3a. Kovové materiály.
3a. Kovové materiály. Obecné vlastnosti kovů, zastoupení chemických prvků kovového charakteru v periodickém systému, elektrochemické vlastnosti kovů, kovy a slitiny používané v polygrafii, přehled aplikací kovů v jednotlivých tiskových technikách.
Převážná většina prvku vykazují kovový charakter, takže asi ¾ prvků v periodické soustavě jsou kovy. Kov má v úzkých bodech krystalické mřížky katyonty příslušného kovu. Valenční elektrony jsou poměrně volné v krystalické mřížce a říkáme jim delokalizované, protože nemají přesné umístění. Jejich delokalizace je způsobená, tím že jich mají kovy nedostatek, a proto se rozprostřou rovnoměrně po celé mřížce jako tzv. elektronový plyn. Struktura kovu ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti kovu. Mezi fyzikální vlastnosti kovů patřínapětí a deformace, tvrdost kovu, pevnost a houževnatost kovu, hustota, teplota tání, elektrická vodivost, tepelná vodivost, fotoelektrická emise a lesk. Napětí a deformace, což je soubor sil, které způsobují změnu rozměru a tvarů. Při deformaci kovu se roviny krystalických mřížek i jednotlivé atomy oddalují nebo přibližují, a tím se těleso deformuje. Tvrdost kovu je odolnost kovu proti otlačování cizího tělesa. Pevnost a houževnatost kovu je napětí, při kterém se kov zlomí, nebo-li naruší se soudržnost krystalické mřížky. Hustota kovu závisí na hmotnosti atomů a na jejich vzájemné vzdálenosti v krystalické mřížce. Teplota tání, říká že za studena kmitají atomy kovů kolem svých rovnovážných poloch v krystalické mřížce, pokud se kov zahřeje, výchylky atomů se zvětší natolik, že atomy opouštějí svá místa. To se provuje rozpadem krystalické mřížky, kov taje. Pokud kov necháme zchladnout, krystalická mřížka se postupně obnoví.
Mezi chemické vlastnosti kovů patří především odolnost proti atmosferické a chemické korosi, shopnost kovů vytvářet sloučeniny a jejich reaktivita. Všechny tyto vlastnosti vyplývají ze struktury kovů. Především z nedostatku elektronů. Kovová vazba se vytváří pouze mezi atomy kovu, tato vazba vypadá tak, že katyonty kovu jsou umístěny v uzlových bodech krystalické mřížky a valenční elektrony se mezi nimi pohybují ve formě tzv. elektronového plynu. Takováto vazba se nazývá delokalizovaná, protože nemá přesně umístěné valenční elektrony. Koordinační kovalentní vazba, je vazba, kde poskytuje vazebný elektronový pár pouze jeden z vázaných partnerů u vazby s kovy je to vždy nekovový partner. Tak vznikají koordinační sloučeniny. Elektrochemické vlastnosti jsou vlastnosti díky, které kov vykazuje kladný nebo záporný potenciál při porovnání se srovnávací elektrodou, tato elektroda je vodíková. Pokud daný kov vykazuje kladnou odchylku, patří mezi ušlechtilé kovy. Pokud danný kov vykazuje zápornou odchylku, je kovem neušlechtilým, tzn málo odolným vůči korozi. Na základě elektrochemické vlastnosti byla vytvořena tzv. Becketova řada. Olefilnost je schopnost přitahovat organické látky, hydrofilnost je schopnost přitahovat vodu. Oleofilnost i hydrofilnost jsou velmi důležitou vlastností kovů. Kovy, které vytvářejí oxidy s polární vazbou na sebe vážou sloučeniny s polárními molekulami. Kovy, které tvoří nepolární oxidy, na sebe vážou sloučeniny s nepolárními molekulami. Na základě těchto jevů je v polygrafii založena selektivita tisknoucích a netisknoucích míst v ofsetu.
Kovy se výrábí přímou a nepřímou redukcí, aluminotermicky u kovů, které reagují ve velmi čisté podobě nebo pokud je kov velmi reaktivní nebo elektrolýzou, pokud chceme získat kov ve velmi čisté podobě nebo je kov velmi reaktivní.
Periodický sytém obsahuje dvě základní skupiny kovů. První skupina jsou kovy P-bloku, kam patří všecghny nepřechodné kovy a druhou skupinu kovů nazýváme kovy D-bloku, kam patří všechny přechodné kovy. Písmena P a D označují valenční elektrony a jeich umístění v kovech.
Mezi kovy P-bloku patří:
Hořčík, nachází se ve II.A skupině periodického systému, v přírodě se nachází v magnesitu nebo dolomitu, je to lesklý, stříbrobílý kov a je velmi málo odolný vůči korosi. V polygrafii se využívá především ve slitinách např. Ve flexotisku. Dá se vyrobit elektrolýzou nebo redukcí a je velmi hořlavý.
Hliník, nachází se ve III.A skupině, v přírode se nachází v bauxitu a kryolitu, je to lehký, stříbrolesklý kov, měkký a dobře vede elektrický proud a teplo, je kujný a tažný a na vzduchu se potahuje svým oxidem, proto je odolný vůči korosi, v polygrafii se využívá především v ofsetu.
Křemík, nachází se ve IV.A skupině, v přírodě se nachází v křemenu, je to polovodič a velmi stabilní prvek, s ostatními prvky se slučuje až za vysokých teplot. Dá se vyrobit redukcí a v polygrafii se využívá v mikrolitografii.
Cín, nachází se ve IV.A skupině, v přírodě se nachází v kazideritu, je to bílý, stříbrolesklý kov, je měkký a kujná a tažný a nekoroduje. Vyrábí se redukcí a za nizkých teplot se mění v šedý cín. Využívá se hlubotisku na valci pří výrobě tiskové jamky vypalováním laserem.
Olovo, v přírodě se nachází v galenitu, je to měkký kov, který velmi špatně vede teplo a lektrický prou, je odolný vůči korozi a je kujný za tepla i za studena, je velmi jedovatý.
Kovy D-bloku:
Železo, nachází se v VIII.B skupině, v přírodě se nachází v krevelu nebo hnědelu nebo pyritu, je to stříbrolesklý kov, který je málo odlný vůči korosi, je velmi křehký, a proto se zpracovává především na ocel, používá se na stroje v polygrafii atd., protože železo tvoří základ.
Chrom, nachází se v VI.B skupině, v přírodě se nachází v chromitu, vyrábí se aluminotermicky nebo dalšími reakcemi s křemíkem, je to lesklý, namodralý kov, je tvrdý a odolný vůči korozi. Váže na sebe vodu, čili je hydrofilní. V polygrafii se používá jako ochrana mědi na hlubotiskových válcích.
Nikl, ptří do triády železa v VIII.B skupině, v přírodě se nachází ve sloučeninách jako je nikelin, je to stříbrolesklý kov s nádechem do žluta, je tvrdý a odolný vůči korosi. Využívá se na hlubotiskové válce jako vrstva, která spojuje ocelové jádro s vrstvou mědi.
Měď, nachází se v I.B skupině, v přírode se vyskytuje v chalkopyritech, je to červenolesklý kov, měkký a odolný vůči korosi, pokrývá se tzv. měděnkou, vede dobře elektrický proud a teplo, je kujný a tažný a polygrafii se využívá na hlubotiskové válce, kde se leptá chloridem železitým a tak se vytvářejí tiskové body.
Zinek, patří do triády zinku v II.B skupině, v přírodě se vyskytuje ve sfaleritu, je to stříbrolesklý kov s nádechem do modra, vyrábí se elektroliticky, dobře se odlévá a tvaruje, používá se na hlubotiskové válce, u kterých se vypalují tiskové body laserem nebo se do něj vyleptávají štočky.
Stříbro, nachází se v I.B skupině, je to triáda mědi, je to stříbrolesklý kov, měkký, kujný a tažný, je odolný vůči korozi a reaguje se sloučeninami síry, např. Vzniká sulfid stříbrný, což způsobuje černání stříbra. V polygrafii se využívá sloučeninách, které redukcí na stříbro umožňují vytvoření obrazu na fotografiích.
Kovy vytváří směsy s dalšímy prvky a vznikají slitiny. Podle počtu prvků dělíme slitiny na binární, ternární a kvarterní. Každá slitina je tvořena složkami a fázemi. Složka je chemicky čistá látka, jejiž koncentraci lze v různých fázích nezávile měnit. Fáze je geometricky oddělená homogenní část soustavy, která má od svého okolí rozdnílné fyzikální vlastnosti.
V polygrafii jsou slitiny velmi důležíté a dost používáné.
Mezi slitiny v polygrafii patří:
Ocel a litina, jsou to slitiny železa, které se liší obsahem uhlíku. Ocel obsahuje 2% uhliku a litina nad 2= uhlíku. Ocel při zahřívání pozvolna měkne a dá se dobře opracovávat. Litina však taje náhle, není kujná a dá se zpracovávat pouze odléváním. Existují dvě formy litiny a to bílá, která obsahuje uhlík v podobě karbidu železa a šedá, která obsahuje uhlík v podobě jemně rozptýleného grafitu. Ocel vyrobená bez přísad se nazývá uhlíková. Častěji se však využívá ocel s příměsemi a těm se říká legování. Jako příměsy se používají např. Mangan, chróm, zinek atd.
Písmovina, je terární slitina olova, antimonu a cínu. Žádný kov nelze použít samostatně, olovo a cín mají sice dostatečně nízkou teplotu tání, jsou však příliš měkké. Antimon je dostatečně tvrdý, avšak je velmi křehký. Při kombinaci těchto kovů dostáváme ideální vlastnosti pro výrobu liter. Nevýhodou písmoviny je vysoká toxicita olova a antimonu. Využívá se v knihtisku na výrobu liter.
Mosaz, je binární slitina mědi a zinku, je pevnější než měď a dobře se opracovává. Její povrch je oleofilní, čehož se v minulosti využívalo na výrobu polymetalických ofsetových forem. Dnes se používá na výrobu štočků a v metalických barvách v podobě mosazného prášku k imitaci zlatého lesku. Existují různé odstiny podle podílu mědi a zinku.
Elektron, je kvarterní slitina hořčíku, manganu, zinku a hliníku, základem je hořčík až 95%, tato slitina je tvrdá, dobře se leptá a je rozměrově stálá. Pevnost slitiny zvyšuje hliník a zinek, mangan snižuje hořlavost. Nevýhodou slitiny je, že je náchylná ke korozi, především chemické, proto pokud se používá na barvotisky, musíme dávat pozor na Phbarvy, nesmí být kyselé. Využívá se také na várobu štočků.
V polygrafii se na úpravu kovových materiálů využívají především elektrochemické reakce, které probíhají v elektrolyteh za průchodu střídavého nebo stejnosměrného proudu. Při průchodu střídavého proudu se střídavě vyměňuje a rozpouští kov elektrody, tohoto jevu se využívá při elektrochemickém zdrsňování. Účinkem stejnosměrného proudu dochází k vylučování kovu na elektrodě a tohoto jevu se využívá při elexování. Vylučování iontů z roztoku nebo taveniny elektrolytu účinkem vnějšího elktrického napětí, vloženého na dvě elektrody, se nazývá elektrolýza. Elektrolyt je látka, která v roztaveném stavu nebo ve vodném roztoku vede elktrický prou a při elektrolýze podléha rozkladu. Podle toho jak elektrody podléhají při elektrolýze chemickým změnám je rozdělujeme na ineryní a aktivní. Aktivní chemickým změnám podléhají. A podle toho zad k sobě elektrody poutají kationty nebo anionty, je dělíme na katody a anody. Nádoba, která obsahuje elektrolyt a elektrody je označována jako elektrochemický článek. Při průchodu proudu elektrolytem reagují elktrony, které se nemohou volně pohybovat v roztoku elektrolytu, s částicemi roztoku. Na záporné elektrodě (katodě) se s nimi slučují a na kladné elektrodě (anodě) se z nich uvolňují. Reakce, při nichž částice příbírají elektrony se nazývá redukce a reakce, při které se elektrony odevzdávají je oxidace. Elektrolýza se řídí Faradayovými zákony. Na základě 1. zákona se dá stanovit jaká vrstva se kam vyloučí za stanovenou dobu, platí totiž, že hmotnost kovu, který se vyloučí na elektrodě, je přímo úměrný prošlému náboji. 2. zákon říká, že látkové množství různých kovů vyloučených při elektrolýze stejným nábojem je elektrochemicky ekvivalentní.
U tisku z hloubky využíváme galvanické pokovování, je elektochemiká reakce, která probíhá v elektrolytech při průchodu stejnosměrného proudu. Účinkem stejnosměrného proudu dochází k vylučování kovu na elektrodě. Nejprve na ocelové jádro válce naneseme tenkou vrstvu niklu, tomuto procesu říkame galvanické niklování, tato vrstva slouží k uchycení ostatních galvanicky nanášených vrstev, které tvoří hlubotiskový válec. Galvanické niklování se provádí klasickou elektolýzou v galvanických vanách, jako elektrolyt se používá roztok síranu nikelnatého plus další přísady jako kumarin a další organické látky, které zvyšují lesk kovu, součástí elektrolytu je také chlorid sodný a kyselina trihydrogenboritá. Na niklovou vrstvu se galvanicky nanáší vrstva mědi, v minulosti se v polygrafii využívalo alkalické mědění kyanidové, kde se jako elektrolyt používal kyanid měděný, ale díky vysoké jedovatosti byl tento postup nahrazen elektrolýzou kyslíkem měděníku v galvanických vanách, přičemž jako elektrolyt se používá síran měďnatý s kyselinou sírovou, v součastnosti se vrstva mědi nanáší ve dvou procesech, nejprve se nanesene stabilní vrstva a po té pracovní. Teré se říká Ballardova vrstva, která se v případě opotřebení sloupne a znovu se nanese, a tím se šetří náklady hlubotisku. Po nanesení měděné vrstvy se provádí leptání tiskových bodů, jamek. Měď se leptá chloridem železitým. Na vyleptanou měděnou vrstvu se galvanicky nanáší vrstva chromu, provádí se elektrolýzou v galvanických vanách a slouží jako ochrana měděné vrstvy před poškozením.
U tisku z plochy využíváme elektrochemické zdrsňování. Je to proces, který umožňuje rovnoměrné zdrsnění ofsetových desek za účelem snadnější aplikace světlocitlivé vrstvy. Tento proces nahradil mechanické zdrsňování, elektrochemické zdrsňování je speciální druh elektrolýzi za průchodu střídavého proudu, v praxi se jako elektrolyt využívá rzotok kyseliny chlorovodíkové, dusičné a trihydrogenfosforečné, proces zdrsňování probíhá ve čtyřech fázích, nejprve se vytvoří zárodek zdrsňování, poté se zárodek rozrůstá, pak dochází k rovnoměrnému zdrsnění a nakonec vzniknou malé černé body na povrchu desky.
Tisk z plochy využívá také elexování, což je umělé nanášení oxidu na povrch hlinikové desky za účelem lelpší přijímavosti vody. Jako elektrolyt se používá roztok kyseliny sírové nebo roztok kyseliny trihydrogenfosforečné, nežádoucím jevbem je však zadržování vody a oxidu hlinitého v polích. Tím ztrácí povrch hydrofilní vlastnosti a to se může projevit tónováním tiskové barvy na netisknoucích místech.
