Физика/7. Оптика

К.т.н. Варепо Л.Г.

Омский государственный технический университет, Россия

Анализ взаимосвязи оптических параметров

бумаг с ее поверхностью

 

Согласно ISO/CD4046-4 [1], «бумага» – общий термин для материалов в виде сплошного листа или полотна, получаемых осаждением растительных, минеральных, синтетических волокон или их смесей их жидких суспензий на соответствующих формующих устройствах с добавлением или без добавления других веществ.

Бумага как материал является сложным объектом изучения. Так как, обладая только ей присущими свойствами, проявляет в то же время признаки полимерного и композитного материалов [2]. Оптические характеристики бумаги обусловлены большим разнообразием ингредиентов бумаги по происхождению и оптическим характеристикам.

Формирование оптических параметров бумаги происходит в результате взаимодействия со светом и зависит от технологии производства и в частности от того, как бумага отражает, поглощает и пропускает свет.

Свет, падающий на поверхность, в той или иной степени отражается от нее. Если поверхность интенсивно и в одинаковой степени отражает свет всех зон  видимого спектра, спектра она будет казаться белой. При избирательном отражении, поверхность будет выглядеть окрашенной в тот или иной цвет, в зависимости от того, какая часть светового потока будет отражаться сильнее. Особенности оптических свойств бумаги обусловлены большим разнообразием ингредиентов бумаги по происхождению и оптическим характеристикам, в частности белизне.

Стандартная белизна (Brightness) бумаги – это коэффициент диффузного отражения поверхности при освещении бумаги определенным источником света,  измеренный при длине волны 457 нм.

Так как оптическая однородность бумаги является необходимым условием обеспечения потребительской пригодности печатной продукции, то исследование оптических характеристик бумаг и картона,  зависимости этих  показателей от  структуры материала является актуальным.

Анализ спектров диффузного отражения и ИК спектров проводили на различных материалах по составу и отделке:  бумаге с тиснением лицевой поверхности (№1),  целлюлозной бумаге с глянцевой лицевой поверхностью (№2), целлюлозном  картоне с двухслойным мелованным покрытием лицевой стороны (№3). Образцы были исследованы на спектрофотометре UV-2501 PC фирмы SHIMADZU с приставкой диффузного отражения и ИК микроскопе Nicolet Continuμm в варианте однократно нарушенного полного внутреннего отражения с Ge кристаллом.

Оптическая схема спектрофотометра UV-2501 PC двулучевая (в качестве образца сравнения использовался прессованный порошок BaSO4), 2 источника излучения, дейтериевая лампа в УФ области спектра и вольфрамовая – в видимой области, позволяют одновременно снимать весь спектр в диапазоне 190 – 900 нм.

Исследование свойств поверхности бумаг и картона проводили с помощью электронно-лучевого профилографа MICRO MEASURE 3D station, позволяющего регистрировать полученные измерения и проводить их статистическую обработку с получением различных данных о поверхности исследуемого образца.

На рис. 1 изображен спектр отражения BaSO4, соответствующий линии 100% отражения, относительно которого были записаны спектры исследуемых образцов. Анализ представленных на рис.1 зависимостей показал, что в области 400 – 900 нм образцы хорошо отражают свет, отражательная способность понижается главным образом в сине-фиолетовой части спектра и очень незначительно изменяется в зелено-желтой и красной его областях. По количеству отраженного света исследуемые материалы можно расположить в следующей последовательности (в порядке возрастания): №2, №1, №3.

В области ниже 400 нм проявляется электронная структура образцов и нанесенных меловых слоев.

 

Рис. 1    Спектры диффузного отражения образцов бумаги

 

Отсканированные области поверхности бумаг и картона в двухмерном измерении X и Y, иллюстрируют неоднородность поверхности и позволяют количественно оценить величину измерения неровностей по цветовой шкале. Получены значения среднего арифметического отклонения профиля Ra, показателя средней глубины шероховатости Rz, характеризующих микрогео-метрию поверхности исследуемых материалов, а также показатели характери-зующие степень неравномерности поверхности. Полученные данные свидетельствуют о том, что между структурными показателями запечатываемого материала и оптическими существует тесная взаимосвязь. Показано, что более низкая  степень  неравномерности  поверхности картона  №3 (от – 5,37 до + 1,35), представленная на рис.2, по сравнению со степенью неравномерности поверхности бумаги №1 (от – 16,2 до 12,1), свидетельствует о более ровном распределении  элементов структуры поверхности бумаги и как следствие высоком коэффициенте диффузного отражения (более 90 %). Напротив, для бумаги  №1 коэффициент диффузного отражения  не превышает 85 %.

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 2 Профиль по Х и Z с расчетом площади пиков S­­­­­пик  и впадин Sвп поверхности картона №3.

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис.3 Профиль по Х и Z с расчетом площади пиков S­­­­­пик  и впадин Sвп поверхности бумаги №1.

 

Результаты исследования на ИК микроскопе Nicolet Continuμm в варианте однократно нарушенного полного внутреннего отражения с Ge кристаллом представлены на рис. 4. Оптическая схема прибора однолучевая, монохроматор – интерферометр Майкельсона (в качестве образца сравнения использовался спектр воздуха). Данный вариант анализа позволяет снять ИК спектр в разных точках поверхности, причем полученный спектр относится к поверхностным слоям глубиной до 10 мкм. Поверхностный слой образца  №3 содержит полосы поглощения, характерные для структур с пептидными связями и полимеров типа полиамида, найлона (3300 см-1, 1650 см-1, 1455 см-1), в области 1000 – 1100 см-1 проявляются полосы поглощения, характерные для неорганических соединений. В этом же диапазоне имеют полосы поглощения 2 других образца бумаги, однако в этих образцах проявляется сильная полоса поглощения при 1400 см-1.

Проведенные исследования позволят прогнозировать оценку качества оттиска при печати.

 

Рис. 4   ИК спектры однократно нарушенного полного внутреннего отражения с Ge кристаллом образцов бумаги

Литература

1.     ISO/CD 4046-4 Paper, board, pulps and relatedterms – Vocabulare- Paper and board grades and converted produc /ISO /TC6 Paper, board and pulps Secretariat: CANADA (SCC) 1998-04.

2.      Технология целлюлозно-бумажного производства. В 3 т. Т.II. производство бумаги и картона. Ч.1. Технология производства и обработки бумаги и картона. – СПб.: Политехника, 2005.– 423 с.