印刷油墨的流動性及其測定方法

1、印刷油墨的流動性及其測定方法先從油墨的流動性來考慮印刷油墨是將顏料和其它填充料的固體粒子 分散于液狀的連結(jié)料中制成的，呈現(xiàn)著復雜流動性的濃分散體系 而且，近年來 以樹脂溶于溶劑的液體作為連結(jié)料來代替沿用已久的干性油， 而由于連結(jié)料本身 已經(jīng)呈現(xiàn)復雜的流動性，所以更加棘手概括說來，它們表現(xiàn)出非牛頓流動而顯 示假塑性即增加切變速度，則表觀粘度變小然而，不同的印版方式，大體上 以通常方法所測粘度值來規(guī)定。印刷已是被高度機械化了的技術，所以印刷油墨的質(zhì)量也需要很好地控制， 從這個意義上，也可以說，對印刷油墨流變學的研究是分散體系中最有進展的內(nèi) 容之一測定印刷油墨的流動性，主要是用旋轉(zhuǎn)型粘度計和平行板壓

2、縮粘度計前 者尤適于非牛頓流動、觸變性的研究，后者用于塑性流動的研究毛細管型和落 球型的粘度計與這些相比，在原理上因流動狀況復雜，所以對于象印刷油墨這種 表現(xiàn)復雜流動性的材料的研究是不適用的旋轉(zhuǎn)粘度計最普遍使用的是共軸雙層圓筒型， 以一定速度旋轉(zhuǎn)外筒測定 作用于內(nèi)筒的轉(zhuǎn)矩的Couette型粘度計.其中尤以Green的粘度計最有名.此外, 簡便的測定，常用 Brookfield 型的粘度計。這是以一定的角速度旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒，借助 裝在旋轉(zhuǎn)軸上的彈簧，測定作用于內(nèi)筒的轉(zhuǎn)矩.Fischer使用了靠滑輪和重錘給內(nèi)筒施加一定的轉(zhuǎn)矩，以測定內(nèi)筒所示的旋轉(zhuǎn)速度的Stormer型粘度計。這種粘度計特別適于旋轉(zhuǎn)速度小

3、的情況不管使用哪一種類型，用共軸雙層圓筒型粘度 計所得的表觀切變速度 D 和切變應力 T 的關系如下式：D = 2Q / 1(R1 / R2)2(1)T = M / 2 n Rh(2)式中Q是內(nèi)筒、外筒的相對角速度，M是旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，Ri、R2是內(nèi)筒、 外筒的半徑，h是液層的高度(內(nèi)筒浸于液中的深度)表觀粘度N由下式求得：N = T / D(3)象印刷油墨那樣的非牛頓性物質(zhì)，不只是測定表觀粘度，還可用實際測 出的Q和M，根據(jù)式(1)、(2)來計算T、D,然后從表示這些關系的D叫曲線上 作圖上微分，以求得真實的粘度但是，平常表示非牛頓性，用表觀粘度就足夠 了最近被重視的旋轉(zhuǎn)粘度計，是由裝在同軸上的

4、圓錐和平板構(gòu)成的類型 這種 類型的粘度計的特點是試樣用得很少，試樣中的切變速度的分布比較均勻這時， 若圓錐和平板之間的角小時，切變速度D和切變應力T可用下式表示：D = Q /可以認為在物質(zhì)內(nèi)是一定的式中 Q是圓錐和圓板的相對角速度，M是旋 轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩， R 是圓板的半徑。表觀粘度仍可由式 (3)求出旋轉(zhuǎn)粘度計給予試樣以種種的切變速度， 適用于弄清表觀粘度的切變速 度依賴性，即非牛頓性此外，使試樣繼續(xù)流動，可以立刻測得粘度的時間依賴 性總之，可用于研究觸變性可是，經(jīng)長時間的連續(xù)流動，在試樣中會積蓄因 粘性(即內(nèi)部摩擦 )而發(fā)生的熱，使試樣的溫度上升在多數(shù)情況下，粘度因溫度 的上升而發(fā)生顯著的變化

5、 (雖然可以校正某種程度的溫度上升的效應 )，盡量注意 要少使溫度上升象油墨這種濃分散體系， 在粘度計中， 與試樣接觸的金屬面上， 從顏料 分離出來的連結(jié)料形成潤滑層， 以高的切變速度表示滑動的效應， 也有補償這個 效應的嘗試如能做到的話，在金屬面劃以槽溝以增加摩擦盡量使之不產(chǎn)生滑動平行板壓縮型粘度計是將高h、半徑a的圓筒形試料夾于兩塊金屬(或玻 璃)圓板之間，當在上面的圓板上施加了一定的載荷F 時，測定兩塊圓板的間隔減小下來的速度(-dh/dt或試樣半徑的增加速度(da/dt);以求表觀粘度.這時，表觀的切變速度D和切變應力T,近似地可用下式表示：D=3(V/ n)(-dh/dt)/h2/5

6、=(6 /V)a2(da/dt)(6)T=2F(V3) 2/1h2/5=(2FV/ n)(1 /a5)(7)因此，表觀粘度為：N=T /D=(2 n / 3V2)h5/(-dh/dt)=FV2/3/)*1/ a7(da/dt)(8)式中假定試樣的體積V=na2h 定.將式 (8)積分，得：1/h4- 1/ho4=(8 n/3NV2)(9)和a sd8=(8V2F/ 3N)t(10)式中丸ho、ao分別是時間t=0時的試樣圓筒的高度和半徑.利用這個式子， 求出h或a的時間變化，就能算出表觀粘度 N。但是，要導出、式子，用 了相當?shù)慕铺幚恚?之所以用這個方法來求表觀粘度， 從原理上說， 和使用旋

7、轉(zhuǎn) 粘度計一樣，不能算是嚴密的.由式 (6)、 (7)可知，用這種類型的粘度計時，切 變速度D和切變應力T隨時間而逐漸發(fā)生變化。因此，替換 F，測量一dh/dt 和da/dt,則可求得D和T的關系，但必須選擇h或a進行比較.所以，也不 能說是探討非牛頓性的很適當?shù)姆椒ā?但是，這個裝置適于如下所述的塑性的研 究。1 、塑性流動使用這些粘度計， 對多數(shù)的油墨所求得的切變速度 D 和切變應力 T 的關系， 一般屬于非牛頓流動的一種類型，稱做假塑性流動.這時，由式(3)求出的表觀 粘度，當D(或T)大時就變小有一種印刷油墨理想化，這種類型的流動被稱為 Bingham 塑性流動。一般，塑性流動的特征是

8、，在于切變應力 T 不超過 f 值，并不開始流動而 Bingham 流動則是流動一旦開始， T 和 D 之間就變成下式關系。(T f) / NpiT fD =(11)0T f式中f是屈服值，Npi稱為塑性粘度。這時的粘度也可由式(3)得出，所以 ( 11 )變成：Npi + f / DT fN = ( 12 )xT fD 愈小粘度就愈大，當 T 2 nR2hf時，就從內(nèi)筒的周圍開始流動，但靠近外筒的部分不流動在 這種狀態(tài)下， D 和 T 之間的關系由下式表示；D=(1 /Npi)(1 Ri2/ R22) (T 一 f )+f1 nf /T(13)變成由T=f開始的曲線。 若M再大，當M 2 n

9、Rhf (即T f/R22/R12)時， 全體開始流動這時就變成：D=(1/Np1)T 一 2f/(1 一 R12/R22。 )1n(R2/R1)(14)D 和 T 成直線關系稱式 (14)為 Reiner-Riwlin 公式如上所述，若使用旋轉(zhuǎn)圓筒型粘度計，則在 D-T曲線上T大的地方變 成直線，將此外推到T軸上，從截距的值很容易求出f.還有，直線部分的斜率， 從式(14)上可以看出，表示塑性粘度 Np1。至于用圓錐平板型的旋轉(zhuǎn)粘度計，其切變應力 T 達到，時， D 立刻以直 線性增加，其斜率即表示了 NP1，所以這是最簡單的方法.2、觸變性借助旋轉(zhuǎn)粘度計繪制D T曲線時，將D以一定的加速度

10、使之自0直線 地上升，在達到某最大切變速度(Dm)處使之降下，連續(xù)測定其間的 丫，則對于 表現(xiàn)有觸變性的物質(zhì)，即，使 D上升的時候和下降時，DT曲線的位置錯開， 在其間產(chǎn)生滯后回線可以認為，這個回線的大小表示該物質(zhì)的觸變性的大小Green在一定的時間間隔下，通過分段地提高或降低，提出由所得滯后曲線來評價觸變性的方法依這種方法求得的滯后曲線大致為直線。Green認為此直線表示與最大切變速度Dm相對應的物質(zhì)狀態(tài)，所求得的塑性粘度Np1和屈服值 f 表現(xiàn)了物質(zhì)狀態(tài)的變化首先，改變最高切變速度Dm，求與此對應的塑性粘度 Npi時，發(fā)現(xiàn)有如下的關系；N p 1 =constMln D m(15)式中 M

11、 是基于切變速度變化的表示物質(zhì)狀態(tài)變化方式的一種系數(shù)對于旋 轉(zhuǎn)圓筒粘度計，在滯后回線的面積 A和M之間，成立如下的比例關系：A=( n h Rfem2/4)(1 一 Ri2/R22)(16)Green進一步發(fā)現(xiàn)，屈服值f有與Npi同時變化的傾向，對此給出下式：f=constV Np1(17)V 系表示其效應觸變性的特征表現(xiàn)是流動時物質(zhì)的表觀粘度降低， 而將流動的物質(zhì)放置 起來時，表觀粘度再度上升印刷油墨一經(jīng)攪拌，粘度便降低，放置起來粘度又 重新上升，這在前面已經(jīng)講過但是，一般地說，因流動而使粘度降低的速度， 比放置起來恢復原樣的速度要大得多 因此，在本來應該呈現(xiàn)恢復效應的下降曲 線上，幾乎不表

12、現(xiàn)出粘度的變化油墨在調(diào)墨輥上的轉(zhuǎn)移，也在反復進行著流動 和放置，但因放置的時間極短，所以恢復的效應不成其為問題3、粘彈性印刷油墨隨其流動性還呈現(xiàn)彈性即，在流動中迅速地解除應力，就可 看到急驟的彈性恢復，拉曳油墨成絲時，在墨絲斷裂后，拉絲斷頭急驟收縮。這 就是油墨的彈性通常彈性大的液體，容易表現(xiàn)出拉絲性在測定粘度那樣的穩(wěn)定流動條件下，直接觀測不到彈性效應但是，在 旋轉(zhuǎn)型的切變流動條件下，可看到基于彈性的 Weisse nberg效應比如，用圓玻 璃棍插入油墨中轉(zhuǎn)動，油墨就沿棍的周圍往上爬這是因為隨著流動而產(chǎn)生的彈 性形變，對著流動方向，在法線方向 (即從圓周對著旋轉(zhuǎn)軸的方向 )上發(fā)生應力的 緣故

13、這個法線應力在圓筒狀的液層各部分， 等同地作用于內(nèi)側(cè)，而成為系緊存 在于圓筒內(nèi)側(cè)的液層的效應，從而使油墨沿著正中間的棍向上爬。為了探討油墨的粘彈性， Bowles 使用旋轉(zhuǎn)圓筒型粘度計，以一定的切 變速度使油墨保持穩(wěn)定流動，研究急驟停止轉(zhuǎn)動時，隨時間而出現(xiàn)的初期轉(zhuǎn)矩的 衰減狀態(tài)。中川提出在同樣的裝置上給予振蕩性的轉(zhuǎn)矩， 以觀測動態(tài)形變振蕩的 方法，阿知和、古澤、市村及鹽冶等人將其運用到油墨上用這個方法可以求出 比較低頻(0. 01 1c/sec)的動態(tài)彈性率和動態(tài)粘性率.在印刷過程中出現(xiàn)的彈 性效應，往往比這些方法的形變速度更快最簡單地表示粘彈性體的流動，是 Maxwell 給出的式子.即：d

14、 /dt=(1 /G)(d / dt)+ / n(18)式中，t 丫分別是切變應力和切變應變，G，n是切變彈性率和切變粘性率(粘 度).n/G =収稱為松弛時間.當觀測時間t比松弛時間入小時，即在迅速形變的條件下，式(18)的右 邊，第 1項比第 2項大，所以出現(xiàn)的現(xiàn)象幾乎屬于彈性的. 迅速伸長的墨絲在斷 開時，油墨看上去很象是彈性體與此相反，t 時，即在緩慢變形的條件下， 物質(zhì)的行為差不多變?yōu)檎承粤鲃釉谄叫邪逯g，壓潰油墨或是拉曳油墨時的行 為屬于這種流動在印刷的過程中，多數(shù)情況是 t入，所以須考慮油墨的粘 彈性印刷油墨在流動過程中，表現(xiàn)有各種各樣的速度，在最主要的墨輥縫隙 之間的形變，大體

15、為10_3 104sec 1的切變速度在平常的粘度計上呈現(xiàn)的切 變速度，通常是 10102 sec1 的程度，所以流動的樣子可能有很大的不同4、粘 度在兩個固體之間，自產(chǎn)生印刷油墨的薄膜到斷開的過程中，綜合表現(xiàn) 出墨膜所顯示的阻力，稱為粘度從流變學觀點分析粘度，在高速條件下的壓縮、 拉曳的形變，油墨膜的延伸和斷開，在形成墨絲前所觀察到的空洞的發(fā)生及其成 長等，都是有趣的問題最近，對這些過程利用高速攝影進行觀察，已經(jīng)弄清了 它的情況在這種形變的過程中，明顯地與油墨的粘彈性質(zhì)有關從而油墨可借 松弛時間和形變時間的兼顧配合，表現(xiàn)出種種行為即，緩慢形變時，粘度大致取決于油墨的粘性粘度的阻力受用平行板粘

16、度 計測出的流動的阻力所支配這種阻力不是壓縮平行板，而是靠拉開來測定的稱 此為粘度計粘度可由式 (8)求得?？墒?，以與油墨的松弛時間相等的速度來測 量粘度時，油墨表示出粘彈性的行為粘性大而墨絲長的油墨，極容易拉成絲其 結(jié)果，墨絲在中途斷開成若干節(jié)，變成液滴濺散，成為濺墨的原因另外，彈性 強的油墨，很快就斷開若粘度過大，在油墨斷裂之前，紙張先剖離，從而引起紙張拔毛的故障在 彩色印刷時要想很好地進行套色，與各色油墨的粘度大小的適當分配有關5、油墨的流變學性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于分散體系的流變學，決定其基本行為的是分散粒子的濃度當濃度比較 稀薄的時候，分散體系作牛頓流動，其粘度只不過是將分散劑的粘度稍許提

17、高另 一方面，粒子本身的性質(zhì)也與粘度有關即粒子的形狀和大小，大小的分布，表 面的狀態(tài)等，均對粘度的值有影響尤與表面有關的是，表面經(jīng)過處理，使粒子 的表面狀態(tài)發(fā)生變化時，粒子的凝聚狀態(tài)也就跟著變化，從而使分散體系的流動 狀態(tài)發(fā)生根本性的變化要想確定象印刷油墨這種濃分散體系的流變學性質(zhì)， 如 果說只須著眼于粒子的凝聚狀態(tài)，即是分散體系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也不算過言在顏料粒子互相吸引 (或經(jīng)表面處理賦予理想的表面性質(zhì)的粒子 )的分散體系 中，若干粒子聚集成塊，如果濃度大，聚集的粒子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)這種油墨明顯 地表示出觸變性，而濃度大時表示出塑性與此相反，粒子彼此之間不發(fā)生作用 時，粒子并不聚集，而在小的情況下盡量地緊緊簇擁在一起 若使這種分散體系 流動時，隨著流速的增加，其表觀粘度上升，變成粘滯流動粒子間的這種相互 作用，與粒子的填充狀態(tài)有關由于相互有引力的粒子體系的沉淀容積大， 測定 其沉淀容積， 就能弄清粒子的