UTJECAJ RAZLIČITIH KVALITETA PAPIRA NA ČVRSTOĆU KNJIŽNOG BLOKA
MEKO UVEZANE KNJIGE

INFLUENCE OF DIFFERENT PAPERS QUALITY ON STRENGTH OF
SOFTBOUND BOOKS

Suzana Pasanec Preprotić, dipl. ing. graf. tehnologije
dr. sc. Branka Lajić, dipl. ing. graf. tehnologije
red. prof. dr. sc. Darko Babić, dipl. ing. strojarstva

Sveučilište u Zagrebu, Grafički fakultet
Zagreb, Getaldićeva 2

SAŽETAK

Složeni tip uveza knjige je i meki uvez. U završnoj grafičkoj proizvodnji, dakle u knjigovežnici, najčešće se uvezuju knjige za kraću i dužu upotrebu. Beletristička izdanja, rječnici, školski i fakultetski udžbenici uvezuju se u količinama od nekoliko stotina do nekoliko desetaka tisuća primjeraka. Oni se uglavnom uvezuju za dužu upotrebu koju zovemo kolokvijalno tvrdi uvez. Taj tip uveza zahtijeva veći broj tehnoloških operacija a kroz to i veći broj strojeva, veći angažman radnika i duže vrijeme izrade što znači i veću cijenu. Kvaliteta tog uveza je veća.
Pri izradi meko uvezane knjige, knjižni blok se uljepljuje u jednodijelne kartonske korice po hrptu, i to je neposredno spajanje. Neposredno zato što je svaki list slijepljen s koricom na hrptu knjižnog bloka. Prije postupka sljepljivanja knjižnog bloka u jednodijelne kartonske korice, hrbat knjižnog bloka mora se tehnološki obraditi, tako da svaki list po cijeloj dužini hrpta dođe u kontakt s ljepilom. Na taj način je ostvarena direktna veza između svakog lista knjižnog bloka i korica.  Ljepila ima više vrsta a jedno je i  taljivo ljepilo  za koje se uvriježio kod nas naziv hot melt. Stoga je određivanje tehnološkog procesa lijepljenja knjige od primarnog značaja u knjigoveškoj proizvodnji. Fizikalno-kemijske karakteristike papira, kartona i termalnog ljepila imaju direktan utjecaj na kvalitetu uveza knjige. Isto tako imaju utjecaja na promjenu kvalitete uveza. Određeni tehnološki parametri kao što su obrada hrpta knjižnog bloka, debljina nanosa i temperatura termalnog ljepila u interakciji s papirom i kartonom također su od presudnog utjecaja na kvalitetu meko uvezane knjige.
Svrha je ovog rada prikazati kakav utjecaj na kvalitetu uvezivanja imaju četiri vrste papira najčešćih gramatura (kod nas najzastupljeniji proizvođači papira) uz nepromjenjivu kvalitetu i vrstu ljepila i uz isti način obrade hrpta knjižnog bloka u stroju za meki uvez. Također je i nepromijenjena temperatura i debljina nanosa ljepila u stroju za meki uvez. Dakle sve je fiksirano osim vrste papira. Ispitivanje kvalitete uvezivanja pojedine vrste papira provedeno je na uređaju Martini Tester, Type VA. Kvaliteta uveza za svaku pojedinu knjigu određena je mjerenjem sile kidanja pojedinačnog lista iz knjižnog bloka. Eksperimentalna metoda promatranja pojave kidanja lista papira provedena je u istim uvjetima. Istrgavanje pojedinačnih listova knjižnog bloka provedeno je određenim uvijek istim redoslijedom kod svih uzoraka. Budući da ne postoje standardi o kvaliteti čvrstoće knjižnog bloka za određene kategorije knjiga, kao usporedni rezultati uzimaju se međunarodno priznate vrijednosti koje preporučuje Adhesive Products from Ilinois (SAD).
Ključne riječi: mekouvezana knjiga, knjižni blok, kvaliteta papir, čvrstoća knjižnog bloka

SUMMARY

Softbound book is one the complex type of binding books and paperback. In the final phase of graphic production-bindery, the most often products are books for shorter and longer use.  Books such as published fiction, dictionaries, school and university textbooks are binding in amounts from several hundred to tens of thousands of copies. Those books, intended mainly for longer usage, are colloquially called hard-covered book. This type of binding requires a larger number of technological operations; consequentially it requires a larger number of machines, and the greater involvement of work force, and longer production time, which means a higher price. The quality of hard cover binding is higher. During production of a paperback book, the book blocks are bounded to cover-board along the ridge, and this is direct connection. Direct connection means, that every single sheet is bounded on the ridge of the book block. Before gluing in book block in cover board, block spine must be technologically processed, to enable that each individual sheet along the length of the ridge has contact with the adhesive. This procedure ensures direct connection between each individual sheet and cover-board along the ridge of paperback book. One of types of adhesives that is possible to melt, is so called “hot melt”. Therefore, design of the technological process of gluing the book is of primary importance in soft bound books production. Physical and chemical characteristics of paper, cover-board and thermal adhesives have a direct impact on the quality of binding paperback books, but also on change of quality during life-time of the book. The technological parameters, such as processing of the book block ridge, thickness and temperature of the thermal adhesive in interaction with paper and cover-board, are also of crucial impact on the quality of soft bound book.
The purpose of this paper is to show impact of four most common paper types (weights) on the quality of binding, with constant quality and type of adhesive, and with the same method of book spine processing in perfect binding machine. Also, temperature and thickness of glue are constant parameters in perfect binding machine. Everything is constant except, of paper types. Quality tests have been carried out on the device Martini Tester, Type VA. The quality of binding for each book is determined by measuring the tensile force of individual sheet of paper in paperback book (pull test). The pull test is performed by measuring tensile force of individual sheet of paper, under the same conditions. Individual sheets are stressed using force, and have been carried out in the same order in all samples.
Since there are no relevant standards for the strength of the paperback book, for different categories of books, Adhesive Products from Illinois (USA) results, are taken as internationally recognized benchmark.
Keywords: softbound book, book block, paper quality, strength of book block

Knjigoveška grafička dorada bavi se proizvodnjom knjiga. Meko uvezanu knjigu oblikom čine jednodijelne kartonske korice i slijepljeni knjižni blok, a veza između knjižnog bloka i korica je neposredna, tj. knjižni blok je ulijepljen u korice po hrptu. Niska tržišna cijena isključivo je razlog malog broja tehnoloških operacija izrade mekouvezane knjige. Beletristika (džepne knjige), školski udžbenici, priručnici, telefonski imenici uvezuju se ovom tehnološkom metodom. Tehnološka metoda uvezivanja knjiga provodi se određenim slijedom radnih operacija transformacije otisnutog arka (knjižnog arka) u knjižni slog a sabiranjem slogova u knjižni blok. Taj knjižni blok se obradi po hrptu i ulijepi u jednodijelne kartonske korice. Pri sljepljivanju potrebno je podesiti stroj i obradu hrpta knjižnog bloka tako da se nanos ljepila ostvaruje jednako s uvijek istim nanosom ljepila. Samo ravnomjerni nanos po cijeloj dužini lista i po cijeloj debljini knjižnog bloka garantira jednaku čvrstoću knjige.  Stoga je određivanje tehnološkog procesa lijepljenja knjige od primarnog značaja u knjigoveškoj proizvodnji.  Kvaliteta uvezivanja knjige isključivo ovisi o fizikalno-kemijskim karakteristikama papira i hot melta naravno uz precizno definirane tehnološke parametre koji uključuju obradu hrpta knjižnog bloka, debljinu nanosa i temperature hot melta u trenutku spajanja knjižnog bloka i korice. U ovom su istraživanju svi utjecajni parametri držani uvijek na istoj razini (obrada hrpta, vrsta ljepila, debljina nanosa ljepila, brzina rada stroja, temperatura ljepila, vlaga papira) a samo se mijenjala kvaliteta papira. Kvaliteta uveza za svaku pojedinu knjigu određena je mjerenjem sile kidanja pojedinačnog lista iz knjižnog bloka. Ispitivanje je provedeno je na uređaju Martini Tester, Type VA.

• zupci za pričvršćivanje
• gumb za oslobađanje pritiskivača
• vijak za fiksiranje pritiskivača
• pritiskivač
• prorez za centriranje
• hvatač lista
• zatvarač hvatača lista
• oznaka kontrole pričvršćivanja lista
• skala
• mjesto za podmazivanje
• isključenje vage
• fleks prekidač
• prekidač za povrat pokazivača
• pokretanje pokazivača za statičko ispitivanje
• uklop / isklop
• stop prekidač
• brojač listanja
• kućište
• stol za pričvršćivanje knjige
• zrcalo

Slika 1. Martini Tester, Typ VA

Ispitivanje čvrstoće slijepljenosti  pojedinačnih listova knjižnog bloka provedeno je po strogo određenom redu. Budući da ne postoji standard o kvaliteti čvrstoće knjižnog bloka za određenu kategoriju knjiga, za određivanje kvalitete slijepljenosti uzeta je međunarodno priznata tablica vrijednosti čvrstoće slijepljenosti pojedinog lista knjižnog bloka koje preporučuje Adhesive Products from Illinois (SAD).

Tablica 1. Vrijednosti preporučenih kvaliteta mehaničke čvrstoće knjižnog bloka prema Institutu Adhesive Products from Illinois (SAD)

Tehnologija izrade mekouvezane knjige

Industrijska proizvodnja klasičnog mekog uveza (perfect binding) ima dominantnu ulogu u odnosu na ostale tehnologije mekog uveza. Protočnost tehnologije mekog uveza osigurana je linijom za meki uvez knjiga koja se sastoji od stroja za sabiranje i stroja za meki uvez. Na stroju za sabiranje formira se knjižni blok a na stroju za meki uvez rade se neizostavne operacije: obrada hrpta knjižnog bloka, čišćenje papirne prašine, nanos ljepila na hrbat knjižnog bloka, izrada utora na koricama, sljepljivanje korica i knjižnog bloka. Pobrojani tehnološki koraci su automatizirani i tijekom rada ne mogu se mijenjati, za kvalitetan proizvod prije rada je potrebno dobro podesiti stroj kako bi pobrojane operacije dale optimalne rezultate. Stoga je ovaj model uveza prihvatljiv sa aspekta brzine, kvalitete i ekonomičnosti.
Model uveza one-shot process uključuje nanos hot melta na obrađeni hrbat knjižnog bloka i uljepljivanje knjižnog bloka u korice. Mehanička čvrstoća knjižnog bloka neposredno prema dosadašnjim iskustvima ovisi o odnosu ljepila i papira. Stoga se kvaliteta meko uvezane knjige mora promatrati i sa fizikalno-kemijskog aspekta. Kvaliteta veze između knjižnog bloka i korica ovisi o djelovanju sila kohezije unutar jedne tvari  i sila adhezije između dviju različitih tvari. Sa fizikalnog aspekta to je mehanizam lijepljenja koji se temelji na pojavama penetracije i fizikalne adsorpcije neposrednim djelovanja van der Waals sila u međudjelovanju hot melta i obrađenog hrpta knjižnog bloka.
Papir, osnovni sastojak sastoji se dominantno od celuloznih vlakana, a ovisno o vrsti i načinu obrade vlakana te korištenim dodacima kao što su punila, keljiva, premazi i sl. Hrapavost površine i debljina papira definitivno su parametri koji imaju utjecaja na mehaničku čvrstoću knjižnog bloka. Struktura papira je nehomogene građe jer su celulozna vlakna međusobno isprepletena i postoje mnoge pukotine koje nazivamo porama. Intenzitet hrapavosti površine papira određen je brojem pora u papiru i ima neposredan utjecaj na kvalitetu lijepljenja. Karakteristika hrapavosti papira isključivo ovisi o površinskoj distribuciji celuloznih vlakana (x-y direction) pri strojnoj izradi papira, može biti u uzdužnom (machine direction) ili pak poprečnom (cross direction) smjeru.
Mehanička svojstva papira pri djelovanju vlačne sile (z-direction tensile) ovise o površinskoj distribuciji celuloznih vlakana  i uzdužnom presjeku papira. Debljina papira ili uzdužni presjek (z-direction) je udaljenost između prvog i posljednjeg sloja isprepletenih celuloznih vlakana u papiru. Dakle mehanička čvrstoća papira isključivo ovisi o kemijskoj interakciji, dimenziji, čvrstoći, orijentiranosti i stupnju isprepletenosti celuloznih vlakana u papiru, (Slika 2.)

Slika 2.  a) Mikroskopski prikaz celuloznih vlakana i pora na površini papira
  b) Površinska distribucija celuloznih vlakana i porozitet papira

Papiri se oplemenjuju premazivanjem sa jedne ili obje strane s ciljem poboljšanja njegovih tiskovnih karakteristika u višebojnom tisku. Premaz je disperzna faza čvrstih pigmenata anorganskog podrijetla u tekućem polimernom vezivu lateksa ili škroba. Uslijed penetracije hidrofobnog polimernog veziva u celulozna vlakna i taloženja čestica pigmenata u pore papira nastaju elementarne promjene u fizikalno-kemijskim karakteristikama papira. Intenzitet hrapavosti papira se smanjuje porastom udjela čestica pigmenata u polimernom vezivu. Anorganski pigmenti u papiru imaju neposredan utjecaj na promjenu uzdužnog presjeka papira (z-direction), proporcionalno raste debljina papira s njihovim količinskim udjelom. Hidrofilna karakteristika celuloznog vlakna je doprinos mehanizmu lijepljenja pri upotrebi hot melt ljepila. Hidrofobna karakteristika disperzne faze polimernog veziva u premazu ima negativan utjecaj na mehanizam lijepljenja pri upotrebi hot melt ljepila.
Hot melt je 100 % kruta termoplastična tvar, polimer etilen vinil acetat kopolimer (EVA) se najčešće koristi u industrijskoj proizvodnji hot melta (HMA).
Kopolimer EVA pokazuje dobra fizikalna svojstva s obzirom na otvoreno i zatvoreno vrijeme sušenja ljepila. Otporan je na pucanje pri djelovanja relativno niskih temperatura. Kruta ljepljiva smola, vosak, plasticizeri, punila i antioksidansi nalaze se u ljepilu. Reološke karakteristike ljepila određene su isključivo količinskim udjelom smole i voska i na taj način imaju izravan utjecaj na mehaničku čvrstoću knjižnog bloka. Kruta ljepljiva smola ostvaruje neraskidivu vezu između ljepila i papira mehanizmom mehanical interlocking lijepljenja. Dakle, reološka karakteristike ljepila (viskoznost) ovise o fizikalno-kemijskim karakteristikama voska i porastom količinskog udjela voska. Porastom količinskog udjela voska smanjuje se viskoznost ljepila.

2. EKSPERIMENTALNI DIO
2.1 Pristup problemu
Predmet istraživanja je čvrstoća meko uvezane knjige. Čvrstoća meko uvezane knjige ispituje se pomoću kidalice Martini Tester, Type VA. Vrijednosti izmjerenih sila kidanja pojedinih listova iz knjižnog bloka statistički se obrađuju a rezultat je srednja vrijednost svih dobivenih čvrstoća u jednoj knjizi. Ta srednja vrijednost prema tablici 1. određuje kategoriju kvalitete knjige. Osnova eksperimentalnog dijela je u određivanju utjecaja na silu kidanja različitih kvaliteta najčešćih gramatura papira od kojih se izrađuju meko uvezane knjige. Temeljni interes u ovom istraživanju je odrediti onu vrstu papira koja pri jednakim tehnološkim parametrima obrade hrpta knjižnog bloka i uz primjenu iste vrste ljepila daje najbolje rezultate.

2.2 Korišteni materijali i uređaji
Istraživanje kvalitete meko uvezane knjige provedeno je na četiri različite vrste papira. Meko uvezanu knjigu čini knjižni blok koji je preko hrpta na kojeg je naneseno ljepilo ulijepljen u korice. Papir za izradu knjižnog bloka u istraživanju definiran je prema kriteriju najčešće upotrebljavanih papira. Odabrani papiri dani su u tablici 2.

Tablica 2. Odabrani papiri i njihove karakteristike

Pri uvezivanju knjiga korišteno je hot melt ljepilo kataloške oznake Planatol HM 6010 proizvođača Planatol.
Od svake vrste papira izrađeno je 100 primjeraka lijepljene meko uvezane knjige formata 150 x 210 mm u opsegu od 128 stanica (8 knjižnih slogova po 16 stranica) odnosno 64 lista u knjižnom bloku. Prije neposrednog uljepljivanja knjižnog bloka u jednodijelne kartonske korice definirani su tehnološki parametri visine rezanja hrpta knjižnog bloka od 3 mm, dubina poprečnih ureza u hrptu knjižnog bloka od 0,4 mm, temperature ljepila 130 stupnjeva Celzijusa, debljine nanosa ljepila je 0,8 mm uz bočni nanos 1 mm ljepila na prvi i zadnji list knjižnog bloka kao što je prikazano na slici 3.

Slika 3. Prikaz redoslijeda tehnoloških operacija obrade hrpta knjižnog bloka

Tehnološki proces uvezivanja knjiga proveden je na stroju za meki uvez Muller Martini, Pony 5, uz brzinu rada 900 primjeraka/sat (sl. 4.)

Slika 4. Shematski prikaz rada stroja GRAPHA Hans Muller AG ZOFINGEN CH, Type: RBJ – 5 NR 84149-F      (Pony 5)

Slučajnim odabirom iz ukupne naklade od svake vrste papira izabrano je 10 uzoraka meko uvezanih knjiga na kojima je provedeno ispitivanje čvrstoće slijepljenosti. Metodom statičkog opterećenja izmjerene su sile kidanja pojedinačnog lista papira iz knjižnog bloka u istim uvjetima rada. Kidani su 1., 9., 17., 24., 31., 35., 42., 50., 57. i 64. list iz knjižnog bloka. Dobivene vrijednosti sila kidanja koje su očitane na skali uređaja dane su u tablicama 2. do 5. Vrijednost sile kidanja lista svedena je na jediničnu silu [N/cm] hrpta knjižnog bloka, a time se osigurava usporedivost rezultata. U našem slučaju to nije važno jer su sve ispitivane knjige jednakih dimenzija. Jedinične vrijednosti rezultata omogućuju uspoređivanje s knjigama različitih visina knjiga. Iz ukupnih rezultata mjerenja čvrstoće knjižnog bloka i to za svaku vrstu papira određena je aritmetička sredina i standardna devijacija (odstupanje od srednje vrijednosti). Dobivene aritmetičke sredine sile kidanja lista iz knjižnog bloka uspoređene su s rezultatima iz tablice 1.
Dakle dobiveni rezultati čvrstoća knjižnog bloka meko uvezanih knjiga vrednovani su na temelju preporučenIh ocjena Adhesive Products Instituta from Illinois (SAD).

Rezultati istraživanja navedeni su u tablicama 3, 4, 5 i 6. i prikazuju sile kidanja listova iz knjižnog bloka metodom statičkog ispitivanja. U tablicama su navedene pojedinačne vrijednosti sila kidanja u odnosu na redni broj lista u knjižnom bloku i redni broj uzorka u nakladi određene vrste papira.

Tablica 3. Prikaz vrijednosti sile kidanja lista papira iz knjižnog bloka za papir Amber graphic 80 g/m2

Tablica 4. Prikaz vrijednosti sile kidanja lista papira iz knjižnog bloka za papir Amber graphic 100 g/m2

Tablica 5. Prikaz vrijednosti sile kidanja lista papira iz knjižnog bloka za papir Maxi gloss 115 g/m2

Tablica 6. Prikaz vrijednosti sile kidanja lista papira iz knjižnog bloka za papir Maxi satin 150 g/m2

DISKUSIJA REZULTATA

Već se na prvi pogled uočava da je najbolje čvrstoće knjižni blok izrađen od Amber graphic 100 g/m2 s visokih 10,38 [N/cm] vidljivo u tablici 4. Najlošiji rezultat pokazao je papir Maxi gloss 115 g/m2 s malih 4,93 [N/cm], tablica 5. U sredini se nalaze Maxi satin 150 g/m2 s 6,60 [N/cm], tablica 6. te Amber graphic 80 g/m2 s 8,57 [N/cm] vidljivo iz tablice 3. Prikažemo li ove rezultate u dijagramu 1. vidimo da gotovo linearne krivulje pada čvrstoće meko uvezanih knjiga. U tablici 7. prikazane su usporedne vrijednosti i očitanje kvalitete prema tablici 1.

Tablica 7. Rang kvalitete ispitivanih papira

Grafikon 1. Pikaz srednjih vrijednosti čvrstoća knjižnog bloka

Jednoznačno se zaključuje da su bezdrvni papiri neusporedivo bolji za lijepljenje sa taljivim ljepilom pri mekom uvezu od premazanih papira. To je iz iskustva bilo i za očekivati. Analizom pak pojedinačnih kidanja i njihovim slikovnim prikazom vidi se da su rubovi (glava i noge knjige) bolje slijepljeni od sredine. Uzroci toga mogu biti različiti. Tako npr. uzrok boljeg sljepljivanja nogu i glava knjiga može biti nepodešenost stroja, neizbježno rahljenje knjižnog bloka prilikom „frezanja“ poprečnih utora u stroju za meki uvez, početni i završni veći sloj nanošenja ljepila valjkom u stroju za meki uvez.  No jednoznačni se odgovor može dobiti tek nakon detaljnog proučavanja tog fenomena.
Vrijednosti sila kidanja u tablicama 3, 4, 5 i 6 prikazane su u grafikonu 2, 3, 4 i 5 za svaku vrstu papira. Na grafikonu 2a, 3a, 4a, 5a prikazane su vrijednosti aritmetičkih sredina sile kidanja, minimalna i maksimalna standardna devijacije i  uspoređene su s rezultatima iz tablice 1.

Grafikon 2: Rezultati ispitivanja čvrstoće knjižnog bloka za papir Amber graphic 80 g/m2

Grafikom 2a: Odstupanja vrijednosti sile kidanja lista za papir Amber graphic 80 g/m2

Grafikon 3: Rezultati ispitivanja čvrstoće knjižnog bloka za papir Amber graphic 100 g/m2

Grafikom 3a: Odstupanja vrijednosti sile kidanja lista za papir Amber graphic 100 g/m2

Grafikon 4: Odstupanja vrijednosti sile kidanja lista za papir Maxi gloss 115 g/m2

Grafikon 4a: Odstupanja vrijednosti sile kidanja lista za papir papir Maxi gloss 115 g/m2

Grafikon 5: Odstupanja vrijednosti sile kidanja lista za papir Maxi satin 150 g/m2

Grafikon 5a: Odstupanja vrijednosti sile kidanja lista za papir Maxi satin 150 g/m2

5. ZAKLJUČCI

Na osnovi dobivenih rezultata ranga kvalitete ispitivanih papira prikazanih u tablici 7. može se zaključiti kako bezdrvni papiri imaju veću ocjenu kvalitete uvezivanja u odnosu na premazne papire.  Amber graphic 100g/m2 bezdrvni papir pokazuje 21,12% veću vrijednosti sile kidanja lista iz knjižnog bloka u odnosu na bezdrvni papir Amber graphic 80g/m2. Zaključuje se kako su izmjerene visoke vrijednosti sile kidanja rezultat iznimno velike površinske hrapavosti i debljine odnosno gramature papira. Stoga je intenzitet penetracije hot melt ljepila u papir iznimno velika neposredno nakon mehaničke obrade hrpta knjižnog bloka.
Usporedbom rezultata ispitivanja bezdrvnog i premaznog papira primjećuje se kako bezdrvni papir manje gramature (Amber graphic 80 g/m2) pokazuje 29,85% veću vrijednost sile kidanja u odnosu na premazni papir Maxi satin 150g/m2. Isto tako premazni papir Maxi satin 150 g/m2 pokazuje 33,87% veću vrijednost sile kidanja u odnosu na premazni papir manje gramature Maxi gloss 115g/m2 .  Nizak rang kvalitete uvezivanja isključivo ovisi o površinskom premazu na papiru. Premaz čine anorganske čestice pigmenata dispergirane u polimernom vezivu. Pri mehaničkoj obradi hrpta knjižnog bloka čestice premaza zaostaju i ne postoji optimalna penetracije ljepila u hrbat knjižnog bloka. Hot melt ljepilo i polimerno vezivo hidrofobnih su karakteristika što ima negativan utjecaj na kvalitetu sljepljivanja knjiga.