Niestety, znaczne podwyższenie wilgotności w przypadku podłoży papierowych może prowadzić do obniżenia ich stabilności wymiarowej i zwiększenia prawdopodobieństwa wystąpienia utrudnień w pasowaniu kolorów podczas zadruku. Według Instytutu Fogra względna wilgotność papieru w granicach 45-55% jest już wystarczająca, aby zapobiec powstawaniu ładunków elektrostatycznych, w ilości która mogłaby powodować istotne utrudnienia podczas drukowania na maszynach arkuszowych (6). Działanie urządzeń usuwających ładunki Jeżeli nad powierzchnią naładowanego materiału umieścimy uziemioną elektrodę, to dodatnie ładunki na tym materiale spowodują – poprzez indukcję – powstanie na elektrodzie ładunków o znaku przeciwnym. W momencie polaryzacji w obwodzie popłynie przez chwilę prąd, który następnie ustanie (rys. 2a.). Powietrze jest izolatorem, który przejawia zdolność do niewielkiego przewodzenia prądu elektrycznego w związku z obecnością w nim pewnej ilości jonów dodatnich i elektronów. Ich obecność w ilości około 103-10 4 /cm3 wynika z jonizacji spowodowanej jednym z trzech czynników: promieniowaniem UV zawartym w promieniowaniu słonecznym, promieniowaniem kosmicznym lub rozpadem ciał promieniotwórczych znajdujących się w otoczeniu. Ilość jonów w powietrzu jest zbyt mała, aby zapewnić przewodnictwo wystarczające do samoistnego odpływu ładunków gromadzących się na materiałach nieprzewodzących. PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · GRUDZIEŃ 2011 Rys. 2.: a – uziemiona płyta umieszczona nad naelektryzowanym ciałem, b – działanie uziemionego ostrza Inaczej przedstawia się sytuacja, kiedy naprzeciwko naładowanej powierzchni umieścimy uziemione ostrze. Jeżeli ładunek zaindukowany na ostrzu będzie taki sam, co do wielkości lecz o przeciwnym znaku, to na ostrzu ze względu na niewielką jego powierzchnię wystąpi bardzo wysoka gęstość ładunku oraz bardzo wysokie natężenie pola elektrycznego. Po przekroczeniu pewnej wielkości natężenia pola przyciągane z powietrza pojedyncze ładunki osiągają tak dużą prędkość, że zderzając się z napotkanymi na swej drodze obojętnymi cząsteczkami wybijają z nich elektrony, te z kolei przyspieszone powodują wybijanie następnych. Zjawisko ma charakter lawinowy i prowadzi do znacznej jonizacji powietrza, którego następstwem jest odpływ ładunków z naładowanej powierzchni do uziemienia. W przykładzie przedstawionym na rysunku 2b powstające jony dodatnie ze zjonizowanego powietrza są przyciągane przez elektrodę, zaś elektrony neutralizują ładunki zgromadzone na naelektryzowanym materiale. W obwodzie pojawia się przepływ prądu. Zjawisko powyższe zwane ulotem, wyładowaniem koronowym lub wyładowaniem niezupełnym z uwagi na fakt, że jonizacja występuje jedynie wokół ostrza nie jest typowym wyładowaniem elektrycznym, przy którym jonizacji ulega cała warstwa powietrza. W odróżnieniu od wyładowania pełnego, któremu towarzyszy przeskok iskry lub powstanie łuku elektrycznego, takie wyładowanie nie działa niszcząco na powierzchnię, z której zbierane są ładunki, ani nie stwarza niebezpieczeństwa powstania pożaru w obecności materiałów łatwopalnych. Do zapoczątkowania i podtrzymania zjawiska ulotu niezbędny jest pewien minimalny potencjał ładunków na materiale, z którego te ładunki są usuwane, dlatego urządzenia tego typu nie nadają się do zastosowania tam, gdzie wymagana jest całkowita neutralizacja. W celu całkowitego usunięcia ładunków z powierzchni materiałów stosuje się elektrody zasilane prądem zmiennym lub stałym, wykorzystujące zjawisko ulotu. Ich zadaniem jest wytworzenie chmury ładunków o odpowiedniej polaryzacji, która zdolna będzie do neutralizacji istniejących, niepożądanych ładunków. Działanie tego typu elektrody przedstawia rysunek 3a. W zależności od polaryzacji elektrody ulotowej rozróżniamy urządzenia wytwarzające korony dodatnie lub ujemne. Jeśli elektroda ulotowa posiada polaryzację dodatnią, wytwarza się korona dodatnia. W przypadku korony dodatniej elektrony przyspieszone w polu elektrycznym zmierzają do elektrody ulotowej po drodze tworząc w wyniku zderzeń nowe jony i elektrony. Jony dodatnie w postaci chmury przemieszczają się w kierunku elektrody ujemnej oraz ładunków ujemnych znajdujących się na materiale, gdzie zostają zneutralizowane. W przypadku korony ujemnej w wyniku jonizacji zderzeniowej powstające jony dodatnie zmierzają do elektrody ulotowej, a elektrony w postaci chmury ujemnych ładunków zmie- 735 ZAGADNIENIA POLIGRAFICZNE rzają do elektrody dodatniej i ładunków dodatnich znajdujących się na materiale, gdzie ulegają neutralizacji. W urządzeniach do neutralizacji ładunków stosuje się dwa sposoby zasilania elektrod. Zasilanie prądem przemiennym lub zasilane prądem zmiennym o przebiegu prostokątnym. W pierwszym przypadku do elektrody ulotowej podłączone jest źródło wysokiego napięcia 5-7kV prądu przemiennego o częstotliwości 50Hz wywołując na przemian dodatnią lub ujemną jej polaryzację. W efekcie, urządzenie takie generuje podobne ilości ładunków dodatnich i ujemnych, które są pobierane do neutralizacji w zależności od polaryzacji materiału znajdującego się w pobliżu elektrody. W urządzeniach posiadających elektrody zasilane prądem zmiennym o przebiegu prostokątnym, najczęściej o regulowanej częstotliwości z zakresu 0,5-20Hz, można również regulować proporcje pomiędzy czasem trwania części dodatniej i ujemnej przebiegu. Taka regulacja pozwala generować ładunki takie, jakie są w danej chwili potrzebne do neutralizacji ładunków na podłożu drukowym. Często w maszynach drukujących mamy do czynienia z sytuacją, kiedy nie można umieścić elektrody wytwarzającej ładunki bezpośrednio przy poddawanym neutralizacji materiale. Korzysta się wówczas z urządzeń nadmuchowych. W urządzeniach tego typu wytworzona na elektrodzie wyładowczej chmura ładunków o odpowiedniej polaryzacji przenoszona jest za pomocą strumienia powietrza w kierunku miejsca obecności niepożądanych ładunków. W zależności od wydajności i kształtu ujścia dysz nadmuchowych, które determinują obszar i siłę oddziaływania, rozróżniamy: dysze nadmuchowe, pistolety nadmuchowe, dmuchawy oraz noże powietrzne. Te pierwsze zasilane są powietrzem o znacznym ciśnieniu, średnio około 5 barów i służą do neutralizacji miejscowej, z odległości kilku do kilkudziesięciu centymetrów. Dmuchawy stosuje się przy oddziaływaniu z odległości kilkudziesięciu centymetrów do 1,5m na dużą powierzchnię. Noże powietrzne to urządzenia stosowane do neutralizacji ładunków na materiałach przemieszczających się z najwyższymi prędkościami. Powyżej prędkości 5m/s na wstędze tworzy się tzw. zasłona powietrzna, czyli cienka warstwa powietrza przemieszczająca się razem ze wstęgą, blokująca do niej dostępu chmurze ładunków neutralizujących. Wąski strumień powietrza pod bardzo wysokim ciśnieniem usuwa tę warstwę i umożliwia neutralizację. Im prędkość wstęgi większa tym ciśnienie powietrza zasilającego nóż powinno być wyższe. Utrudnia występujące w różnych technikach drukowania wywołane obecnością elektryczności statycznej Rodzaj utrudnień występujących w procesach drukowania zależy w głównej mierze od wysokości potencjałów zgromadzonych ładunków, powstających w wyniku elektryzacji. Przyjmuje się, że potencjał ładunków poniżej 3 kV obecny na nieprzewodzącym podłożu nie prowadzi do znaczących utrudnień. Powyżej tego potencjału obserwuje się przyciąganie różnego rodzaju zanieczyszczeń z otoczenia, pomiędzy 5-10 kV rozpoczyna się sklejanie arkuszy lub wstęg podłoży drukowych. Powyżej 50 kV występują wyładowania elektryczne (7). Przyciąganie zanieczyszczeń. Ładunki elektryczne zgromadzone na podłożu drukowym wytwarzają pole elektryczne powodujące przyciąganie zanieczyszczeń z otoczenia. Siły wywołane oddziaływaniem elektrostatycznym przyczyniają się również do 736 Rys. 3. Urządzenia emitujące ładunki elektrostatyczne: a – listwa, b – dysza nadmuchowa uwalniania słabo związanych z powierzchnią papieru cząstek (pylenie papieru) i osadzanie ich w przypadkowych miejscach. W klasycznych technikach drukowania offsetowego zjawisko to może prowadzić do pogorszenia równomierności pokrycia farbą podłoża, widocznego szczególnie w miejscach pól pełnych lub o wysokim stopniu pokrycia. W technice drukowania offsetu bezwodnego zanieczyszczenia znajdujące się na podłożu, przenoszone w zespole drukującym poprzez obciąg offsetowy na formę drukową, stwarzają zagrożenie uszkodzenia delikatnej warstwy polisiloksanu pokrywającej elementy niedrukujące. W fleksografii lub wklęsłodruku zanieczyszczenia mogą zasklepić wgłębne elementy odpowiednio walca rastrowego lub formy drukowej i ograniczać w ten sposób ilość farby przenoszonej na podłoże drukowe z elementów drukujących formy. Oddziaływanie ładunków elektrostatycznych na farbę drukową. W niektórych technikach drukowania pole elektrostatyczne wytwarzane przez ładunki obecne w obszarze zespołu drukującego może wpływać na transfer farby z formy na zadrukowywane podłoże. We wklęsłodruku może wystąpić: miotełkowanie, czyli tworzenie mikronitek farbowych ciągnących się od krawędzi elementów obrazu w głąb miejsc niezadrukowanych lub smużenie, czyli rozmazanie obrazu wywołane wydłużonym kontaktem materiału zadrukowywanego z formą drukową, spowodowanym siłami oddziaływania elektrostatycznego. Obecność ładunków elektrostatycznych może również utrudniać przenoszenie farby z najmniejszych kałamarzyków farbowych na polach rastrowanych i prowadzić do braku ich odwzorowania (ang. missing dots) na odbitce wykonanej na podłożach o niskiej gładkości. Analogiczne zjawiska do miotełkowania i rozmazywania występują w technice sitodruku podczas oddzielania sita od zadrukowywanego podłoża, szczególnie gdy jest ono tworzywem sztucznym, a sito nie jest wykonane z materiałów przewodzących. W maszynach drukujących pracujących z wysokimi prędkościami (np. coldset) pole elektrostatyczne wytworzone wokół zadrukowywanego materiału może oddziaływać na farbę, która ulega podziałowi miedzy walcami zespołu farbowego. Tworzące się podczas podziału nitki farbowe mogą być przerywane w więcej niż jednym miejscu, a środkowe ich części, w wyniku oddziaływania elektrostatycznego naładowanej wstęgi będą unoszone i często osadzane w przypadkowych miejscach na zadrukowywanym podłożu (pylenie farby). Sklejanie, odpychanie niezadrukowanych lub zadrukowanych podłoży, to najczęściej występujące utrudnienie procesu drukowania. Występuje ono we wszystkich technikach drukowania i dotyczy wszystkich rodzajów podłoży o właściwościach dielektryka. W maszynach drukujących arkuszowych występuje w samonakładakach, gdzie prowadzi do zakłóceń w prawidłowym rozdzielaniu i transporcie arkuszy do zespołu drukującego PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · GRUDZIEŃ 2011 ZAGADNIENIA POLIGRAFICZNE maszyny. W wykładkach ładunki elektrostatyczne znajdujące się na arkuszach mogą przede wszystkim prowadzić do trudności w formowaniu wyrównanych stosów lub występowania odciągania farby. W maszynach zwojowych, gdzie w złamywaku spotyka sie kilka wstęg zadrukowywanych w kolejnych zespołach, wstęgi mogą w zależności od polaryzacji sklejać się lub odpychać. Oba te zjawiska mogą prowadzić do trudności we właściwym ich wzajemnym pozycjonowaniu, a w konsekwencji do niedokładnego złamywania. W maszynach zwojowych, w których wstęga zwijana jest na zwój (np. maszyny fleksograficzne), ładunki elektrostatyczne znajdujące się na wstędze mogą prowadzić do trudności równego nakładania kolejnych warstw tworzonego zwoju. Wyładowania elektryczne z przeskokiem iskry są jednym z najgroźniejszych zagrożeń wywołanych powstawaniem ładunków elektrostatycznych w trakcie drukowania. W zależności od miejsca występowania mogą prowadzić do pożaru, uszkodzenia elementów maszyny lub porażenia personelu. Niebezpieczeństwo powstania pożaru występuje w technikach drukowania wykorzystujących farby drukowe rozpuszczalnikowe, zawierające niskowrzące rozpuszczalniki organiczne. Do zapłonu dochodzi w chwili wystąpienia przeskoku iskry w miejscu, gdzie odparowane z farby rozpuszczalniki osiągną odpowiednio wysoki stopień koncentracji w powietrzu. Najczęściej ma to miejsce w urządzeniach utrwalających lub okolicach zespołów farbowych maszyn fleksograficznych lub wklęsłodrukowych. Stężenie par, przy którym może wystąpić zapłon jest zależne od rodzaju rozpuszczalnika, temperatury i ciśnienia w miejscu występowania zagrożenia. Uszkodzenia elementów maszyny to najczęściej uszkodzenia elementów elektronicznych sterujących maszyną, niedostatecznie zabezpieczonych przed wysokimi napięciami. Przeważnie są to różnego rodzaju czujniki, które znajdują się w niewielkiej odległości od zadrukowywanego materiału. Zdarza się również, że długotrwałe wyładowania pomiędzy zadrukowywaną wstęgą a cylindrem dociskowym maszyny drukującej prowadzą do uszkodzenia jego powierzchni w postaci wypalenia niewielkich zagłębień. Porażenie operatora maszyny drukującej zdarza się, gdy odpowiednio wysoki potencjał zgromadzonych ładunków spowoduje przeskok iskry w kierunku operatora znajdującego się w pobliżu. Wyładowanie takie, ze względu na niską wartość przepływającego przez człowieka prądu, nie jest dla niego groźne, jednak niespodziewane porażenie może przestraszyć i wywołać niekontrolowane zachowanie pracownika, a w następstwie stworzyć realne zagrożenie. drukowe z niewielkich zagłębień (kałamarzyków) znajdujących się na powierzchni formy. Przenoszenie farby odbywa się przez kontakt podłoża z powierzchnią farby wymuszony cylindrem dociskowym (preserem), zwilżenie i oddziaływanie na farbę sił powstających w kapilarach podłoża. Każdy pojedynczy kałamarzyk powinien utworzyć jeden punkt drukowanego obrazu. Często najmniejsze elementy obrazu nie są odwzorowane (tzw. brakujące punkty – missing dots), co stanowi jego istotną wadę. Przyczyną tego zjawiska jest tworzenie menisku wklęsłego farby w kałamarzykach oraz nierówności podłoża, które mogą uniemożliwić jego kontakt z farbą (8). Elektrostatyczne wspomaganie drukowania polega na wytworzeniu w strefie kontaktu pomiędzy cylindrem formowym i preserem silnego pola elektrostatycznego (300-1600V) (9). W wyniku jego oddziaływania farba w kałamarzyku ulega przemieszczeniu (rys. 4b.), przez co dochodzi do jej kontaktu z podłożem i przechodzenia na podłoże dzięki siłom kapilarnym. Nie bez znaczenia jest również wpływ pola elektrostatycznego na właściwości samej farby. Farba w polu elektrostatycznym obniża swoje napięcie powierzchniowe (10), co prowadzi do lepszego zwilżania zadrukowywanego podłoża, pełniejszego opróżniania kałamarzyków i zwiększenia ilości farby przeniesionej na podłoże. Ilość brakujących elementów obrazu zmniejsza się wraz ze wzrostem wielkości przyłożonego napięcia. Obserwuje się również zmiany parametrów elementów, które były już prawidłowo reprodukowane bez wspomagania elektrostatycznego. Dotyczy to głównie przyrostu wartości tonalnej. Na rysunku 4a. przedstawiono, wywołane polem elektrostatycznym zmiany przyrostów wartości tonalnej (TVI) dla różnych wartości tonów (11). Wykorzystywanie ładunków elektrostatycznych do wspomagania procesu drukowania Rys. 4. Wpływ pola elektrostatycznego na transfer farby z formy wklęsłodrukowej na podłoże drukowe, 1 – forma drukowa, 2 – przemieszczenie farby w zagłębieniu formy wywołane polem elektrostatycznym, 3 – przyrost wartości tonalnej na odbitce bez wspomagania, 4 – przyrost wartości tonalnej na odbitce ze wspomaganiem (12) Świadome i w pełni kontrolowane tworzenie ładunków elektrostatycznych lub wytwarzanie pól elektrycznych w różnych procesach zachodzących w urządzeniach drukujących może być wykorzystane do poprawy przebiegu tych procesów w dwóch aspektach: oddziaływania na ciecze w celu lepszego ich transferu na podłoże drukowe oraz oddziaływania na podłoże drukowe w celu odpowiedniego usytuowania względem innych elementów w maszynie drukującej. Najczęściej spotykane realizacje tego typu wspomagania procesów drukowania to: • Elektrostatyczne wsparcie we wklęsłodruku. W tej technologii drukowania obraz powstaje w wyniku transferu farby na podłoże • Napylanie środka zwilżającego na wstęgę w technologii heatsetu. W tej technologii drukowania wykorzystywane są farby rozpuszczalnikowe, gdzie jako rozpuszczalniki stosowane są oleje mineralne o względnie wysokiej temperaturze wrzenia. W celu utrwalenia farby na zadrukowanej wstędze przeprowadza się ją przez tunel, w którym w wyniku działania wysokiej temperatury odparowane są rozpuszczalniki. Jednocześnie podłoże drukowe, jakim jest papier, traci swoją pierwotną wilgotność, przez co ulega skurczowi, staje się kruche i bardziej podatne na elektryzowanie. Aby przywrócić wstędze jej pierwotne właściwości musi być ona PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · GRUDZIEŃ 2011 737 ZAGADNIENIA POLIGRAFICZNE nawilżana. Do nawilżania stosuje się wodne dyspersje silikonów z dodatkami. Ze względu na to, że wstęga w maszynie drukującej przemieszcza się z bardzo dużą prędkością, a miejsca w wysokim stopniu pokryte farbą trudno się zwilżają roztworami wodnymi, nie zawsze cząstki napylanej cieczy są absorbowane przez papier. W celu zwiększenia prawdopodobieństwa dotarcia kropli do celu wykorzystuje się siły elektrostatycznego oddziaływania. Wstęga papieru i krople cieczy ładowane są ładunkami o przeciwnej polaryzacji. Do umieszczenia ładunków na wstędze stosuje się listwy wyładowcze umieszczone nad jej powierzchnią, generujące ładunki o pożądanej polaryzacji. Elektryzacja kropel następuje podczas ich przelotu przez przestrzeń zawierającą wolne jony wytworzone w polu elektrycznym o dużym natężeniu wokół elektrody koronującej. • Chwilowe łączenie materiałów. W maszynach drukujących zwojowych w celu uzyskania pożądanej objętości wytwarzanych składek wprowadza się do złamywaka jednocześnie kilka wstęg zadrukowanych w kolejnych zespołach drukujących. Poszczególne wstęgi mogą nieść na swojej powierzchni ładunki różne, co do wielkości i polaryzacji. Po nałożeniu wstęg na siebie skutkiem naładowania może być przypadkowe powstawanie sił odpychających lub przyciągających między wstęgami, prowadzące do trudności w prawidłowym ich wzajemnym usytuowaniu, a w konsekwencji do nieprawidłowego złamywania. Dokładność procesu złamywania można znacznie podnieść, jeśli z wstęg usuniemy ładunki elektrostatyczne, a następnie po prawidłowym ułożeniu względem siebie, nastąpi połączenie wstęg poprzez naładowanie ładunkami o przeciwnej polaryzacji. Elektryzacja następuje za pomocą dwóch elektrod umieszczonych po obu stronach wstęgi zespolonej, emitujących ładunki o przeciwnej polaryzacji. Elektrostatycznie połączone wstęgi przylegają do siebie dokładnie bez tworzenia poduszki powietrznej, co stabilizuje ich wzajemne położenie i zapobiega przypadkowemu przemieszczaniu się papieru w wyniku działania sił występujących podczas złamywania. połączenie na czas transportu, do momentu trwałego zapakowania. • Poprawienie kontaktu pomiędzy wstęgą i walcem chłodzącym. W drukowaniu heatsetowym oddziaływanie elektrostatyczne wykorzystuje się również do poprawienia efektywności chłodzenia wstęgi na walcach chłodzących, znajdujących się za tunelem utrwalającym termicznie farbę. Temperatura wstęgi przemieszczającej się z prędkością 10m/s, niezależnie od jej gramatury, musi być przed wejściem do złamywaka obniżona o około 1000C. Dokonuje się tego przez przeprowadzenie wstęgi po powierzchni metalowych walców, chłodzonych przepływającą przez ich wnętrze wodą. Skuteczność tego procesu zależy od dobrego kontaktu pomiędzy walcami a wstęgą. Kontakt ten może być w pewnym stopniu zakłócony przez trwające jeszcze szczątkowe odparowanie rozpuszczalników z farby lub powstawanie poduszki powietrznej. Sprawność działania urządzenia można poprawić wymuszając dobre przyleganie wstęgi do walca. Dokonuje się tego poprzez umieszczenie nad wstęgą elektrody ładującej elektrostatycznie, dzięki czemu powstające na niej ładunki przyciągają wstęgę do uziemionego cylindra chłodzącego. Przedstawione w artykule zagadnienia związane z elektrycznością statyczną stanowią jedynie skrawek wiedzy z tego zakresu. Zjawisko początkowo uznawane wyłącznie za szkodliwe dzięki badaniom naukowym i pomysłowości inżynierów jest we współczesnej technice w coraz większym stopniu wykorzystane, jako niewidzialna siła wspomagająca różne procesy technologiczne. W poligrafii, oprócz wymienionych zastosowań, od szeregu lat rozwijane są elektrograficzne techniki drukowania, które swoje istnienie zawdzięczają zjawiskom elektrostatycznym. Zjawiska elektrostatyczne wykorzystuje się również w innych dziedzinach techniki, np. do atomizacji cieczy, malowania proszkowego i cieczowego lub separacji różnych materiałów. Należy oczekiwać, że w przyszłości nadal będą prowadzone badania nad doskonaleniem metod eliminacji samoistnego elektryzowania się materiałów i jego skutków, zaś niskie koszty i łatwość stosowania technik elektrostatycznych będą skłaniać do poszukiwań dla nich nowych obszarów zastosowania w zakresie wspomagania procesów przemysłowych. Literatura Rys. 5. Wykorzystanie oddziaływania elektrostatycznego do wymuszenia przylegania, a.-pomiędzy wstęgami w złamywaku maszyny zwojowej, b.pomiędzy wstęgą i walcem chłodzącym Podobny mechanizm można wykorzystać w dalszej części maszyny do stabilizacji stosów z gotową produkcją. Wytworzone kompletne zeszyty lub egzemplarze czasopisma zbierane są w stosy po kilkadziesiąt sztuk, a następnie pakowane lub układane na palecie. Jeśli powierzchnie zewnętrzne składek były lakierowane, to tarcie między nimi jest tak małe, że nawet niewielkie siły przyłożone do boku stosu mogą prowadzić do jego deformacji. Umieszczenie na powierzchniach zewnętrznych poszczególnych egzemplarzy ładunków o przeciwnej polaryzacji powoduje ich 738 1.Popow B.G.: Inżenierno-fiziczeskij Żurnał, 1, 50 (1978). 2.Coehn A.: “Ueber ein Gesetz der Electrizitätsbewegung”, Annalen der Physik. 64 (1898). 3.DOD-HDBK-263, Electrostatic discharge control handbook for protection of electrical and electronic parts, 5/1980. 4.Atmer anti-static, broszura informacyjna firmy Croda Chemicals Europe Ltd. 5.Use of Laponite as an antistatic agent, Aplication Bulletin, Rockwood Additives Limited, UK 6.Fogra – Fehlerkatalog Papier und DWV, Elektrostatische Aufladung, Monachium 2008. 7.Four Rules for Static Control in solvent coating and gravure printing, Converter-Flessibili-Carta-Cartone, 7/2007. 8.Martorana E., Ziegler H., a Campo F.W., Jühe H.-H.: “Causes of Missing Dots in Rotogravure Printing”, Wbl. Papierfabr. 134, 11-12 (2006). 9.Wessendorf A.: “The ins and outs of the charging game”, Flexo & Gravure Int’l, 1/2010. 10.Gajewski A..: „Procesy i technologie elektrostatyczne”, WN PWN, Warszawa 2000. 11.Haney M.A.: “The effects of electrostatic assist on gravure printability”, GravureEnzine, 4/2008. 12.Siler S.J.: “Using ESA with Water-Based inks”, Hurletron Quarterly News, Libertyville 2002. PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 67 · GRUDZIEŃ 2011
