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 R12 h (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、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) / N P1T≥fD = ｛（11）0 T > f式中f是屈服值，N P1称为塑性粘度。

这时的粘度也可由式（3）得出，所以（11）变成：N P1 + f / D T≥fN = ｛（12）∞T < fD愈小粘度就愈大，当T < f时就变成无限大．从而，Bingham塑性流动也是一种非牛顿流动．用旋转圆筒型粘度计测定表现Bingham塑性的物质的流动性，则在M小时，由于物质内的切变应力达不到屈服值，所以完全不流动．然而，当M稍增大，M > 2πR12hf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／N P1)(1－R12／R22) {(T一f )+f1nf／T} (13)变成由T=f开始的曲线。

若M再大，当M > 2πR22hf (即T > f／R22／R12)时，全体开始流动．这时就变成：D=(1／N P1){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N P1。

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N P1，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N P1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N P1时，发现有如下的关系；N P1=const—MlnDm (15)式中M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=(πh R12Dm2／4)(1一R12／R22) （16）Green进一步发现，屈服值f有与N P1同时变化的倾向，对此给出下式：f=const—V N P1(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Weissenberg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．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(0．0l一1c／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：dγ／dt=(1／G)(dτ／dt)+τ／η (18)式中，τ，γ分别是切变应力和切变应变，G，η是切变弹性率和切变粘性率(粘度)．η／G = λ又称为松弛时间．当观测时间t比松弛时间λ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 > λ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 ≈λ ，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，大体为10－3一104sec－1的切变速度．在平常的粘度计上呈现的切变速度，通常是10—102 sec－1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。