Metody oceny wytrzymałości opraw klejonych

1. Streszczenie

W przemyśle poligraficznym do oprawiania książek szeroko stosowaną jest technologią łączenia klejowego wkładów z całkowitym ścinaniem grzbietowych złamów, tzw. technologia Perfect Binding. Wytrzymałość sklejonych opraw, wyprodukowanych wg tej technologii zależy od wielu czynników: zastosowanego kleju, parametrów obróbki mechanicznej grzbietów, użytego w oprawach papieru i in. Zmienność parametrów w procesie oprawiania niejednokrotnie doprowadzało do produkcji opraw nietrwałych. Dla tego, koniecznym jest stały nadzór nad wytrzymałością podczas produkcji książek klejonych. Znane są różne sposoby oceny wytrzymałości opraw łączonych klejowo: badanie na wyrywanie kartek – Pull Test, badanie na kartkowanie – Flex Test, test na ukośne wyrywanie kartki, badanie Subway Test. Najbardziej wiarygodnym badaniem wytrzymałości opraw uznaje się badanie na wyrywanie kartki z grzbietu wkładu. W oparciu o standard  ISO 19594:2017 przedstawiono metodę badań  Pull Test oraz nowe zalecenia do oceny wytrzymałości opraw łączonych klejowo, ujednolicone dla wszystkich stosowanych rodzajów klejów: dyspersyjnych, termotopliwych i poliuretanowych.

2. Wprowadzenie, znaczenie papieru, technologie oprawiania i czynniki wpływające na wytrzymałość

Mimo przepowiadań, że e-booki w najbliższym czasie zastąpią tradycyjną książkę zainteresowanie czytelników dobrą książką papierową wciąż jest wysokie, a wynalazek papieru nadal pozostaje jednym z najważniejszych osiągnięć ludzkiej cywilizacji. Współczesny czytelnik biorący książkę do rąk zwraca uwagę nie tylko na zawartość kupowanej książki, ale też na jej wykonanie poligraficzne – szatę graficzną, jak książka została wydrukowana, jakość wykończenia introligatorskiego oraz użyty w produkcji papier.

Zazwyczaj wyboru papieru do konkretnego produktu dokonuje się w wydawnictwie lub drukarni. W zdecydowanej większości przypadków głównym kryterium doboru papieru jest technologia drukowania. Obecnie, do produkcji książek i czasopism, najczęściej stosowane są następujące technologie:  drukowanie offsetowe (arkuszowe i zwojowe), rotograwiurowe i cyfrowe. Dla realizacji tych technologii wybrane papiery muszą posiadać określone właściwości m. in.:  odpowiednią gramaturę, wolumen, białość, gładkość, połysk, nieprzezroczystość, stabilność wymiarową i in. W literaturze technicznej można znaleźć zalecenia, co do doboru papierów w zależności od techniki druku. Przeprowadza się tam również dokładny opis błędów powstających w procesie drukowania w zależności od właściwości użytego papieru. Niestety, większość tych opracowań dotyczy wpływu parametrów papieru na jakość drukowania, natomiast analiza wpływu właściwości papierów na procesy introligatorskie niejednokrotnie jest pomijana, a właśnie w wyniku realizacji procesów introligatorskich powstaje końcowy produkt poligraficzny. Źle dobrany papier utrudnia przeprowadzenie procesów introligatorskich, co może doprowadzić do obniżenia wydajności i jakości produkowanych książek. Prawidłowy wybór papieru ma również znaczący wpływ na wytrzymałość oprawy klejonej.

W przemyśle poligraficznym są rozpowszechnione trzy główne sposoby oprawiania wkładów książek: szycie nićmi, drutem i łączenie klejowe. Szycie nićmi stosowane jest przy wytwarzaniu opraw o wysokiej wytrzymałości z długim okresem intensywnego użytkowania. Niestety koszty wytwarzania takich opraw są wysokie, co przekłada się na cenę końcowego produktu. Technologia szycia drutem jest najtańszą, jednak stosuje się ją przeważnie przy produkcji cienkich broszur, folderów i reklam. Najbardziej ekonomiczną, wydajną i szeroko stosowaną technologią oprawiania książek jest łączenie klejowe wkładów z całkowitym ścinaniem grzbietowych złamów, tzw. technologia Perfect Binding. Do zaklejenia grzbietów wkładów obecnie stosowane są kleje termotopliwe (hot melt) o podwyższonych parametrach wytrzymałości  oraz elastyczne i mocne kleje poliuretanowe (PUR), co stworzyło możliwość wysokowydajnej produkcji opraw o znacząco ulepszonych właściwościach użytkowych: wysokich parametrach wytrzymałości połączenia kartek papieru oraz zwiększonej otwieralności wkładów.

Wytrzymałość klejonych opraw wyprodukowanych wg technologii Perfect Binding zależy od wielu czynników: typu użytego kleju, jego lepkości i temperatury podczas klejenia, parametrów obróbki mechanicznej grzbietów – użytego do ścięcia złamów rodzaju frezu, wielkości nacięć na grzbiecie i odstępów pomiędzy nacięciami oraz wybranego rodzaju papieru. Zaklejenie książek wykonanych z papierów, posiadających dużo wypełniaczy zazwyczaj wymaga odpowiedniego doświadczenia operatorów oraz zastosowania narzędzi, które umożliwiają odsłonięcie włókien podczas obróbki, nie doprowadzając do ich wyrywania z krawędzi obrobionych kartek papieru. Zmienność parametrów w procesie oprawiania sprawdzają kwalifikacje najlepszych operatorów maszyn. Oczywiście są pewne opracowane zalecenia technologiczne, ale zdarzają się przypadki gdy dokładne przestrzeganie tych zaleceń nie gwarantuje otrzymanie opraw o wysokich parametrach wytrzymałościowych. Wydawanie tytułów o co raz mniejszych nakładach i w krótkich terminach znacznie utrudnia operatorom szybkobieżnych linii automatycznych dostosować warunki obróbki wkładów do właściwości stosowanych materiałów. Wzrost wymagań u wydawców i czytelników, dotyczących jakości wyprodukowanych książek wymaga stałego nadzoru podczas produkcji nad wytrzymałością opraw.

3. Metody oceny wytrzymałości opraw klejonych

Znane są różne sposoby oceny wytrzymałości opraw łączonych klejowo: badanie na wyrywanie kartek - Pull Test, badanie na kartkowanie - Flex Test, test na ukośne wyrywanie kartki, badanie Subway Test oraz inne.

Badanie na wyrywanie kartki - Pull Test (rys. 1) polega na określeniu wartości siły obciążającej kartkę oprawy przy której nastąpi wyrywanie kartki. Za wynik ostateczny wytrzymałości na wyrywanie kartek przyjmuje się średnią wytrzymałość z poszczególnych prób w przeliczeniu na wysokość linii grzbietowej, obliczoną w N/cm.

Rys. 1. Badanie wytrzymałości opraw na wyrywanie kartki Pull Test

Badanie wytrzymałości na kartkowanie - Flex Test (rys. 2) polega na określeniu liczby wahań kartki w miejscu połączenia z wkładem, aż do jej wyrywania, przy obciążeniu wahanej kartki określoną siłą (1 N/cm wysokości grzbietu). Za wynik ostateczny wytrzymałości na kartkowanie przyjmuje się średnią liczbę kartkowań poszczególnych próbek.

Rys. 2. Badanie wytrzymałości oprawy na kartkowanie Flex Test

Badanie na ukośne wyrywanie kartki (rys. 3) polega na określeniu wartości siły obciążającej kartkę oprawy pod kątem 450 przy której nastąpi wyrywanie kartki z grzbietu oprawy.

Do oznaczeń za pomocą Subway Test (rys. 4) oprawa jest kilkakrotnie otwierana prawie na 3600 i oceniane jest połączenie kartek z warstwą klejową. Trzeba zaznaczyć, że dwie ostatnie wymienione metody badań nie umożliwiają obiektywnie ocenić wytrzymałość opraw.

Rys. 3. Test na ukośne wyrywanie kartki

Rys. 4. Subway Test

Najbardziej wiarygodnym badaniem wytrzymałości opraw uznaje się badanie na wyrywanie kartki z grzbietu wkładu - Pull Test (rys. 1).

4. Urządzenia pomiarowe Pull Test, standard ISO 19594:2017 i wnioski

Na rynku dostępne są różne urządzenia pomiarowe (testery), przeznaczone do oceny wytrzymałości opraw metodą Pull Test. Urządzenia pomiarowe są niezwykle proste w obsłudze, pozwalają na szybkie testowanie opraw.

Niestety, wszystkie produkowane urządzenia nie odzwierciedlają realnych warunków użytkowania opraw oraz charakteryzują się dość znacznym rozrzutem wartości otrzymanych danych pomiarowych. Urządzenia pomiarowe różnią się pomiędzy sobą sposobem mocowania opraw, różnym kątem otwarcia książek przed badaniem, kierunkiem wyrywania kartek, różnymi wartościami prędkości wyrywania kartek z grzbietów opraw podczas badań. W niektórych urządzeniach pomiarowych kartka jest wyrywana do dołu, a książka otwierana na stoliku badawczym na płasko (praktycznie na 180o), w niektórych – kartka wyrywana do góry, a grzbiet podczas wyrywania opiera się na klinach symulujących kąt otwarcia książki, natomiast w innych testerach książka przed badaniem otwierana jest na określony konstrukcją stolika pomiarowego testera kąt otwarcia (rys. 5, a,b,c). 

Rys. 5. Stosowane w różnych testerach sposoby umieszczenia książek przed badaniem Pull Test oraz kierunki wyrywania arkuszy

a - otwarcie książki na płasko (arkusz wyrywany do dołu), b - podczas wyrywania arkusza kliny testera symulują otwarcie książki (arkusz wyrywany do góry), c - niepełne otwarcie książki - pod kątem (arkusz wyrywany do dołu) 

Zarejestrowana w niektórych urządzeniach   nierównomierna prędkość podczas wyrywania kartki przy stosowaniu elektromagnetycznych lub pneumatycznych mechanizmów napędu zacisków wyrywających niejednokrotnie doprowadzało do otrzymania różnych wyników wytrzymałości przy badaniu tych samych opraw.

W literaturze technicznej niejednokrotnie wskazywano na problem oceny wytrzymałości opraw i konieczność opracowania standardu międzynarodowego. Dopiero w 2017 roku został opublikowany standard  ISO 19594:2017 gdzie przedstawiono zalecaną metodę badań  Pull Test do oceny wytrzymałości  opraw łączonych klejowo.

W nowoopracowanej metodzie do oceny wytrzymałości opraw zaproponowano sposób umieszczenia oprawy przed badaniem, kierunek wyrywanie kartki z grzbietu wkładu – do góry ze stałą prędkością wyrywania (20 mm/min) oraz  specjalny system podtrzymywania grzbietu w procesie wyrywania kartki, co zapewnia stałe warunki wyrywania kartki z grzbietu badanej oprawy. Konstrukcja nowego testera oparta została na zasadzie pomiaru zastosowanej w testerze firmy Tony Behr (Niemcy).

W odróżnieniu od wcześniej stosowanych zaleceń, w  standardzie  ISO 19594:2017 zaproponowano nowe zalecenia do oceny wytrzymałości opraw metodą Pull Test, ujednolicone dla wszystkich stosowanych rodzajów klejów: dyspersyjnych, termotopliwych i poliuretanowych (tabela 1). 

Tabela 1. Zalecenia ISO 19594:2017  określające wytrzymałość opraw badanych metodą

Pull Test

Dzięki opracowaniu standardowej metodyki przeprowadzenia pomiarów podczas badań wytrzymałości opraw staje się możliwym obiektywny nadzór za parametrami wytrzymałościowymi opraw w procesie produkcyjnym. Stałe nadzorowanie podczas produkcji nad wytrzymałością wytwarzanych opraw może dać niewątpliwą przewagę nad konkurentami, pozwoli uniknąć możliwe nieporozumienia pomiędzy Wydawcą a Drukarzem, a co najważniejsze - przyczynić się do wysokiej jakości książek wyprodukowanych na sposobem Perfect Binding.