印刷油墨的流动性及其测定方法

1、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

2、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

3、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 n Rh(2)式中Q是内筒、外筒的相对角速度，M是旋转的转矩，Ri、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

4、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小时，切变速度D和切变应力T可用下式表示：D = Q /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

5、 (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/ 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，表观粘度为：N=T /D=(2 n / 3V2)h5/(-dh/dt)=FV2/3/)*1/ a7(da/dt)(8)式中假定试样的体积V=na2h 定.将式 (8)积分，得：1/h4- 1/ho4=(8 n/3NV2)(9)和a sd8=(8V2F/ 3N)t(10)式中丸ho、ao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、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

7、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，测量一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 、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

8、，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) / NpiT fD =(11)0T f式中f是屈服值，Npi称为塑性粘度。这时的粘度也可由式(3)得出，所以 ( 11 )变成：Npi + f / DT fN = ( 12 )xT fD 愈小粘度就愈大，当 T 2 nR2hf时，就从内筒的周围开始流动，但靠近外筒的部分不流动在 这种状态下， D 和 T 之间的关系由下式表示；D=(1 /Npi)(1 Ri2/ R22) (T 一 f )+f1 nf /T(13)变成由T=f开始的曲线。 若M再大，当M 2 n

9、Rhf (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

10、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 丫，则对于 表现有触变性的物质，即，使 D上升的时候和下降时，DT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 表现了物质状态的变化首先，改变最高切变速度Dm，求与此对应的塑性粘度 Npi时，发现有如下的关系；N p 1 =constMln D m(15)式中 M

11、 是基于切变速度变化的表示物质状态变化方式的一种系数对于旋 转圆筒粘度计，在滞后回线的面积 A和M之间，成立如下的比例关系：A=( n h Rfem2/4)(1 一 Ri2/R22)(16)Green进一步发现，屈服值f有与Npi同时变化的倾向，对此给出下式：f=constV Np1(17)V 系表示其效应触变性的特征表现是流动时物质的表观粘度降低， 而将流动的物质放置 起来时，表观粘度再度上升印刷油墨一经搅拌，粘度便降低，放置起来粘度又 重新上升，这在前面已经讲过但是，一般地说，因流动而使粘度降低的速度， 比放置起来恢复原样的速度要大得多 因此，在本来应该呈现恢复效应的下降曲 线上，几乎不表

12、现出粘度的变化油墨在调墨辊上的转移，也在反复进行着流动 和放置，但因放置的时间极短，所以恢复的效应不成其为问题3、粘弹性印刷油墨随其流动性还呈现弹性即，在流动中迅速地解除应力，就可 看到急骤的弹性恢复，拉曳油墨成丝时，在墨丝断裂后，拉丝断头急骤收缩。这 就是油墨的弹性通常弹性大的液体，容易表现出拉丝性在测定粘度那样的稳定流动条件下，直接观测不到弹性效应但是，在 旋转型的切变流动条件下，可看到基于弹性的 Weisse nberg效应比如，用圆玻 璃棍插入油墨中转动，油墨就沿棍的周围往上爬这是因为随着流动而产生的弹 性形变，对着流动方向，在法线方向 (即从圆周对着旋转轴的方向 )上发生应力的 缘故

13、这个法线应力在圆筒状的液层各部分， 等同地作用于内侧，而成为系紧存 在于圆筒内侧的液层的效应，从而使油墨沿着正中间的棍向上爬。为了探讨油墨的粘弹性， Bowles 使用旋转圆筒型粘度计，以一定的切 变速度使油墨保持稳定流动，研究急骤停止转动时，随时间而出现的初期转矩的 衰减状态。中川提出在同样的装置上给予振荡性的转矩， 以观测动态形变振荡的 方法，阿知和、古泽、市村及盐冶等人将其运用到油墨上用这个方法可以求出 比较低频(0. 01 1c/sec)的动态弹性率和动态粘性率.在印刷过程中出现的弹 性效应，往往比这些方法的形变速度更快最简单地表示粘弹性体的流动，是 Maxwell 给出的式子.即：d

14、 /dt=(1 /G)(d / dt)+ / n(18)式中，t 丫分别是切变应力和切变应变，G，n是切变弹性率和切变粘性率(粘 度).n/G =収称为松弛时间.当观测时间t比松弛时间入小时，即在迅速形变的条件下，式(18)的右 边，第 1项比第 2项大，所以出现的现象几乎属于弹性的. 迅速伸长的墨丝在断 开时，油墨看上去很象是弹性体与此相反，t 时，即在缓慢变形的条件下， 物质的行为差不多变为粘性流动在平行板之间，压溃油墨或是拉曳油墨时的行 为属于这种流动在印刷的过程中，多数情况是 t入，所以须考虑油墨的粘 弹性印刷油墨在流动过程中，表现有各种各样的速度，在最主要的墨辊缝隙 之间的形变，大体

15、为10_3 104sec 1的切变速度在平常的粘度计上呈现的切 变速度，通常是 10102 sec1 的程度，所以流动的样子可能有很大的不同4、粘 度在两个固体之间，自产生印刷油墨的薄膜到断开的过程中，综合表现 出墨膜所显示的阻力，称为粘度从流变学观点分析粘度，在高速条件下的压缩、 拉曳的形变，油墨膜的延伸和断开，在形成墨丝前所观察到的空洞的发生及其成 长等，都是有趣的问题最近，对这些过程利用高速摄影进行观察，已经弄清了 它的情况在这种形变的过程中，明显地与油墨的粘弹性质有关从而油墨可借 松弛时间和形变时间的兼顾配合，表现出种种行为即，缓慢形变时，粘度大致取决于油墨的粘性粘度的阻力受用平行板粘

16、度 计测出的流动的阻力所支配这种阻力不是压缩平行板，而是靠拉开来测定的称 此为粘度计粘度可由式 (8)求得。可是，以与油墨的松弛时间相等的速度来测 量粘度时，油墨表示出粘弹性的行为粘性大而墨丝长的油墨，极容易拉成丝其 结果，墨丝在中途断开成若干节，变成液滴溅散，成为溅墨的原因另外，弹性 强的油墨，很快就断开若粘度过大，在油墨断裂之前，纸张先剖离，从而引起纸张拔毛的故障在 彩色印刷时要想很好地进行套色，与各色油墨的粘度大小的适当分配有关5、油墨的流变学性质和内部结构对于分散体系的流变学，决定其基本行为的是分散粒子的浓度当浓度比较 稀薄的时候，分散体系作牛顿流动，其粘度只不过是将分散剂的粘度稍许提

17、高另 一方面，粒子本身的性质也与粘度有关即粒子的形状和大小，大小的分布，表 面的状态等，均对粘度的值有影响尤与表面有关的是，表面经过处理，使粒子 的表面状态发生变化时，粒子的凝聚状态也就跟着变化，从而使分散体系的流动 状态发生根本性的变化要想确定象印刷油墨这种浓分散体系的流变学性质， 如 果说只须着眼于粒子的凝聚状态，即是分散体系的内部结构，也不算过言在颜料粒子互相吸引 (或经表面处理赋予理想的表面性质的粒子 )的分散体系 中，若干粒子聚集成块，如果浓度大，聚集的粒子形成网状结构这种油墨明显 地表示出触变性，而浓度大时表示出塑性与此相反，粒子彼此之间不发生作用 时，粒子并不聚集，而在小的情况下尽量地紧紧簇拥在一起 若使这种分散体系 流动时，随着流速的增加，其表观粘度上升，变成粘滞流动粒子间的这种相互 作用，与粒子的填充状态有关由于相互有引力的粒子体系的沉淀容积大， 测定 其沉淀容积， 就能弄清粒子的