印刷油墨的流动性及其测定方法

印刷油墨的流动性及其测定方法印刷油墨的流动性及其测定方法 先从油墨的流动性来考虑．印刷油墨是将颜料和其它填充料的固体粒子 分散于液状的连结料中制成的，呈现着复杂流动性的浓分散体系．而且，近年来 以树脂溶于溶剂的液体作为连结料来代替沿用已久的干性油， 而由于连结料本身 已经呈现复杂的流动性，所以更加棘手．概括说来，它们表现出非牛顿流动而显 示假塑性．即增加切变速度，则表观粘度变小．然而，不同的印版方式，大体上 以通常方法所测粘度值来规定。 印刷已是被高度机械化了的技术，所以印刷油墨的质量也需要很好地控制， 从这个意义上， 也可以说，对印刷油墨流变学的研究是分散体系中最有进展的内 容之一． 测定印刷油墨的流动性， 主要是用旋转型粘度计和平行板压缩粘度计． 前 者尤适于非牛顿流动、触变性的研究，后者用于塑性流动的研究．毛细管型和落 球型的粘度计与这些相比，在原理上因流动状况复杂，所以对于象印刷油墨这种 表现复杂流动性的材料的研究是不适用的． 旋转粘度计最普遍使用的是共轴双层圆筒型， 以一定速度旋转外筒测定 作用于内筒的转矩的 Couette 型粘度计． 其中尤以 Green 的粘度计最有名． 此外， 简便的测定，常用Brookfield 型的粘度计。这是以一定的角速度旋转内筒，借助 装在旋转轴上的弹簧，测定作用于内筒的转矩．Fischer 使用了靠滑轮和重锤给 内筒施加一定的转矩，以测定内筒所示的旋转速度的Stormer 型粘度计。这种粘 度计特别适于旋转速度小的情况．不管使用哪一种类型，用共轴双层圆筒型粘度 计所得的表观切变速度 D 和切变应力 T 的关系如下式： D = 2Q / 1－（R1/ R2）2(1) T = M／2 π R12h(2) 式中 Q 是内筒、外筒的相对角速度，M 是旋转的转矩，R1、R2是内筒、 外筒的半径，h 是液层的高度(内筒浸于液中的深度)．表观粘度 N 由下式求得： N ＝ T／D (3) 象印刷油墨那样的非牛顿性物质， 不只是测定表观粘度，还可用实际测 出的 Q 和 M，根据式(1)、 (2)来计算 T、D，然后从表示这些关系的D 叫曲线上 作图上微分，以求得真实的粘度．但是，平常表示非牛顿性，用表观粘度就足够 了． 最近被重视的旋转粘度计， 是由装在同轴上的圆锥和平板构成的类型．这种 类型的粘度计的特点是试样用得很少， 试样中的切变速度的分布比较均匀． 这时， 若圆锥和平板之间的角 φ 小时，切变速度 D 和切变应力 T 可用下式表示： D = Q / φ (4) T = 3M／2 π R3(5) 可以认为在物质内是一定的．式中 Q 是圆锥和圆板的相对角速度，M 是旋 转的转矩，R 是圆板的半径。表观粘度仍可由式(3)求出． 旋转粘度计给予试样以种种的切变速度， 适用于弄清表观粘度的切变速 度依赖性，即非牛顿性．此外，使试样继续流动，可以立刻测得粘度的时间依赖 性．总之，可用于研究触变性．可是，经长时间的连续流动，在试样中会积蓄因 粘性(即内部摩擦)而发生的热，使试样的温度上升．在多数情况下，粘度因温度 的上升而发生显著的变化(虽然可以校正某种程度的温度上升的效应)，尽量注意 要少使温度上升． 象油墨这种浓分散体系，在粘度计中，与试样接触的金属面上，从颜料 分离出来的连结料形成润滑层，以高的切变速度表示滑动的效应，也有补偿这个 效应的尝试． 如能做到的话， 在金属面划以槽沟以增加摩擦尽量使之不产生滑动． 平行板压缩型粘度计是将高 h、 半径 a 的圆筒形试料夹于两块金属(或玻 璃)圆板之间，当在上面的圆板上施加了一定的载荷 F 时，测定两块圆板的间隔 减小下来的速度(－dh／dt 或试样半径的增加速度(da／dt)；以求表观粘度． 这时，表观的切变速度 D 和切变应力 T，近似地可用下式表示： D=3(V／π)2/1(-dh／dt)／h2/5=(6π／V)a2(da／dt)(6) T=2F(π／V3) 2/1h2/5=(2FV／π2)(1／a5)(7) 因此，表观粘度为： N=T／D=(2πF／3V2)h5／(-dh／dt) =FV2／3π3)*1／〔a7(da／dt) 〕(8) 式中假定试样的体积 V=πa2h 一定． 将式(8)积分，得： 1／h4－1／h04=(8πF／3NV2) (9) 和a8－a08=(8V2F／3Nπ3) t (10) 式中丸 h0、a0分别是时间 t=0 时的试样圆筒的高度和半径．利用这个式子， 求出 h 或 a 的时间变化，就能算出表观粘度 N。但是，要导出(6)、(7)式子，用 了相当的近似处理，之所以用这个方法来求表观粘度，从原理上说，和使用旋转 粘度计一样，不能算是严密的．由式(6)、(7)可知，用这种类型的粘度计时，切 变速度 D 和切变应力 T 随时间而逐渐发生变化。因此，替换 F，测量－dh／dt 和 da／dt，则可求得 D 和 T 的关系，但必须选择 h 或 a 进行比较．所以，也不 能说是探讨非牛顿性的很适当的方法。但是，这个装置适于如下所述的塑性的研 究。 1 1、塑性流动、塑性流动 使用这些粘度计， 对多数的油墨所求得的切变速度 D 和切变应力 T 的关系， 一般属于非牛顿流动的一种类型，称做假塑性流动．这时，由式(3)求出的表观 粘度，当 D(或 T)大时就变小．有一种印刷油墨理想化，这种类型的流动被称为 Bingham 塑性流动。 一般，塑性流动的特征是，在于切变应力T 不超过 f 值，并不开始流动．而 Bingham 流动则是流动一旦开始，T 和 D 之间就变成下式关系。 (T－f) / NP1T≥f D = ｛（11） 0T f 式中 f 是屈服值，NP1称为塑性粘度。这时的粘度也可由式（3）得出，所以 （11）变成： NP1 + f / DT≥f N = ｛（12） ∞T 2πR22hf(即 T f／R22／R12)时， 全体开始流动．这时就变成： D=(1／NP1){T 一 2f／(1 一 R12／R22。)1n(R2／R1)}(14) D 和 T 成直线关系．称式(14)为 Reiner-Riwlin 公式． 如上所述，若使用旋转圆筒型粘度计，则在 D-T 曲线上 T 大的地方变 成直线，将此外推到 T 轴上，从截距的值很容易求出 f．还有，直线部分的斜率， 从式(14)上可以看出，表示塑性粘度 NP1。 至于用圆锥平板型的旋转粘度计，其切变应力 T 达到，时，D 立刻以直 线性增加，其斜率即表示了 NP1，所以这是最简单的方法． 2、 触变性 借助旋转粘度计绘制 D－T 曲线时，将 D 以一定的加速度使之自 0 直线 地上升，在达到某最大切变速度(Dm)处使之降下，连续测定其间的 Y，则对于 表现有触变性的物质，即，使 D 上升的时候和下降时，D—T 曲线的位置错开， 在其间产生滞后回线．可以认为，这个回线的大小表示该物质的触变性的大小． Green 在一定的时间间隔下，通过分段地提高或降低，提出由所得滞后曲线 来评价触变性的方法．依这种方法求得的滞后曲线大致为直线。Green 认为此直 线表示与最大切变速度 Dm 相对应的物质状态， 所求得的塑性粘度 NP1和屈服值 f 表现了物质状态