автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Поверхностное фторирование резиновых покрытий валов офсетных печатных машин

\

На правах рукописи /

Каменская Людмила Александровна

ПОВЕРХНОСТНОЕ ФТОРИРОВАНИЕ РЕЗИНОВЫХ ПОКРЫТИЙ ВАЛОВ ОФСЕТНЫХ ПЕЧАТНЫХ МАШИН

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (печатные средства информации)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г г к;ол 2015

Москва 2015

005570910

Работа выполнена на кафедре материаловедения федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» (МГУП имени Ивана Федорова)

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Назаров Виктор Геннадьевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры материаловедения МГУП имени Ивана Федорова Харитонов Александр Павлович, доктор физико-математических наук, филиал ФГБУ науки «Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе» РАН, ведущий научный сотрудник Румянцев Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, зав. отделом печатных машин ЗАО «НИИполиграфмаш» ООО «Научно-исследовател ьски й

институт эластомерных материалов и изделий», г. Москва

Защита состоится 24 сентября 2015 г. в 15°" на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУП имени Ивана

Федорова http://mgup.ru/

Автореферат разослан « » июля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.147.01

доктор технических наук, профессор | Е.Д. Климова

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

Полиграфия — одна из отраслей промышленности в России, имеющая значительный парк высокотехнологичного оборудования. Обеспечить надежное функционирование узлов офсетных печатных машин можно только при использовании качественных валов. Основными причинами снятия с эксплуатации валов являются образование дефектов и разрушение поверхности резины в результате износа и длительного контакта с различными жидкими агрессивными средами. Воздействие жидкостей влияет на изменение диаметра валов в процессе набухания или усадки резиновых покрытий, вызывающих отклонения в балансе «краска-вода», что, в свою очередь, увеличивает расход бумаги в процессе печати. Во многих случаях износ и разрушение резины приводит к существенному снижению качества полиграфической продукции и, в дальнейшем - к необходимости дорогостоящего ремонта. В то же время для полиграфических валов к настоящему времени оптимизированы типы резин с соответствующими характеристиками. Следовательно, необходимо улучшение только некоторых из них, таких как химическая стойкость к краскам и применяемым для их удаления смывочным средствам, а также снижение износа и дефектообразования. В то же время практически важно снижение температуры валов в процессе печати без применения дорогостоящих систем темперирования. Ввиду высокой стоимости новых валов для офсетных печатных машин актуальным является применение различных способов для улучшения их характеристик и увеличения срока службы.

Степень разработанности темы исследования

Для снижения негативного воздействия агрессивных жидких сред на резину и решения ряда других задач, обусловленных жесткими условиями эксплуатации резинотехнических изделий (РТИ), в последнее время широко используются методы модификации эластомеров. Модификация является весьма универсальным методом, позволяющим в широком диапазоне изменять в заданном направлении свойства эластомерных композиций и изделий из них. После 2006 года для производства валов с высокой химической стойкостью

компанией «Böttcher» применяется физическая модификация - технология нанесения двуслойного эластомерного покрытия на металлическое основание, но при этом часть дорогостоящего фторкаучука удаляется при последующей шлифовке валов. Другие методы физической и химической модификации эластомеров исследовались Галимовой Е.М., Ершовым Д.В., Ворончихиным В.Д., Нудельманом З.Н. и другими. Наиболее широко применялись химические и комбинированные методы модификации, разработанные Пестовым С.А., Назаровым В.Г., Андриасяном Ю.О., Чуваткиным H.H., Усс Е.П., Харитоновым А.П. и другими. Одним из перспективных направлений для решения актуальных проблем использования валов полиграфии является применение фторирующих реагентов для поверхностной модификации изделий из резин. Назаровым В.Г. с соавторами показано, что обработка поверхности готовых РТИ, применяемых в авиационной и автомобильной технике, элементарным фтором в смеси с инертным газом эффективна и позволяет улучшить триботехнические характеристики, повысить стойкость к топливам и ряду органических растворителей, увеличить износостойкость РТИ.

Целью работы являлись оптимизация процесса поверхностного фторирования для уменьшения износа и увеличения химической стойкости резиновых покрытий валов офсетных печатных машин и исследование влияния модифицированного фторсодержащего слоя на печатно-эксплуатационные характеристики валов.

В настоящей работе решена научная задача существенного улучшения физико-химических и эксплуатационных характеристик резиновых покрытий валов офсетных печатных машин путем их газофазного фторирования в оптимальных условиях с формированием устойчивой поверхностной структуры и фторсодержащего состава поверхностного слоя.

Научная новизна. В результате исследования поверхностного фторирования резиновых покрытий валов офсетных печатных машин на основе бутадиен-нитрильного каучука получены следующие существенные научные результаты:

1. Показано положительное влияние фторирования в оптимальных условиях используемых в полиграфических машинах и процессах резин марок W-43, W-33, 1-30 и S-30 на эксплуатационные свойства обрезиненных валов, выражающееся в повышении износостойкости и снижении температуры в узле трения.

2. Установлено позитивное влияние фторирования поверхности резин на соотношение конкурирующих массообменных процессов диффузии жидких компонентов красок, увлажняющего раствора и смывочных средств в резину и экстракции из нее низкомолекулярных ингредиентов, позволяющее оптимизировать режим модификации.

3. Показано сохранение необходимого красковосприятия и краскопередачи резиновых покрытий валов офсетных печатных машин при нано- и микроразмерном структурировании их поверхности в результате газофазного фторирования в оптимальных режимах.

Практическая значимость заключается в эффективном и

оптимизированном применении способа газофазного фторирования полиграфических валов офсетных печатных машин для улучшения их печагао-эксплуатационных характеристик. Такая модификация способствует повышению химической стойкости резин валов к агрессивным жидкостям, применяемым в полиграфических процессах, - до 10 раз, снижению износа до 2,5 раз и стабилизации температуры валов с резиновым покрытием, что может продлить срок эксплуатации валов офсетных машин без существенного увеличения их стоимости.

Методология и методы исследования

Экспериментальные исследования проводились с использованием современных методов и приборов, в том числе пробопечатного устройства IGT С1, электронного микроскопа JSM 7500F Jeol, пирометра инфракрасного излучения Raytek МТ, электронных весов, гониометра Pocket Goniometer PG-3 и других приборов. При решении поставленных задач были использованы численные методы и статистические методы обработки данных.

Степень достоверности полученных результатов определяется всесторонним анализом работ в области модификации эластомеров, используемых в полиграфии, применением современных методов

экспериментальных исследований и аттестованного аналитического оборудования, математических методов обработки экспериментальных результатов и их обсуждениями на научных конференциях и в публикациях.

Личный вклад состоит в непосредственном участии автора на всех этапах работы над диссертацией. Основные экспериментальные результаты получены, обработаны и интерпретированы автором лично.

Апробация результатов

Содержание разделов диссертации было представлено и обсуждалось на: международной конференции молодых ученых «РИЫТ-2011», Санкт-Петербург, апрель 2011 г.; IV международной конференция по коллоидной химии и физико-химической механике, Москва, июль 2013 г.; научной конференции молодых ученых и аспирантов МГУП имени Ивана Федорова, Москва, апрель 2015 г.; на заседаниях кафедры материаловедения МГУП имени Ивана Федорова, 2012-2015 гг.

По теме диссертационной работы опубликовано 7 статей, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание учёной степени кандидата и доктора наук..

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов и списка использованной литературы (76 источников). Общий объем работы составляет 111 страниц, включает 60 рисунков и 5 таблиц.

Положения, выносимые на защиту:

1. Установленная взаимосвязь условий поверхностного фторирования резиновых покрытий валов офсетных печатных машин с изменением их физико-химических свойств и морфологии поверхности.

2. Оптимизированная продолжительность фторирования, обеспечивающая существенное улучшение физико-химических и эксплуатационных свойств исследованных полиграфических резин.

3. Экспериментально установленные закономерности позитивного влияния фторирования валов офсетных печатных машин на их эксплуатационные характеристики: восприятие и отдачу краски, стойкость к агрессивным жидким средам и износ.

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулированы цель и задачи, показаны новизна и практическая значимость работы, изложены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

В первой главе рассмотрены основные используемые в полиграфии резинотехнические изделия и применяемые для их получения каучуки. Обзор литературных источников показал, что наиболее широко РТИ в полиграфии представлены в виде офсетных резинотканых полотен и покрытий валов красочных и увлажняющих аппаратов офсетных печатных машин. К наиболее дорогостоящим и сложным для установки РТИ относятся полиграфические валы. В большей степени для изготовления резиновых покрытий валов полиграфических машин офсетной печати применяются в зависимости от используемых красок этилен-пропиленовый и бутадиен-нитрильный каучуки.

Показано, что наиболее частыми причинами дефектообразования при эксплуатации валов офсетных машин являются контакт их резинового покрытия с применяемыми жидкими агрессивными средами, чрезмерное давление в зоне контакта валов из-за некорректной регулировки полос контакта и эксплуатация в условиях сухого трения. Обобщены современные физические, химические и комбинированные методы модификации эластомеров, используемые для улучшения их свойств. Установлено, что наиболее перспективным методом модификации для решения поставленных задач является поверхностное газофазное фторирование готовых РТИ. Технология фторирования в герметичном реакторе фторгелиевой смесью является экологически и технологически безопасной: газообразные продукты реакции и не прореагировавший фтор нейтрализуются на колонке с химическим поглотителем с получением твердого нетоксичного вещества.

Во второй главе описаны объекты, оборудование и методы экспериментальных исследований. В качестве объектов исследований в работе использовали образцы специализированных полиграфических резин фирмы ТеспогиШ (Италия) на основе бутадиен-нитрильного каучука марок \V-33, \V-43,

применяемых для изготовления красочных валов, и марок S-30, 1-30 - для увлажняющих валов. В качестве дополнительных объектов исследований для расширения их перечня применяли образцы широко используемых резин на основе бутадиен-нитрильного каучука (СКН) с известным составом марки РС-26. Для изучения характеристик восприятия, отдачи краски и износостойкости в качестве объектов исследований использовали специальные валы для пробопечатного устройства, изготовленные с покрытиями из резин марки W-43.

Для модификации образцов резин и валов с резиновым покрытием применяли метод поверхностного газофазного фторирования резин в предварительно вакуумиро ванном герметизированном реакторе фторгелиевой смесью с содержанием фтора 15 об. % при температуре 20±1 °С. Для нейтрализации токсичного реагента и продуктов реакции использовали специальную "ловушку", наполненную химическим поглотителем (СаО). Образцы фторировали, как правило, в течение 0,5,1,5 и 3 ч.

Контроль степени фторирования (Сдр) осуществляли, с учетом известных из литературы результатов, по изменению массы образцов (гравиметрическим методом) в результате фторирования. Обработку результатов эксперимента проводили по формуле:

CAF = (mF-mo)/A (1)

где: rriF - масса образца после фторирования, кг; то - масса образца до фторирования, кг; А — площадь поверхности образца, м2.

Для исследования поверхностных свойств эластомеров марок S-30 и 1-30, применяемых для изготовления увлажняющих валов, использовали метод прямого измерения краевого угла смачивания водой. Измерения краевого угла смачивания проводили прибором Pocket Goniometer PG-3 компании Tendring Pacific.

Для оценки восприятия и отдачи краски валом применяли гравиметрический метод. Испытания проводили на пробопечатном устройстве IGT С1 фирмы ЮТ Testing Systems (Нидерланды) с использованием газетной печатной краски фирмы Sun Chemical. Коэффициент отдачи краски вычисляли по формуле:

К,ф= (т,ф - itWr) / (т,ф - т) (2)

где: пц,—масса вала с краской, г; ш — масса вала до эксперимента (без краски), г; гпмжг — масса вала после краскопередачи, г.

Морфологию поверхности образцов резин изучали с использованием электронного микроскопа JSM 7500F Jeol (Япония) в режиме детектирования вторичных электронов при ускоряющем напряжении 0,5 и 1,0 кВ.

Определение стойкости резин к жидким средам проводили гравиметрическим методом при температуре 20 °С посредством полного погружения образцов резины в жидкость, периодическим извлечением, просушкой и взвешиванием в соответствии с ГОСТ Р ИСО 1817-2009. В качестве контактирующих с резиной жидких сред для резин W-33 и W-43 использовали компоненты краски - уайт-спирит, минеральное масло и смывочные составы: Böttcherin 100, Böttcherin 80-F (производитель Böttcher) и Eurostar NV (производитель Druck Chemie). Для резин увлажняющих валов S-30 и 1-30 определяли стойкость к изопропиловому спирту, концентрату увлажняющего раствора Journal Fount М-К (производитель Varn), и смывочному средству для очистки валов системы увлажнения Böttcherin FR-1000 (производитель Böttcher).

Измерение твердости образцов, подвергавшихся контакту с жидкостями в течение 350 ч, после высушивания до постоянной массы при температуре 40 °С в сушильном шкафу проводили согласно ГОСТ 263-75.

Для оценки износостойкости валов использовали раскатную установку к лабораторному пробопечатному устройству в условиях сухого трения качения с осевым перемещением при линейной скорости приводного цилиндра 2 м/с, что соответствует линейной скорости вращения валов офсетной листовой печатной машины. Величина осевого хода приводного цилиндра - 20 мм, скорость осевого раската - 0,3 м/с. Износ изучали при удельных усилиях сжатия тестируемых валов по отношению к приводному цилиндру 0,04; 0,12; 0,20; 0,29 и 0,39 Н/мм, начиная с усилия 0,39 Н/мм с убыванием. Валы периодически взвешивали. Износ J (мг/м2) рассчитывали по формуле:

J = (m-mj)/(jida); (3)

где mj — масса вала в течение испытаний, мг; m — масса вала до начала испытаний, мг; d — диаметр вала с резиновым покрытием, м; а - ширина резинового покрытия, м.

Температуру в зоне контакта поверхностей цилиндра и тестируемого вала измеряли с помощью инфракрасного термометра Иа>1ек МТ фирмы МтГГетр. Продолжительность эксперимента для каждого тестируемого вала при различных удельных усилиях составляла 3 ч. Изменение темпфатуры поверхности валов рассчитывали по формуле:

ЛТ = Т-То (4)

где Т - температура поверхности резинового покрытия вала в течение испытаний, °С; То - температура поверхности резинового покрытия вала до начала испытаний, °С.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований. На выбранных образцах резин при различных временах фторирования и оптимальных значениях остальных параметров были получены следующие значения степени фторирования САР, представленные в таблице 1.

Таблица 1 — Зависимость степени фторирования от продолжительности фторирования различных образцов резин

Марка резины Применение Степень фторирования резин СаРхЮ3, кг/м2 при продолжительности фторирования, ч

0,5 1,5 3,0

\V-33 Для красочных валов 0,6 1,5 2,0

\V-43 Для красочных валов 0,7 1,3 1,9

3-30 Для увлажняющих валов 1,5 2,9 3,3

1-30 Для увлажняющих валов 1,4 2,6 3,1

Из таблицы 1 следует, что для всех марок резин с ростом продолжительности фторирования увеличивается и степень фторирования резин.

Особенности морфологических изменений поверхности при фторировании полиграфических резин были выявлены на примере контрольных и фторированных образцов резины марки \V-33 (рисунок 1).

На фотографиях видно, что фторирование (б, в, и г) сопровождается морфологическими изменениями поверхности с образованием складчатых

волнистых структур, которые должны способствовать лучшему восприятию краски резиновой поверхностью вала. Основными причинами морфологических изменений поверхностного слоя резин являются увеличение мольного объема фторированного поверхностного слоя при преобразовании его строения из углеводородного во фторуглеродное, а также различная глубина фторирования в аморфных и кристаллических областях эластомера.

а - контрольный образец; б - образец, фторированный 0,5 ч;

в - образец, фторированный 1,5 ч; г - образец, фторированный 3 ч

Рисунок 1 - Фотографии поверхности образцов резины марки \У-33 с увеличением х500

Среднее арифметическое отклонение профиля Г^ снижалось от 4 мкм для контрольных резин до 3 мкм для резин, модифицированных 3 ч, за счет формирования мелких неровностей. При значительной продолжительности фторирования — 3 ч и более образуются поверхностные наноразмерные трещины (шириной 100-300 нм), которые могут способствовать увеличению скорости массообменных процессов и оказывать позитивное влияние на восприятие краски резиновой поверхностью. При продолжительности фторирования до 1,5 ч трещины в значительном количестве не образуются. Учитывая оптимальный размер частиц пигмента 100-300 нм и толщину красочного слоя на валах выше 6

мкм, наноразмерные трещины оказывают минимальное негативное влияние на равномерность красочного слоя или слоя увлажняющего раствора.

Результаты исследования агрессивного действия компонентов краски и увлажняющего раствора, а также смывочных средств представлены в виде кинетических зависимостей изменения массы образцов резин (Дш, %) на рисунках 2-4. Для большинства исследованных жидкостей массообменные процессы сопровождаются кратковременным преобладанием набухания в начале контакта при проникновении жидкости вглубь эластомера и дальнейшим долговременным преобладанием экстрагирования низкомолекулярных составляющих резины.

1 - контрольный образец; 2 - образец, фторированный 0,5 ч;

3 - образец, фторированный 1,5 ч; 4 - образец, фторированный 3 ч

Рисунок 2 - Кинетика изменения массы образцов резины марки \V-33 в смывочном средстве ВбйсЬепп 80Р

Для большинства образцов установлено уменьшение скорости массообменных процессов у фторированных образцов резин. Видно, что фторирование полиграфической резины 33 в течение 0,5 и 1,5 часов (кривые 2 и 3) снизило экстракцию пластификаторов и наполнителей под воздействием смывочного средства ВбйсЬепп 80-Р в 10 раз по сравнению с контрольным образцом (кривая 1), что позволит увеличить срок эксплуатации валов. При

изучении массообменных процессов в компонентах красок были получены кинетические кривые набухания резин для красочных валов \УЗЗ в минеральном масле. Увеличение скорости экстрагирования ингредиентов резин у фторированных 3 ч образцов резин по сравнению с образцами, фторированными 0,5 и 1,5 ч, может быть обусловлено снижением барьерных свойств фторированного слоя из-за трещин, образовавшихся в результате частичной деструкции макромолекул.

1 - контрольный образец; 2 - образец, фторированный 0,5 ч;

3 - образец, фторированный 1,5 ч; 4 - образец, фторированный 3 ч

Рисунок 3 - Кинетика изменения массы образцов резины марки W-33 в минеральном масле марки Н1861

Из рисунка 3 следует, что фторирование в течение 1,5 ч (кривая 3) снижает равновесную экстракцию компонентов резин примерно в 3,5 раза. Компоненты красок находятся в непрерывном контакте с поверхностью вала на протяжении всего процесса печати, поэтому снижение скорости массообменных процессов в данной среде значительно повысит срок эксплуатации красочных валов и обеспечит более стабильное качество печати.

Для увлажняющих валов важно снижение скорости массообменных процессов с концентратом увлажнения и изопропиловым спиртом, так как их

поверхность находится в длительном контакте с увлажняющим раствором, вызывающим набухание резинового покрытия.

1 - контрольный образец; 2 - образец, фторированный 0,5 ч;

3 - образец, фторированный 1,5 ч; 4 - образец, фторированный 3 ч

Рисунок 4 - Кинетика изменения массы образцов резины марки S-30 в концентрате увлажняющего раствора Journal Fount М-К

Рисунок 4 показывает, что фторирование резин марки S30 для увлажняющих валов снижает их равновесное набухание в концентрате в 2-3 раза. В практическом плане это позволит уменьшить давление резин в зоне контакта валов и обеспечит более стабильную подачу увлажняющего раствора.

В условиях реального производства измерить скорость массообменных процессов не представляется возможным. Для оценки химического воздействия на валы всех контактирующих жидкостей в типографиях проводят измерение твердости резинового покрытия по Шору А. Для полиграфических валов отклонение в 10 усл. ед. от начального значения критично - вал подлежит замене. Твердость по Шору А образцов резин красочных валов W-33 до и после контакта с жидкостями с последующей сушкой представлена на рисунке 5.

Минеральное Смывочное Смывочное Уайт-спирит Смывочное маслоН1861 средство средство средство

ВоеПсЬег 8(Ж Еитозйт ЫУ ВоеПсИег 100

1 - контрольный образец; 2 - образец, фторированный 0,5 ч;

3 - образец, фторированный 1,5 ч; 4 - образец, фторированный 3 ч 5 - твердость образцов до контакта с жидкостями

Рисунок 5 - Твердость образцов резины \V-33 по Шору А после воздействия жидкостей и высушивания

Из рисунка 5 видно, что твердость контрольных образцов резинового покрытия марки \V-33 после контактов с жидкостями возрастает (столбцы 1). Фторирование в течение 1,5 и 3 часов (столбцы 3 и 4) уменьшает изменение твердости в 2-3 раза по сравнению с контрольными образцами и образцами, фторированными 0,5 ч. При этом значение твердости образцов, фторированных 1,5 ч, после выдержки в жидкостях в большей степени соответствует начальному показателю (5). Стабильные показатели твердости валов исключают необходимость их дополнительной юстировки.

Полученные зависимости толщины красочного слоя на контрольных и фторированных валах А от толщины слоя на раскатном цилиндре Л/ представлены на рисунке 6. Зависимости коэффициента отдачи краски от толщины красочного слоя на тестируемых валах показаны на рисунке 7.

1 - контрольный вал; 2 - фторированный вал

Рисунок 6 - Зависимости толщины красочного слоя на тестируемых валах от толщины слоя на раскатном цилиндре

На рисунке 6 показано увеличение красочного слоя на фторированном вале (прямая 2) в среднем на 10% по сравнению с контрольным валом (прямая 1), что может быть обусловлено морфологическими изменениями, описанными выше, и свидетельствует о лучшем восприятии краски фторированным валом.

1 — контрольный вал; 2 — фторированный вал

Рисунок 7 - Зависимости коэффициента отдачи краски тестируемых валов от толщины красочного слоя на них

При изучении влияния фторирования резин на коэффициент отдачи краски установлено, что при толщине красочного слоя более 2 мкм модификация резин не ухудшает разделение красочного слоя на границе контактов валов. Видно, что при толщине красочного слоя на поверхности вала более 2 мкм (при эксплуатации валов толщина слоя более 4 мкм) коэффициент отдачи краски фторированного (кривая 2) и контрольного (кривая 1) валов примерно одинаковый, близкий к коэффициенту восприятия краски, и составляет 0,55, что обеспечивает хорошее разделение красочного слоя при работе красочного аппарата. Различие в толщинах красочного слоя на границе контактов валов связано с созданием значительного резерва краски в сформированных в процессе фторирования резин складчатых структурах.

В офсетной печати краска и увлажняющий раствор наносятся на форму путем силового взаимодействия накатных валов с формным цилиндром. Результаты исследования износа и влияния удельного усилия на износ валов с резиновым покрытием марки \V-43 в условиях сухого трения качения показаны на рисунке 8.

2000

3000

2500

1000

1500

500

0

0.1

0.2

0.3

0.4

1 - контрольный вал; 2 - фторированный вал

Рисунок 8 - Зависимости износа резинового покрытия валов от удельного усилия

сжатия

Рисунок 8 показывает, что для всего исследованного диапазона удельных усилий сжатия валов (включая стандартное для эксплуатации при условии качественной юстировки валов - 0,04 Н/мм) износ резинового покрытия фторированного вала в 2 - 2,5 раз меньше, чем контрольного, соответственно модифицированные валы дольше будут сохранять оптимальные для печати диаметр и шероховатость. Этот эффект, по-видимому, связан с уменьшением адгезии в паре резина-металл и коэффициента трения качения при износе покрытия фторированного вала, а, следовательно, и силы трения, разрушающей поверхностный слой резины в зоне контакта при движении тестируемого вала относительно приводного цилиндра.

При многократных деформациях во время прохождения валами полос контакта с другими валами и раскатными цилиндрами происходит значительное выделение тепла и резиновая поверхность нагревается. Температура внутри секции оказывает сильное влияние на стабильность баланса «краска-вода»: чем выше температура, тем сложнее удержать баланс. Изменение температурного режима негативно влияет на реологические свойства краски - ее вязкость, текучесть и липкость (адгезию). В процессе эксперимента измеряли температуру поверхности резинового покрытия валов после 3 ч испытаний при различных удельных усилиях сжатия (рисунок 9).

1 - контрольный вал; 2 - фторированный вал

Рисунок 9 - Зависимости увеличения температуры поверхности резинового покрытия валов после 3 ч испытаний от удельного усилия сжатия

Из рисунка 9 следует, что нагревание фторированного вала в условиях сухого трения качения при повышенном усилии сжатия - в 10 раз от оптимального - от 0.04 до 0.40 Н/мм не превышает 7.5 градусов, в то время как контрольный вал нагревается на 18 градусов, то есть в 2,5 раза больше: от начальной температуры 20 °С до 38 °С.

Тепловое расширение резины чрезмерно увеличивает диаметр вала и может вызвать при печати тенение, а также уменьшить тиражестойкость печатных форм, тогда как применение фторированного вала позволит обеспечить стабильное качество печати и уменьшить износ печатающих элементов и вала.

Глубина фторирования для исследованных резин составляет 19 мкм при продолжительности фторирования 3 ч. В условия сухого трения при оптимальном удельном усилии сжатия ресурс работы фторированного слоя будет исчерпан спустя 120-200 ч. Однако, в условиях производства пуск печатной машины «насухую» возможен только при ошибке печатника (отсутствие замещающих краску смазывающего геля или пасты), которая устраняется при следующей остановке машины (в среднем через 2 ч процесса печати). При трении в маслах износ резиновой поверхности происходит в 15-20 раз медленнее. После износа фторированного слоя для восстановления свойств, полученных в результате модификации, необходимо проводить повторное шлифование и фторирование резиновой поверхности.

Как показывает анализ литературы и опыт работы на производстве, самыми дорогостоящими и наиболее распространенными РТИ в офсетной печати являются резиновые покрытия валов. Например, в комплект одной печатной башни офсетной газетной машины Оеошап входит 48 валов с резиновым покрытием. Стоимость обрезинивания одного вала этой машины составляет в среднем 32 тыс. руб. в зависимости от применяемых марок резин и используемых технологий. Средний срок эксплуатации валов высокоскоростных рулонных машин равен 1,5-2 годам при условии качественной юстировки. Применяя технологию газофазного фторирования готовых РТИ, можно увеличить срок эксплуатации валов более чем в 2 раза при повышении стоимости валов за счет фторирования в среднем на 7 %. Таким образом, ориентировочная экономия для одной печатной башни машины Оеошап составит в среднем 598 тыс. руб. / год.

Выводы

1. В работе решена научная задача существенного улучшения физико-химических и эксплуатационных характеристик резиновых покрытий валов офсетных печатных машин путем их газофазного фторирования в оптимальных условиях с формированием устойчивой поверхностной структуры и фторсодержащего состава поверхностного слоя.

2. Методом электронной микроскопии показано формирование в результате фторирования резин поверхностных волнистых структур значительно меньшего размера, чем микронеровности, образованные в процессе шлифовки вала. Образование волнистых нано- и микроразмерных структур увеличивает истинную площадь поверхности резины и может способствовать лучшему восприятию и раскату краски и увлажняющего раствора в процессе печати.

3. Для большинства фторированных образцов резин выявлено уменьшение скорости массообменных процессов и равновесного набухания при контакте с жидкостями, используемыми в полиграфических процессах, по сравнению с контрольными образцами резин - в 2-10 раз. Установлено, что с увеличением продолжительности фторирования до 1,5 ч барьерные свойства фторированного слоя резин к жидкостям возрастают. Снижение барьерных свойств при дальнейшем увеличении продолжительности фторирования обусловлено образованием микротрещин на поверхности резины в результате частичной деструкции, способствующих интенсивному проникновению жидкостей в объем эластомера.

4. Твердость по Шору А фторированных в течение 1,5-3 ч резин после контакта с жидкостями и высушивания до равновесной массы на 2-3 усл. ед. ближе к начальному оптимальному показателю твердости по сравнению с контрольными образцами. При этом значение твердости образцов, фторированных 1,5 ч, после контакта с жидкостями максимально приближено к начальному показателю, а для 50% исследованных резин не отличается от него.

5. Экспериментально установлено, что восприятие краски фторированными резиновыми валами на 7-10% выше, чем контрольных, что может быть связано с морфологическими изменениями поверхности резин. Коэффициент восприятия краски фторированными резиновыми валами

составляет 0,52-0,57, а контрольными - 0,50-0,54. Коэффициент отдачи краски контрольных и фторированных валов при толщине красочного слоя на них более 2 мкм примерно одинаковый и составляет 0,48-0,56. Контрольные и фторированные валы, имеющие близкие коэффициенты восприятия и отдачи краски, обладают оптимальными печатными свойствами.

6. Показано уменьшение износа резинового покрытия фторированных валов по сравнению с контрольными при различных удельных усилиях сжатия в условиях сухого трения качения в 2 раза, что может быть обусловлено уменьшением коэффициента трения между тестируемыми валами и приводным цилиндром. Установлено, что нагревание резиновой поверхности фторированного вала меньше в 2-2,5 раза, чем контрольного, и не превышает 7,5 °С. Применение фторированного вала позволит обеспечить стабильное качество печати за счет снижения температуры и уменьшить износ печатающих элементов формы и вала.

Публикации по теме диссертационной работы

В научных изданиях, рекомендованных ВАК Манобрнауки России

1. Назаров, В.Г. Влияние поверхностного фторирования на характеристики полимерных пленок / В.Г. Назаров, В.П. Столяров, С.М. Новикова, Л.А. Михалева (ЛА.Каменская), Е.Б. Баблюк, А.Ф. Бенда II Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2011.-№2.- С.118

2. Назаров, В.Г. Особенности механизма трения и износа фторированных эластомеров в системах уплотнительной техники / В.Г. Назаров, В.П. Столяров, И.С. Пятов, Ю.А. Максимова, С.Н. Васильева, ЛА. Михалева (ЛА.Каменская) // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2012.- №6.- С.52

3. Назаров, В.Г. Исследование модификации эластомеров газообразным фтором и ее влияние на фрикционные свойства и морфологию поверхности / В.Г. Назаров, В.П. Столяров, И.С. Пятов, Ю.А. Максимова, С.Н. Васильева, ЛА. Михалева (ЛА.Каменская)// Каучук и резина. 2013. - №5.-С. 12

4. Каменская, Л.А. Влияние фторирования на стойкость резин красочных валов к жидким агрессивным средам / Л.А. Каменская, Ф.А. Доронин, В.П. Столяров,

BP. Назаров // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2014. - № 1. - С.8

5. Каменская, Л А. Влияние поверхностной модификации на характеристики резин, применяемых для изготовления валов увлажняющего аппарата / JIA. Каменская, Ф.А. Доронин, ВЛ. Столяров, BP. Назаров // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2014. - № 4. - С.16

6. Каменская, JIA. Влияние фторирования резиновых валов на их износ в раскатной группе пробопечатного устройства / JIA. Каменская, В.П. Столяров, ФА. Доронин, АР. Евдокимов, BP. Назаров // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. - № 2. - С. 13

В других изданиях

1. Nazarov, V.G. Simulation of adhesive contact in an elastomer-metal surface system / V.G. Nazarov, V.P. Stolyarov, LA. Mikhaleva (LA. Kamenskaya), I.N. Ermakova, M.V. Gagarin // IV international conference on colloid chemistry and physicochemical mechanics. Book of abstracts. - Moscow. - MGU- 2013.- p. 429-431.

Участие автора в качестве исполнителя в проектах в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса

России на 2014-2020 гг.»

1. Государственный контракт №14.740.11.0848 от 01.12.2010 на выполнение научно-исследовательских работ по теме «Создание и многомасштабное моделирование гомогенных и гетерогенных поверхностных нано-, микро- и макроструктур полимерных материалов с высоким уровнем свойств».

2. Соглашение № 14.583.21.0007 от 28.11.2014 на выполнение научно-исследовательских работ по теме «Поверхностная и объемная наномасштабная модификация и моделирование полимерных материалов».

Подписано в печать 09.07.15. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 125.

Московский государственный уштерситет печати имени Ивана Федорова. 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 2А. Отпечатано в Издательстве МГУП имени Ивана Федорова.