印刷油墨的流動(dòng)性及其測(cè)定方法

1、印刷油墨的流動(dòng)性及其測(cè)定方法先從油墨的流動(dòng)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(fù)雜流動(dòng)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(fù)雜的流動(dòng)性，所以更加棘手概括說來，它們表現(xiàn)出非牛頓流動(dòng)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(cè)粘度值來規(guī)定。印刷已是被高度機(jī)械化了的技術(shù)，所以印刷油墨的質(zhì)量也需要很好地控制， 從這個(gè)意義上，也可以說，對(duì)印刷油墨流變學(xué)的研究是分散體系中最有進(jìn)展的內(nèi) 容之一測(cè)定印刷油墨的流動(dòng)性，主要是用旋轉(zhuǎn)型粘度計(jì)和平行板壓

2、縮粘度計(jì)前 者尤適于非牛頓流動(dòng)、觸變性的研究，后者用于塑性流動(dòng)的研究毛細(xì)管型和落 球型的粘度計(jì)與這些相比，在原理上因流動(dòng)狀況復(fù)雜，所以對(duì)于象印刷油墨這種 表現(xiàn)復(fù)雜流動(dòng)性的材料的研究是不適用的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)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(cè)定 作用于內(nèi)筒的轉(zhuǎn)矩的Couette型粘度計(jì).其中尤以Green的粘度計(jì)最有名.此外, 簡(jiǎn)便的測(cè)定，常用 Brookfield 型的粘度計(jì)。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(cè)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(cè)定內(nèi)筒所示的旋轉(zhuǎn)速度的Stormer型粘度計(jì)。這種粘度計(jì)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(jì)所得的表觀切變速度 D 和切變應(yīng)力 T 的關(guān)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(duì)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(cè)定表觀粘度，還可用實(shí)際測(cè) 出的Q和M，根據(jù)式(1)、(2)來計(jì)算T、D,然后從表示這些關(guān)系的D叫曲線上 作圖上微分，以求得真實(shí)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(jì)，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(jì)的特點(diǎn)是試樣用得很少，試樣中的切變速度的分布比較均勻這時(shí)， 若圓錐和平板之間的角小時(shí)，切變速度D和切變應(yīng)力T可用下式表示：D = Q /可以認(rèn)為在物質(zhì)內(nèi)是一定的式中 Q是圓錐和圓板的相對(duì)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(jì)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(dòng)，可以立刻測(cè)得粘度的時(shí)間依賴 性總之，可用于研究觸變性可是，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)流動(dòng)，在試樣中會(huì)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(yīng) )，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(jì)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(rùn)滑層， 以高的切變速度表示滑動(dòng)的效應(yīng)， 也有補(bǔ)償這個(gè) 效應(yīng)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(dòng)平行板壓縮型粘度計(jì)是將高h(yuǎn)、半徑a的圓筒形試料夾于兩塊金屬(或玻 璃)圓板之間，當(dāng)在上面的圓板上施加了一定的載荷F 時(shí)，測(cè)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(shí)，表觀的切變速度D和切變應(yīng)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(shí)間t=0時(shí)的試樣圓筒的高度和半徑.利用這個(gè)式子， 求出h或a的時(shí)間變化，就能算出表觀粘度 N。但是，要導(dǎo)出、式子，用 了相當(dāng)?shù)慕铺幚恚?之所以用這個(gè)方法來求表觀粘度， 從原理上說， 和使用旋

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

8、，在于切變應(yīng)力 T 不超過 f 值，并不開始流動(dòng)而 Bingham 流動(dòng)則是流動(dòng)一旦開始， T 和 D 之間就變成下式關(guān)系。(T f) / NpiT fD =(11)0T f式中f是屈服值，Npi稱為塑性粘度。這時(shí)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(dāng) T 2 nR2hf時(shí)，就從內(nèi)筒的周圍開始流動(dòng)，但靠近外筒的部分不流動(dòng)在 這種狀態(tài)下， D 和 T 之間的關(guān)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(dāng)M 2 n

9、Rhf (即T f/R22/R12)時(shí)， 全體開始流動(dòng)這時(shí)就變成：D=(1/Np1)T 一 2f/(1 一 R12/R22。 )1n(R2/R1)(14)D 和 T 成直線關(guān)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(jì)，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(jì)，其切變應(yīng)力 T 達(dá)到，時(shí)， D 立刻以直 線性增加，其斜率即表示了 NP1，所以這是最簡(jiǎn)單的方法.2、觸變性借助旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)繪制D T曲線時(shí)，將D以一定的加速度

10、使之自0直線 地上升，在達(dá)到某最大切變速度(Dm)處使之降下，連續(xù)測(cè)定其間的 丫，則對(duì)于 表現(xiàn)有觸變性的物質(zhì)，即，使 D上升的時(shí)候和下降時(shí)，DT曲線的位置錯(cuò)開， 在其間產(chǎn)生滯后回線可以認(rèn)為，這個(gè)回線的大小表示該物質(zhì)的觸變性的大小Green在一定的時(shí)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(píng)價(jià)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(rèn)為此直線表示與最大切變速度Dm相對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的塑性粘度 Npi時(shí)，發(fā)現(xiàn)有如下的關(guān)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(duì)于旋 轉(zhuǎn)圓筒粘度計(jì)，在滯后回線的面積 A和M之間，成立如下的比例關(guān)系：A=( n h Rfem2/4)(1 一 Ri2/R22)(16)Green進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，屈服值f有與Npi同時(shí)變化的傾向，對(duì)此給出下式：f=constV Np1(17)V 系表示其效應(yīng)觸變性的特征表現(xiàn)是流動(dòng)時(shí)物質(zhì)的表觀粘度降低， 而將流動(dòng)的物質(zhì)放置 起來時(shí)，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(dòng)而使粘度降低的速度， 比放置起來恢復(fù)原樣的速度要大得多 因此，在本來應(yīng)該呈現(xiàn)恢復(fù)效應(yīng)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(fù)進(jìn)行著流動(dòng) 和放置，但因放置的時(shí)間極短，所以恢復(fù)的效應(yīng)不成其為問題3、粘彈性印刷油墨隨其流動(dòng)性還呈現(xiàn)彈性即，在流動(dòng)中迅速地解除應(yīng)力，就可 看到急驟的彈性恢復(fù)，拉曳油墨成絲時(shí)，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(cè)定粘度那樣的穩(wěn)定流動(dòng)條件下，直接觀測(cè)不到彈性效應(yīng)但是，在 旋轉(zhuǎn)型的切變流動(dòng)條件下，可看到基于彈性的 Weisse nberg效應(yīng)比如，用圓玻 璃棍插入油墨中轉(zhuǎn)動(dòng)，油墨就沿棍的周圍往上爬這是因?yàn)殡S著流動(dòng)而產(chǎn)生的彈 性形變，對(duì)著流動(dòng)方向，在法線方向 (即從圓周對(duì)著旋轉(zhuǎn)軸的方向 )上發(fā)生應(yīng)力的 緣故

13、這個(gè)法線應(yīng)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(yīng)，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(jì)，以一定的切 變速度使油墨保持穩(wěn)定流動(dòng)，研究急驟停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨時(shí)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(cè)動(dòng)態(tài)形變振蕩的 方法，阿知和、古澤、市村及鹽冶等人將其運(yùn)用到油墨上用這個(gè)方法可以求出 比較低頻(0. 01 1c/sec)的動(dòng)態(tài)彈性率和動(dòng)態(tài)粘性率.在印刷過程中出現(xiàn)的彈 性效應(yīng)，往往比這些方法的形變速度更快最簡(jiǎn)單地表示粘彈性體的流動(dòng)，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(yīng)力和切變應(yīng)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(shí)間.當(dāng)觀測(cè)時(shí)間t比松弛時(shí)間入小時(shí)，即在迅速形變的條件下，式(18)的右 邊，第 1項(xiàng)比第 2項(xiàng)大，所以出現(xiàn)的現(xiàn)象幾乎屬于彈性的. 迅速伸長(zhǎng)的墨絲在斷 開時(shí)，油墨看上去很象是彈性體與此相反，t 時(shí)，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?dòng)在平行板之間，壓潰油墨或是拉曳油墨時(shí)的行 為屬于這種流動(dòng)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(dòng)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(jì)上呈現(xiàn)的切 變速度，通常是 10102 sec1 的程度，所以流動(dòng)的樣子可能有很大的不同4、粘 度在兩個(gè)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(xué)觀點(diǎn)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(zhǎng)等，都是有趣的問題最近，對(duì)這些過程利用高速攝影進(jìn)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(guān)從而油墨可借 松弛時(shí)間和形變時(shí)間的兼顧配合，表現(xiàn)出種種行為即，緩慢形變時(shí)，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(jì)測(cè)出的流動(dòng)的阻力所支配這種阻力不是壓縮平行板，而是靠拉開來測(cè)定的稱 此為粘度計(jì)粘度可由式 (8)求得。可是，以與油墨的松弛時(shí)間相等的速度來測(cè) 量粘度時(shí)，油墨表示出粘彈性的行為粘性大而墨絲長(zhǎng)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(qiáng)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(shí)要想很好地進(jìn)行套色，與各色油墨的粘度大小的適當(dāng)分配有關(guān)5、油墨的流變學(xué)性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于分散體系的流變學(xué)，決定其基本行為的是分散粒子的濃度當(dāng)濃度比較 稀薄的時(shí)候，分散體系作牛頓流動(dòng)，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(guān)即粒子的形狀和大小，大小的分布，表 面的狀態(tài)等，均對(duì)粘度的值有影響尤與表面有關(guān)的是，表面經(jīng)過處理，使粒子 的表面狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，粒子的凝聚狀態(tài)也就跟著變化，從而使分散體系的流動(dòng) 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(xué)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(shí)表示出塑性與此相反，粒子彼此之間不發(fā)生作用 時(shí)，粒子并不聚集，而在小的情況下盡量地緊緊簇?fù)碓谝黄?若使這種分散體系 流動(dòng)時(shí)，隨著流速的增加，其表觀粘度上升，變成粘滯流動(dòng)粒子間的這種相互 作用，與粒子的填充狀態(tài)有關(guān)由于相互有引力的粒子體系的沉淀容積大， 測(cè)定 其沉淀容積， 就能弄清粒子的