Технологія та обладнання для мікрохвильового висушування книжкових блоків

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА АКАДЕМІЯ ДРУКАРСТВА

УДК 655+686.121+676.056.5

ТЕХНОЛОГІЯ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ

МІКРОХВИЛЬОВОГО ВИСУШУВАННЯ КНИЖКОВИХ БЛОКІВ

05.05.01 - машини і процеси поліграфічного виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Йордан Ганна Мирославівна

Львів - 2009



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українській академії друкарства Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Гавенко Світлана Федорівна, Українська академія друкарства, завідувач кафедри технології друкованих видань і паковань (м. Львів)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Чехман Ярослав Іванович, Українська академія друкарства, професор кафедри поліграфічних машин (м. Львів) кандидат технічних наук, доцент, старший науковий співробітник Запоточний Василь Йосипович, Національний університет «Львівська політехніка», доцент кафедри захисту інформації (м. Львів)

Захист відбудеться «21» жовтня 2009 р. о 16³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.101.01 Української академії друкарства за адресою: 79020, м. Львів, вул. Під Голоском, 19, ауд. 101.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Української академії друкарства за адресою: 79008, м. Львів, вул. Підвальна,17.

Автореферат розіслано «____» «__________________» 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. Ц. Жидецький



АНОТАЦІЯ

Йордан Г. М. Технологія та обладнання для мікрохвильового висушування книжкових блоків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.01 - машини і процеси поліграфічного виробництва. - Українська академія друкарства. - Львів, 2009.

У дисертації розглядається процес інтенсифікації технології виготовлення книг методом мікрохвильового висушування клейових з'єднань, класифікаційні ознаки сучасних технологій та сушильних пристроїв. мікрохвильовий висушування клейовий книга

Уперше встановлено математичну залежність коефіцієнта теплопровідності від формату видання, його товщини, фізико-механічних характеристик паперів і клеїв та його вплив на інтенсивність висушування. Розроблено імітаційну модель розподілу вологи в корінці блока та досліджено кінетику висушування.

На основі математичних моделей матеріального і теплового балансу при висушуванні, створено алгоритм і програмне забезпечення для керування сушильним пристроєм.

Оптичною мікроскопією досліджено зміни структури висушеної клейової плівки в корінцях блоків, оптимізовано режими сушіння та їх вплив на міцність скріплення видань. Обґрунтовано ефективність використання технології та обладнання для мікрохвильового сушіння книжкових блоків.

Ключові слова: мікрохвильове висушування, книжкові блоки, клейові з'єднання, тепломасоперенесення, вологість, міцність, якість.



АННОТАЦИЯ

Йордан А. М. Технология и оборудование для микроволновой сушки книжных блоков. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.01 - машины и процессы полиграфического производства. - Украинская академия книгопечатания. - Львов, 2009.

Диссертация посвящена интенсификации технологического процесса производства книжных изданий методом микроволновой сушки клеевых соединений в корешках книжных блоков.

Проведены исследования форм связи влаги с элементами конструкции издания, особенностей влаго- и теплопереноса, установлены факторы влияния на длительность и скорость высушивания. Выделены классификационные признаки современных сушильных устройств: по способам подведения тепла к материалу, созданию напора для перемещения сушильного агента, направлению движения материала относительно сушильного агента, принципу работы, конструкции.

Показано, что интенсификация тепло- и массообменных процессов при высушивании клеевых соединений в книжных изданиях основана на научных принципах технологии высушивания, на изучении свойств материалов, выборе способов, обосновании режимов сушки и создании на их основе рациональных энергосохраняющих конструкций сушильных устройств.

Впервые разработана методика определения коэффициента теплопроводности книжного блока, который учитывает его толщину, формат и длительность теплопереноса, температуру верхнего и нижнего интегратора температур. Изменение теплопроводности в процессе сушки клеевых соединений в книжных блоках зависит от вида бумаги, с которой они изготовлены, природы клеевой композиции и температуры высушивания.

Установлено, что для книжных блоков с мелованной бумаги, значение коэффициента теплопроводности при одинаковых условиях измерения больше на 0,5 Вт/м єС, чем блоков, сделанных с офсетной бумаги, что очевидно связано с пористостью и степенью проклейки бумаги.

Показано, что выбор условий быстрого удаления влаги с материала зависит от направления градиента влажности и температуры, коэффициента теплопроводности. Поэтому необходим контроль физико-механических свойств материалов при утрате влаги и нагревании, поскольку при высушивании, кроме усадки и коробления, в клеевом соединении книжных блоков могут образовываться трещины, вызванные предельными напряжениями вследствие неравномерного распределения влаги. Предупредить появление таких дефектов можно изменением режимов сушки и уменьшением скорости удаления влаги из материала.

Создана имитационная модель распределения влаги в корешке блока, исследована кинетика естественной и искусственной сушки клеевых соединений. Экспериментально установлено, что с увеличением относительной влажности воздуха уменьшается интенсивность сушки и ее критическое влагосодержание, а с увеличением температуры - наоборот.

Распределение влаги в корешке блока после вставки в обложку происходит аналогично к разработанной модели, для которой характерен резко выраженный второй период постоянной скорости. Размещение критической точки и величина скорости высушивания в этот период зависит от физико-механических свойств бумаги и клея.

Исследовано влияние физико-механических характеристик и теплопро-водности материалов на интенсивность высушивания блоков клеевого бесшвейного скрепления, сшитых нитками и окантованных, вставленных в обложку и переплет. Установлено зависимость влажности заклеенных корешков книжных блоков от температуры, относительной влажности воздуха и времени сушки в микроволновом сушильном устройстве при постоянной частоте 2 ГГц и излучении электромагнит-ных генераторов мощностью 1,3 кВт.

На основании математических моделей расчета материального и теплового баланса микроволновой сушки, учитывающих количество тепла для испарения влаги, нагревания материалов, воздуха в сушильной камере, транспортного средства и утери тепла, созданы алгоритм и программа автоматизированного управления разработанным сушильным устройством.

Методами рентгенографии определено толщину клеевой пленки и равномерность ее нанесения на корешок книжного блока. Оптической микроскопией исследовано изменения структуры клеевой пленки в процессе сушки, выявлены частицы печатной краски на корешке блока, которые уменьшают прочность адгезионной связи между клеем и бумагой.

Стойкость клеевой композиции к деструкционным процессам исследована методом термогравиметрического анализа. Анализ кривой ТГ показал, что в исследуемой композиции отсутствует потеря массы, а на кривой ДТА наблюдается появление эндотермического эффекта с четко выраженным максимумом при температуре 70 єС, что позволило подобрать конкретные режимы сушки клеевых соединений в корешках книжных блоков.

Построена причинно-следственная диаграмма факторов, влияющих на микроволновую сушку клеевых соединений, установлена взаимосвязь между режимными и технологическими параметрами.

Осуществлена оптимизация режимов процесса сушки книжных блоков с мелованной и офсетной бумаги (время и температура), исследовано их влияние на качество изданий (максимальную прочность скрепления книжных блоков на разрыв и вырыв листа, стойкость к нагрузкам на корешок блока и максимальный угол раскрытия изданий).

Обоснована целесообразность и эффективность использования технологии и оборудования для микроволновой сушки книжных блоков с учетом производительности за смену, длительности сушки, количества испаренной влаги за единицу времени и расхода электроэнергии на единицу массы.

Ключевые слова: микроволновая сушка, книжные блоки, клеевые соединения, тепломассоперенос, влажность, прочность, качество.



SUMMARY

Yordan H. M. Technology and equipment for microwave drying of book blocks. - Manuscript.

Thesis for the Candidate of Tehnical Sciences degree, Speciality 05.05.01 - Machines and processes of printing. - Ukrainian Academy of Printing, - Lviv, 2009.

This thesis is dedicated to intensification of book production process by means of microwave drying of glued book blocks.

The analysis of drying techniques has been done; the main features of modern drying units have been defined. Method of qualifying the correlation between heat conductivity of book block materials, as well their influence on the intensity of drying has been established.

The model of moisture distribution in book blocks has been designed and the natural and artificial drying kinetics has been investigated. The algorithm and mathematical model of material and thermal balance in drying process formed the basis for an appropriate software development to control automatically the microwave unit. Тhe glue film thickness and its structural changes have been investigated by means of optical microscopy methods. The optimal drying modes have been offered and their influence on the usability of editions has been investigated. The use of technology and equipment to dry book blocks by microwave unit has been verified.

Key words: microwave drying, book blocks, gluing, dampening, durability, thermomasstransferrence, quality.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз сучасних конструкцій книжкових видань і технологій їх виготовлення свідчить, що значна частина напівфабрикатів у брошурувально-палітурному виробництві підлягає операції склеювання, а відтак вимагає висушування, яке в природних умовах є тривалим і значно збільшує термін випуску продукції.

Крім того, процес природного висушування напівфабрикатів складно регулювати через значні коливання атмосферних умов, нерівномірну швидкість видалення вологи з клейового шару, що призводить до нестабільності властивостей матеріалів, спотворення форми готового видання, зменшення міцності з'єднань і їх стійкості до знакозмінних навантажень у процесі використання. Ці недоліки усуваються при штучному висушуванні книжкових блоків у спеціальних сушильних пристроях.

Тому пошук шляхів удосконалення технологій сушіння напівфабрикатів з метою інтенсифікації книжкового виробництва, розробка та впровадження нових сушильних пристроїв з автоматизованим керуванням їх технологічними та режимними параметрами - є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає Основним напрямам науково-технічного розвитку книговидання і преси до 2010 р., затвердженими Наказом Держкомтелерадіо № 180 від 21 липня 2003 р. Робота виконувалась в Українській академії друкарства відповідно до напрямку досліджень кафедри технології друкованих видань і паковань “Інтенсифікація технологічних процесів поліграфічного виробництва” і входила до переліку тематики “Квалілогія книги”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є інтенсифікація технології виготовлення видань методом мікрохвильового висушування клейових з'єднань книжкових блоків, оптимізація режимів сушіння в розробленому пристрої для забезпечення якості готової продукції. Досягнення зазначеної мети обумовило необхідність вирішення таких наукових задач:

1) провести аналіз теоретичних досліджень технологій висушування напівфабрикатів книжкового виробництва і визначити класифікаційні ознаки сучасних сушильних пристроїв, виявити їх переваги й недоліки;

2) встановити характер взаємозв'язку вологи клейових з'єднань із конструктивними елементами книги, розробити метод визначення коефіцієнта теплопровідності блоків, алгоритм та програмне забезпечення розрахунку матеріального і теплового балансу мікрохвильового сушильного пристрою;

3) створити імітаційну модель розподілу вологи в корінці книжкового блока в процесі висушування;

4) дослідити кінетику природного та мікрохвильового висушування клейових з'єднань книжкових блоків та їх вплив на експлуатаційні показники видань;

5) здійснити оптимізацію режимів сушіння в розробленому мікрохвильовому пристрої та обґрунтувати доцільність використання його.

Об'єкт дослідження - технологія мікрохвильового висушування книжкових блоків.

Предметом дослідження є параметри і режими мікрохвильового висушування клейових з'єднань у корінцях книжкових блоків, їх вплив на експлуатаційні показники видань; моделі матеріального теплового балансу сушильного пристрою та оптимізація процесу висушування.

Методи дослідження. Дослідження процесів мікрохвильового висушування книжкових блоків здійснено на основі теорії тепломасоперенесення; імітаційного та математичного моделювання; електронно-вагових та графоаналітичних методів; термомеханічного аналізу; оптичної мікроскопії; рентгенографії. Експерименти проведено на макеті розробленого мікрохвильового сушильного пристрою. Міцність готових видань визначено методами Pull-Test і Flex-Test. Опрацювання експериментальних даних та їх достовірність здійснено методами математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів при розв'язанні наукової задачі - інтенсифікації технології виготовлення видань методом мікрохвильового висушування клейових з'єднань у корінцях книжкових блоків для забезпечення їх якості та оптимізації сушіння в розробленому пристрої - полягає в тому, що:

1) визначено класифікаційні ознаки сучасних сушильних пристроїв за способом підведення тепла до матеріалу і створення напору для переміщення сушильного агента, напрямом руху матеріалу і сушильного агента, конструкцією, принципом роботи;

2) вперше розроблено метод визначення коефіцієнта теплопровідності та математичну модель, яка показує його залежність від товщини книжкового блока, формату видання і часу теплопередачі, температури верхнього і нижнього інтеграторів температур;

3) вперше створено алгоритм та програмне забезпечення розрахунку матеріального і теплового балансу мікрохвильового пристрою для висушування клейових з'єднань, який враховує кількість тепла для випаровування вологи, нагрівання матеріалу, повітря і кількості тепла, яке втрачається через стінки сушильної камери;

4) побудовано причинно-наслідкову діаграму чинників впливу на якість процесу сушіння книжкових блоків та встановлено взаємозв'язок між режимними параметрами (час і температура висушування, тиск, відносна вологість) і технологічними факторами (характеристики паперів і клеїв, їх вологовміст, товщина блока) мікрохвильового висушування;

5) здійснено оптимізацію технології мікрохвильового висушування з урахуванням температури і часу сушіння, що забезпечить максимальну міцність та стійкість клейових з'єднань до знакозмінних навантажень на корінець книжкових блоків.

Практичне значення отриманих результатів. Створено мікрохвильовий сушильний пристрій з автоматизованим керуванням, який інтенсифікує процес виготовлення якісних видань, що підтверджено актами виробничих випробувань на підприємствах: “Навчальна книга - Богдан”, “Підручники і посібники”, “Оперативний друк” (м. Тернопіль).

Розроблено комп'ютерну програму для розрахунку оптимальних режимів висушування та технологічну інструкцію на процес висушування напівфабрикатів брошурувально-палітурного виробництва в мікрохвильовому сушильному пристрої, які апробовані у друкарнях видавництв: “Підручники і посібники”, “Навчальна книга - Богдан”.

Результати досліджень використано у лекційних курсах, завданнях для лабораторних і практичних занять з дисципліни “Технологія брошурувально-палітурних процесів” (для студентів напрямів підготовки 6.092701 “Технологія друкованих видань”, 6.092704 “Комп'ютеризовані технології та системи видавничо-поліграфічних виробництв”) та дисципліни “Основи сучасної поліграфії” (для студентів напряму підготовки 6.030303 “Видавнича справа та редагування”).

Особистий внесок здобувача. Основні результати наукових положень та провідні ідеї, винесені на захист, - пошук, узагальнення і систематизація інформації про сучасні технології висушування та обладнання з визначенням їх класифікаційних ознак; розробка й апробація методу визначення коефіцієнта теплопровідності; аналітичні та експериментальні дослідження тепломасоперенесення при мікрохвильовому сушінні книжкових блоків; обробка та аналіз їх результатів; технологічні інструкції - розроблені та отримані здобувачем самостійно.

У працях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - вимірювання кваліметричних показників книжкових видань; [2] - визначення кутів розкривання книжкових блоків; [3] - дослідження технологічних властивостей клеїв; [8] - експериментальні дослідження клейової композиції, [9] - ідея інтенсифікації процесу висушування клейових з'єднань книжкових блоків, яку реалізовано при виготовленні діючого макету мікрохвильового пристрою; [10] - розробка методу визначення теплопровідності; [12] - аналіз неруйнівних методів контролю; [13] - термогравіметричні дослідження клейової композиції; [16] - класифікація факторів, що впливають на процеси висушування клейових з'єднань у книжковому виробництві, та експлуатаційних показників видань.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційного дослідження доповідалися та обговорювалися на звітній науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Української академії друкарства (Львів, 5-8 лютого 2007 р.), VІ Міжнародній науково-практичній конференції “Квалілогія книги” (Львів, 20-21 жовтня 2007 р.), IV Міжнародній науково-практичній інтернет-конференції „Альянс наук: вчений - вченому” (Дніпропетровськ, 18-29 березня 2009 р.), V Всеукраїнській науково-практичній інтернет-конференції “Простір і час сучасної науки” (Київ, 23-25 квітня 2009 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладено у 16-ти працях, 6 з яких у фахових періодичних галузевих виданнях (із них 3 одноосібно), 4 в інших наукових збірниках; 3-х патентах; 1-му авторському свідоцтві; 2-х навчальних посібниках, рекомендованих Міністерством освіти і науки України для студентів поліграфічних спеціальностей вищих навчальних закладів (листи Міністерства освіти і науки України № 1.4/18 - Г - 74. від 25.07.06 р., № 1.4/18 - Г - 130. від 23.01.07 р.).

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків і додатків; містить 50 рисунків, 8 таблиць, 152 найменування у списку використаних джерел. Загальний обсяг рукопису - 155 сторінок і 26 сторінок - додатки.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано вибір теми дисертації, актуальність і наукову новизну роботи, сформульовано її мету та задачі; охарактеризовано методи дослідження; описано структуру роботи та результати її апробації.

У першому розділі “Сучасний стан, проблеми і перспективи розвитку технологій висушування клейових з'єднань у книжковому виробництві” проаналізовано сучасний стан книжкового виробництва, переваги та недоліки способів скріплення блоків та висушування напівфабрикатів, встановлено взаємозв'язок процесу висушування з іншими технологічними операціями; здійснено аналіз сучасних сушильних пристроїв та їх класифікацію за напрямом руху сушильного агента відносно матеріалу (з паралельним і протилежним рухом), принципом роботи (періодичні та неперіодичні), способом підведення тепла до матеріалу (конвективні, терморадіаційні, надвисокочастотні, індукційні, комбіновані, кондуктивні, плазмові), створенням напору для переміщення сушильного агента (з природною і штучною циркуляцією), конструкцією (тунельні, камерні, карусельного типу) Показано, що інтенсифікація тепломасообмінних процесів при висушуванні клейових з'єднань у виданнях базується на наукових засадах технології сушіння, тобто на вивченні властивостей матеріалів, виборі способів і обґрунтуванні режимів сушіння та створенні на їх основі раціональних енергоощадних конструкцій сушильних пристроїв.

У другому розділі “Об'єкти і методики дослідження” обґрунтовано вибір об'єктів дослідження та запропоновано комплекс методик для вивчення теоретичних і практичних аспектів технології висушування клейових з'єднань книжкових блоків у розробленому мікрохвильовому пристрої з автоматизованим керуванням. Для експериментальних досліджень вибрано книжкові блоки з офсетного паперу марки Mega mat і крейдяного марки M-Real Zanders, скріплені дисперсійним клеєм на основі ПВАД на машині Норм-Біндер моделі НБ4-Е і капроновими нитками № 30 на ниткошвейній машині НШ-6А, окантовані каптальною тасьмою, коленкором КОФ та крафт-папером і вставлені в обкладинки № 3 з паперу марки 2610 та палітурки № 7 з паперовим покриттям. Розроблено математичну модель для визначення коефіцієнта теплопровідності книжкових блоків:

,

де Q - кількість тепла, яка втрачається внаслідок теплопровідності книжкового блока, Дж;

S - площа книги, м²;

d - товщина книжкового блока, м; Дt_c - час теплопередачі, с;

tє_h - температура нижнього інтегратора температури, єС;

tє_в - температура верхнього інтегратора температури, єС, яка лягла в основу алгоритму і програмного забезпечення для розрахунку матеріального і теплового балансу з метою керування процесом масообміну в сушильному пристрої.

На основі імітаційного моделювання розроблено методики вивчення кінетики висушування досліджуваних об'єктів. Методами рентгенографії (рентген апарат марки Mini Ren), термогравіметричного аналізу на дериватографі (типу ОД-102 системи Паулік, Паулік, Ердей), оптичної мікроскопії (стереоскопічний мікроскоп Olympus SZ-11 з цифровою камерою Camedia, роздільна здатність 3 мегапікселі) досліджено структуру клейової плівки до і після висушування та появи можливих дефектів. Експлуатаційні показники книжкових блоків вивчали методом Pull-Test і Flex-Test на тестері Зіглох. Опрацювання експериментальних досліджень та визначення їх достовірності здійснено в пакеті Maple та програмі “Statystyka 6”.

У третьому розділі “Теоретичні засади процесів висушування клейових з'єднань у корінцях книжкових блоків” подано результати аналітичних досліджень кінетики і динаміки тепломасообмінних процесів при висушуванні. Проблематику загальної класифікації матеріалів як об'єктів висушування досліджували і вивчали закордонні та вітчизняні вчені: А. Ликов, А. Долинский, В. Коновалов, П. Ребіндер, С. Рудобашта, Б. Сажин та інші. Вагомий внесок у розв'язання задач інтенсифікації висушування внесли А. Гінзбург, В. Давидюк, В. Красніков, О. Кришнер, П. Куц, Б. Леончик, Ю. Михайлов, С. Невенкін, М. Озарків та інші. Кінетику та динаміку висушування різних об'єктів описували: Д. Ван-Брейкель, Н. Гатапова, В. Дмитрієв, М. Казанский, Є. Кротова, С. Розанов та інші.

Особливості технології висушування в поліграфії, зокрема у друкарських процесах досліджували: О. Величко, О. Козак, М. Ничипорук, В. Репета, В. Шибанов. та інші; в брошурувально-палітурному виробництві - І. Болотніков, Д. Воробйов, С. Гавенко, О. Купцова, Є. Мхитарова, Н. Попов, І. Стрепко, Р. Шот та інші.

Відомо, що для виготовлення книжкових видань використовують капілярно-пористі тіла (папір, картон, неткані й палітурні матеріали, нитки) і типові колоїдні (друкарські та палітурні фарби, клеї та лаки), які мають різну просторову структуру та форму зв'язку з вологою, що визначає особливий механізм випаровування і руху цієї вологи всередині них при висушуванні. На основі положень теорії академіка П. Ребіндера досліджено форми зв'язків вологи в клейових з'єднаннях (хімічний, фізико-хімічний, фізико-механічний), проаналізовано особливості масо- і теплоперенесення при висушуванні корінців книжкових блоків. Підтверджено, що форма зв'язку вологи з матеріалом залежить від характеру і зовнішніх умов, в яких він знаходиться. Перенесення вологи в процесі висушування завжди пов'язане з перенесенням тепла. Інтенсивність перенесення вологи і тепла, яка визначає інтенсивність і швидкість висушування, залежить від різниці потенціалів волого- і теплоперенесення. Загальний потік вологи визначається інтенсивністю висушування, коефіцієнтом вологопровідності, питомою масою абсолютно сухого матеріалу, градієнтами вологості та температури матеріалу. Виявлено, що вибір умов швидкого видалення вологи з клейових з'єднань корінця книжкових блоків залежить від напрямів градієнтів вологості й температури, коефіцієнта теплопровідності. Це вимагає контролювання фізико-механічних властивостей матеріалів при втраті вологи і нагріванні, оскільки при висушуванні, крім усадки та скручування, в клейових з'єднаннях книжкових блоків можуть з'являтися тріщини, викликані граничними напруженнями внаслідок нерівномірного розподілу вологи. Перешкодити появі таких дефектів можна, змінивши режими висушування, сповільнюючи умови видалення вологи з матеріалу.

У четвертому розділі “Вплив мікрохвильового висушування на кваліметричні показники книжкових видань” виявлено та встановлено залежність вологовмісту заклеєних корінців книжкових блоків від температури, відносної вологості повітря й часу сушіння при сталій частоті (2 ГГц) випромінювання електромагнітних генераторів і потужності (1,3 кВт) мікрохвильового сушильного пристрою. Дослідження розподілу вологовмісту в корінці книжкового блока імітаційним моделюванням (рис. 1) показало, що в перші моменти висушування волога з відкритого клейового шару інтенсивно видаляється в атмосферу, причому значна її частина швидко всотується порами паперу (крива 1), сприяючи глибшому проникненню клею. Тому для утворення міцного клейового з'єднання на початку сушіння необхідно забезпечити рух вологи в середину паперу у виді рідини, оскільки переміщення її в пароподібному стані перешкоджатиме проникненню молекул клею в пори паперу.

Отже, величина швидкості й тривалості цього періоду залежить від природи клею, режимів висушування і властивостей паперу. Перший період постійної швидкості висушування завершується утворенням на корінці блока сухої плівки (крива 2), яка перешкоджає видаленню вологи з поверхні клейового шару й обумовлює перший період спадаючої швидкості. Волога з внутрішніх шарів блока проникає до поверхні корінця швидше, ніж видаляється в атмосферу, відбувається „насичення” нею клейової плівки (крива 3) та стабілізується її видалення. Другий період постійної швидкості висушування характеризується процесом видалення вологи з внутрішніх шарів блока і виходом в атмосферу. При спадаючій швидкості волога врівноважується (крива 4), випаровуючись з паперу і клейового шару.

У випадку додаткової обробки корінця блока необхідно припинити висушування при оптимальному вологовмісті (8-10%) плівки і граничного клейового шару. Встановлено, що зміна теплопровідності в процесі висушування книжкових блоків залежить від виду паперу, з якого вони виготовлені, природи клею та температури висушування. Так, для книжкових блоків із крейдяного паперу, коефіцієнт теплопровідності є більшим (приблизно на 0,5 Вт/м єС при однакових умовах вимірювання), ніж для блоків з офсетного паперу, що, очевидно, пов'язано з їх пористістю та ступенем проклеювання.

Побудовані криві висушування книжкових блоків у природних умовах підтверджують наявність теоретично встановлених періодів висушування. При мікрохвильовому висушуванні для блоків із крейдяного паперу характерно чотири періоди сушіння, а для блоків з офсетного паперу - тільки два: другої постійної та спадаючої швидкості.

У результаті досліджень виявлено, що книжкові блоки з крейдяного паперу висушуються швидше (до рівноважної вологості - 10%), ніж з офсетного, оскільки глибина проникнення вологи в капіляри крейдяного паперу є меншою, що підтверджується побудованими кривими висушування.

При температурі поверхні корінця книжкового блока, близькій до температури навколишнього середовища, і при температурі висушування вищій за температуру корінця блока, волога під впливом градієнта температур направляється в його середину, що перешкоджає видаленню вологи в атмосферу. Експериментально встановлено, що зі збільшенням відносної вологості повітря зменшується інтенсивність висушування блока та його критичний вологовміст, а зі зростанням температури - навпаки.

На основі еспериментальних досліджень кінетики висушування книжкових блоків виготовлених з офсетного паперу, корінці яких окантовані крафт-папером, тасьмою і коленкором марки КОФ, виявлено, що тривалість висушування найменша для блоків, корінці яких окантовані тасьмою. Інтенсивність висушування в періоді другої сталої швидкості для блоків, окантованих коленкором, нижчі, ніж блоків окантованих крафт-папером. Після нанесення клею волога з нього інтенсивно проникає в матеріал, яким окантований корінець книжкового блока. Проникнення вологи в папір блока затримується через наявність сухої плівки клею, нанесеного при заклеюванні корінця.

Розподіл вологи в корінці блока після вставлення в обкладинку відбувається аналогічно до розробленої імітаційної моделі (рис. 1), з різко вираженим другим періодом постійної швидкості. Розміщення критичної точки і величина швидкості висушування в цей період залежить від фізико-механічних властивостей паперу блока та обкладинки, і клею.

Отже, для інтенсифікації процесу висушування необхідно прискорити процес плівкоутворення в корінці книжкового блока і видалення вологи. Для збільшення швидкості плівкоутворення на першому етапі висушування шарів клейової композиції на основі полівінілацетатної дисперсії необхідно створити умови, для об'єднання окремих частинок дисперсії в суцільну масу. При цьому бажано максимально швидко видалити вологу, яка слабо зв'язана з клейовою плівкою. Найкращі умови глибинного прогрівання плівки можливі при опроміненні корінця книжкового блока тепловим потоком, проте тривале прогрівання спричиняє рух до поверхні пластифікатора (дибутилфталата). Видалення його з поверхні плівки відбувається дуже повільно, і тому плівка набуває липкості. Запропоноване мікрохвильове опромінення корінця блока усуває відлипання плівки від корінця.

Методом рентгенографії визначено товщину клейової плівки і рівномірність її нанесення на корінець блока. Структуру висушеної плівки і появу дефектів на ній після багаторазових перегортань аркушів книжкового блока зафіксовано оптичною мікроскопією.

Мікроскопічними дослідженнями виявлено наявність в структурі клейової плівки частинок друкарської фарби, які ймовірно стають центрами послаблення міцності адгезійного зв'язку між клеєм і папером в задрукованих корінцях блоків. Аналіз мікроскопічних досліджень показав, що капілярно-пориста структура паперу, з якого виготовлені книжкові блоки впливає на глибину проникнення клею, від якої в значній мірі залежить випаровування вологи і рівномірність утворення клейової плівки при висушуванні та міцність скріплення видань.

Дослідження термогравіметричних властивостей дисперсійного клею, яким скріплювались корінці книжкових блоків показують стійкість його до деструкційних процесів З кривої ТГ видно, що в досліджуваній клейовій композиції відсутня втрата маси, а на кривій ДТА спостерігається поява ендотермічного ефекту, з чітко вираженим максимумом при температурі 70 єС Це дозволило підібрати конкретні режими висушування корінців книжкових блоків у мікрохвильовому сушильному пристрої.

На основі експериментальних досліджень виявлено, що суттєвий вплив на руйнування клейового з'єднання корінця книжкового блока має:

- зміна фізико-механічних характеристик клейової плівки після висушування;

- адгезійні і когезійні властивості клеїв;

- технологічні дефекти в структурі нанесеного шару клею в корінцевій зоні блока;

- мікро- і макропори, макротріщини, складки та інші дефекти структури паперу, його склад, ступінь проклеювання;

- знакозмінні навантаження на корінець блока при його розкриванні.

Встановити комплексний вплив кожного із цих факторів можна за показниками зусилля розриву та виривання аркуша з блока, які характеризують довговічність і міцність книжкових видань.

Статистичними методами контролю видань визначено оптимальні значення кутів розкривання книжкових блоків: для офсетного паперу - 176^о; для крейдяного - 164^о в залежності від висоти підняття корінцевої частини над поверхнею (відповідно - 65 мм і 55 мм) при додатковому навантаженні (50 Н) на корінець. Встановлено, що стійкість книжкових конструкцій після висушування до знакозмінних навантажень залежить від виду паперу і товщини блока та становить: для видань з офсетного паперу - 1800-2000 циклів, крейдяного - 1300-1500 циклів.).

У п'ятому розділі “Оптимізація процесу висушування книжкових блоків у мікрохвильовому сушильному пристрої” описано принцип функціонування розробленої мікрохвильової сушильної установкита блок-схему автоматизованого керування процесом висушування , в основі якого закладено принцип порівняння відносної вологості повітря на вході та виході з сушильної камери.

Конструкція сушильної камери запроектована таким чином, щоб усередині було однакове нагрівання у будь-якій частині внутрішнього об'єму, зайнятого напівфабрикатами брошурувально-палітурного виробництва. Об'єм камер повинен бути достатньо великим, щоб кожного циклу обробляти значну кількість продукції і повністю використовувати потужність НВЧ генератора. Проведено розрахунок оптимального об'єму сушильної камери з урахуванням потужності та частоти випромінювання магнетронів. Для робочого діапазону довжин хвиль 12,6 ± 0,252 см, одного з найзручніших діапазонів для нагрівання діелектриків промислового застосування, практично рівномірний спектр резонансних довжин хвиль або резонансних частот досягається при діаметрі циліндричного об'ємного резонатора 1386 мм та його довжині 2646 мм. У такому випадку в діаметрі, довжині кола та довжині циліндра вкладається парне число довжин півхвиль. Дослідження показали, що найкрашими є такі папаметри мікрохвильового сушильного пристрою: об'єм камери - 4 м³; 2 магнетрони потужністю - 1,3 кВт і частотою коливань - 2 ГГц; тиск в сушильній камері - 10⁵ Па; температура висушування - 40 єС; відносна вологість повітря 60-65%; температура повітря, яке подається до сушильної камери - 20-30 єС.

Аналіз режимів та параметрів сушіння клейових з'єднань книжкових блоків дозволив побудувати орієнтований граф взаємозв'язку між ними, що включає характеристики паперу і клею конструкції видання, його формат; температуру, час та інтенсивність сушіння; відносну вологість навколишнього середовища, на основі якого розроблено технічне завдання для виготовлення мікрохвильової сушаркиЕкспериментальними дослідженнями підтверджено, що оптимальний час висушування залежить тільки від температури сушіння і типу паперу (для книжкових блоків з офсетного паперу він становить 4,05 хвилин при температурі 40 єС, 3,6 хвилин при температурі 75 єС; для блоків з крейдяного паперу відповідно - 3,8 і 3,2 хвилин). Визначено, що максимальне зусилля розриву блока з офсетного паперу при оптимальному часі висушування дорівнює 7,6 Н/см, а з крейдяного паперу - 7,19 Н/см, в той час як максимальне зусилля виривання аркуша з блока складає 6,9 Н/см і відповідно 5,9 Н/см, що відповідає вимогам міжнародних стандартів ІСО.

Економічними розрахунками, проведеними за результатами лабораторних експериментів і виробничих випробувань технології мікрохвильового висушування книжкових блоків, встановлено, що використання розробленого сушильного пристрою дозволить збільшити продуктивність та інтенсивність висушування, зменшити сумарні витрати електроенергії, прискорити технологічний процес виготовлення книжкової продукції.

У додатках до дисертації наведено програму розрахунку матеріального теплового балансу мікрохвильового сушильного пристрою; технологічну інструкцію на процес висушування напівфабрикатів брошурувально-палітурного виробництва в мікрохвильовому сушильному пристрої; технічне завдання на проектування обладнання для мікрохвильового висушування книжкових блоків; акти про використання результатів дослідження в навчальному процесі; акти виробничих випробувань; копії патентів України і свідоцтва про реєстрацію авторського права на твір - комп'ютерну програму.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язано наукову задачу інтенсифікації технології виготовлення видань шляхом мікрохвильового висушування клейових з'єднань книжкових блоків у розробленій сушарці й отримано такі результати:

1. На основі принципів системного аналізу визначено роль і місце операції сушіння в технологічній ланці брошурувально-палітурного виробництва сучасних технологій виготовлення книжкової продукції; визначено загальні класифікаційні ознаки сушильних пристроїв, виявлено їх переваги та недоліки; обґрунтовано доцільність мікрохвильового висушування; вибрано об'єкти і методи досліджень.

2. Уперше встановлено математичну залежність коефіцієнта теплопровідності від формату видання, товщини блока, часу теплопередачі, температури верхнього і нижнього інтеграторів температури, що лягло в основу розробленого алгоритму та програми розрахунку матеріального і теплового балансу мікрохвильового сушильного пристрою і дозволило забезпечити ефективність режимів висушування.

3. З урахуванням основних положень теорії тепломасообміну при висушуванні виявлено форми взаємозв'язку вологи з елементами конструкції книги, на основі чого розроблено імітаційну модель процесу вологоперенесення, досліджено кінетику природного і мікрохвильового висушування, підтверджено існування двох основних періодів сушіння: сталої і спадаючої швидкостей висушування, при яких відбувається перерозподіл видалення вологи і забезпечується якість продукції.

4. Визначено технологічні та режимні фактори впливу на швидкість сушіння книжкових блоків після заклеювання корінців, їх окантування та вставлення в оправи, що дозволило побудувати причинно-наслідкову діаграму чинників впливу на якість процесу мікрохвильового висушування.

5. На основі результатів рентгенографії та оптичної мікроскопії досліджено товщину та рівномірність нанесення клейової плівки на корінці блоків, показано зміну її структури після висушування і багаторазових перегортань аркушів блока; в клейовому шарі задрукованого корінцевого поля виявлено наявність частинок друкарської фарби, які, ймовірно, стають центрами послаблення міцності утвореного адгезійного зв'язку між клеєм й папером та зменшують довговічність видань.

6. На основі графоаналітичного аналізу кривих інтенсивності мікрохвильового висушування та математичного моделювання підтверджено наявність взаємозв'язку між часом висушування, температурою і видом паперу, встановлено оптимальні режими висушування книжкових блоків (3-5 хвилин при температурі 40 єС) та доведено їх вплив на експлуатаційні показники видань: стійкість блоків з офсетного та крейдяного паперу до знакозмінних навантажень на корінець (2000 і 1500 циклів), максимальні зусилля розриву блоків (7,6 Н/см - з офсетного паперу, 7,2 Н/см - з крейдяного паперу), максимальні зусилля виривання аркушів з блоків (відповідно - 6,9 Н/см і 5,9 Н/см).

7. Результати теоретичних і експериментальних досліджень реалізовані в: 1) розробленій та апробованій ттехнологічній інструкції на процес висушування напівфабрикатів брошурувально-палітурного виробн-ицтва у мікрохвильовому сушильному пристрої; 2) технічному завданні на проектування обладнання для мікрохвильового висушування книжкових блоків; 3) сконструйованому макеті сушильного пристрою з автоматизованим керуванням, продуктивність роботи якого складає 1260 книг за один цикл; 4) актах виробничих випробовувань; 5) актах використання результатів у навчальному процесі.



ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В РОБОТАХ

1. Гавенко С. Ф. Дослідження кваліметричних показників книжкових блоків / С. Ф. Гавенко, Л. Й. Кулік, Г. М. Йордан // Квалілогія книги : зб. наук. праць. - Львів : УАД. - 2004. - Вип. 7. - С. 124.

2. Гавенко С. Ф. Вплив способу окантування корінців книжкових блоків на читабельність видання, виражену кутом його розкриття / С. Ф. Гавенко, Г. М. Йордан // Квалілогія книги : зб. наук. праць. - Львів : ПТВФ “Афіша”. - 2003. - Вип. 6. - С. 126-129.

3. Гавенко С. Ф. Аналіз клеїв як фактора ризику в технології незшивного клейового скріплення / С. Ф. Гавенко, Г. М. Йордан, О. М. Лиско // Поліграфія і видавнича справа : наук. техн. зб. - Львів : УАД. - 2004. - №. 41. - С. 8-10.

4. Йордан Г. М. Дослідження процесу висушування при незшивному клейовому скріпленні / Ганна Мирославівна Йордан // Квалілогія книги : зб. наук. праць. - Львів : УАД. - 2006. - Вип. 9. - С. 66-69.

5. Йордан Г. М. Дослідження товщини клейового шару та рівномірності його нанесення на корінець книжкового блока при незшивному клейовому скріпленні / Ганна Мирославівна Йордан // Квалілогія книги : зб. наук. праць. - Львів : УАД. - 2007. - Вип. 1 (11). - С. 31-35 ; Издательское дело и полиграфия : реф. журн. - 2008. - № 10. - С.13.

6. Йордан Г. М. Вплив відносної вологості та температури на інтенсивність процесу мікрохвильового висушування книжкових блоків / Ганна Мирославівна Йордан // Квалілогія книги : зб. наук. праць. - Львів : УАД. - 2008. - Вип. 2 (14). - С. 102 - 107.

7. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 27885. Комп'ютерна програма “Розрахунок матеріального і теплового балансу сушильного пристрою” / Г. М. Йордан ; [власник авторських майнових прав УАД Міністерства освіти і науки України] ; зареєст. 04.03.2009.

8. Пат. 48475 А Україна, В4С 9/00. Клейова композиція / Гавенко С. Ф., Кулік Л. Й., Мартинюк М. С., Йордан Г. М. ; заявник і власник патенту УАД. - № 2001096071 ; заявл. 04.09.01 ; опубл. 15.08.02, Бюл. № 8. - 2 с.

9. Пат. 38473 Україна, В31F 1/00, В42C 9/00. Пристрій для мікрохвильового висушування книжкових блоків / Гавенко С. Ф., Йордан Г. М. ; заявник і власник патенту УАД. - № 200810211 ; заявл. 08.08.08 ; опубл.12.01.09, Бюл. № 1. - 4 с.

10. Пат. 38443 Україна, G01N 25/18. Спосіб визначення теплопровідності книжкових блоків / Гавенко С. Ф., Йордан Г. М.; заявник і власник патенту УАД. - № 200810521 ; заявл. 19.08.08 ; опубл.12.01.09, Бюл. № 1. - 4 с.

11. Йордан Г. М. Дослідження зміни структури клейової плівки в корінці книжкового блока після експлуатації / Ганна Мирославівна Йордан // Науково-технічна конференція прфесорсько-викладацького складу, наукових працівників і аспірантів [5-8 лютого 2007 р.] : тези доп. - Львів : УАД, 2007. - С. 57.

12. Конюхова І. І. Проблеми контролю якості видань незшивного клейового скріплення / І. І. Конюхова, Г. М. Йордан // Квалілогія книги : матер. VІ Міжнар. наук.-практ. конф. [20-21 жовтня 2007 р.] : тези доп. - Львів : УАД, 2007. - С. 06-109.

13. Йордан Г. М. Мікрохвильове висушування клейових з'єднань при виготовленні книжкової продукції / Г. М. Йордан, С. Ф. Гавенко, В. В. Кочубей // Альянс наук: вчений - вченому : матер. ІV Міжнар. наук.-практ. інтернет-конф. [18-29 березня 2009 р.] : зб. наук. праць. - Дніпропетровськ, 2009. - Т. 4. - С. 84-86.

14. Йордан Г. М. Методи контролю процесу висушування клейових з'єднань конструктивних елементів книжкових видань / Ганна Мирославівна Йордан // Простір і час сучасної науки : матер. V Всеукр. наук.-практ. інтернет-конф. [23-25 квітня 2009 р.] : зб. наук. праць. - К., 2009. - Ч. 3. - С. 30-32.

15. Йордан Г. Основи поліграфії : навч. посіб. [для студ. вищ. навч. закл.] / Ганна Мирославівна Йордан ; [за ред. д-ра техн. наук, проф. С. Гавенко]. - Тернопіль : Підручники і посібники, 2007. - 176 с.

16. Гавенко С. Технологія окантування корінців книжкових блоків : навч. посіб. [для студ. вищ. навч. закл.] / С. Гавенко, Л. Кулік, Г. Йордан. - Львів : НВЕД УАД, 2008. - 94 с.

Размещено на Allbest.ru