【CPP114】：0 前言

  印刷產(chǎn)業(yè)是我國重要產(chǎn)業(yè)之一，截至2008年底，我國印刷企業(yè)數(shù)已達(dá)10萬家，從業(yè)人員約340萬，2008年我國印刷產(chǎn)業(yè)gdp約4800億元人民幣，約占全國gdp的2%，在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的作用。印刷油墨是印刷產(chǎn)業(yè)的重要原材料之一，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2008年我國油墨產(chǎn)量已經(jīng)突破40萬噸。目前在我國，膠印仍然是最主要的印刷方式，占據(jù)著印刷產(chǎn)業(yè)的主流位置，膠印油墨的消耗量也最多。

  眾所周之，油墨是由顏料、連結(jié)料和各種助劑通過研磨分散形成的一種分散體系。由于用于油墨的顏料粒子粒徑很小，其表面活性高，在油墨分散體系中極易相互作用形成凝聚結(jié)構(gòu)，同時，用于膠印油墨的連結(jié)料樹脂通常都是高聚物，因此，膠印油墨表現(xiàn)出極為復(fù)雜的流變學(xué)特性。從本質(zhì)上來說，膠印油墨的流變學(xué)性能主要受顏料粒子分散性的影響，而顏料粒子的分散性則取決于顏料粒子的粒徑大小、形狀、粒子間的相互作用以及顏料粒子與連結(jié)料樹脂間的相互作用。膠印油墨的流變學(xué)性能直接影響到油墨的印刷適性，進而影響到印刷品質(zhì)量。因此，研究膠印油墨的流變學(xué)性能，解明油墨體系中顏料粒子的分散狀態(tài)，對油墨體系的設(shè)計、油墨的生產(chǎn)工藝、改善油墨的印刷適性、提高印刷品質(zhì)量具有重要意義。

  1 膠印油墨流變學(xué)與印刷適性

  1.1 膠印油墨的流變學(xué)

  流變學(xué)是研究物質(zhì)流動與變形的一門科學(xué)，主要探究物質(zhì)在受到外界刺激時的流動與變形的規(guī)律。膠印油墨在生產(chǎn)制備以及使用過程中均會受到極為強烈的外界刺激，并表現(xiàn)出復(fù)雜的流動與變形特征。

  油墨流變學(xué)性能主要有包括粘度、應(yīng)力、屈服值等在內(nèi)的穩(wěn)態(tài)力學(xué)性能、包括儲存彈性率（動態(tài)彈性率）、動態(tài)粘性率、損失正切等在內(nèi)的動態(tài)力學(xué)性能以及觸變性、逆觸變性、剪切變稀、剪切增稠等與作用時間相關(guān)的性能。這些流變學(xué)性能主要受顏料粒子的濃度、粒徑、形狀和作用時間、作用歷程等因素的影響。顏料粒子在油墨體系中的分散狀態(tài)主要受粒子的濃度、粒徑、界面活性、粒子間以及粒子與連結(jié)料間的分子作用力等因素的影響。

  比較影響油墨流變學(xué)性能和影響顏料粒子分散性的參數(shù)可以看出，油墨的流變學(xué)性能主要取決于顏料粒子分散狀態(tài)，因此，影響油墨印刷適性的主要因素實質(zhì)上也是顏料粒子的分撒狀態(tài)。這也正是油墨生產(chǎn)企業(yè)將解決油墨中顏料粒子分散性和分散穩(wěn)定性作為永恒課題的原因所在。

 

  1.2 膠印油墨的印刷適性

  印刷適性是指油墨作為一種印刷材料，必須具有良好的印刷適性。油墨的印刷適性包括油墨的粘度、粘性、乳化性能、對承印材料的附著性、干燥性等。油墨的印刷適性對油墨的在機印刷性能有很大影響，如：油墨的流動曲線變化趨勢決定著油墨的粘度變化特征，反映著隨印刷速度變化的粘度變化規(guī)律；粘性大小決定著油墨在各種載體間的分配與轉(zhuǎn)移，影響著油墨的轉(zhuǎn)移率；乳化性能反映出油墨與潤濕液的混溶能力；干燥性及墨層成膜特性關(guān)系著印刷速度以及印刷品的使用性能等。油墨的印刷適性與油墨分散體系的流變學(xué)性質(zhì)以及各油墨組分的物化性質(zhì)有關(guān)。因此，從一定程度上說，油墨印刷適性的根源在于油墨的流變學(xué)特性，研究油墨的流變學(xué)性能對油墨印刷適性的理論研究以及改善油墨的印刷適性具有極為重要的支撐作用。

  2 油墨的粘度與粘性

  2.1 油墨粘度

  油墨粘度是指油墨在受到外力作用時抵抗油墨發(fā)生變形的阻力，分為剪切粘度和拉伸粘度。剪切粘度指油墨受到剪切作用時表現(xiàn)出的墨層間的摩擦阻力，拉伸粘度指油墨受到拉伸應(yīng)力作用時抵抗油墨發(fā)生拉伸變形的阻力。從能量的觀點看，油墨的粘度實質(zhì)上是一種能量的耗散，即油墨受到外力作用時，由于摩擦作用而產(chǎn)生熱量導(dǎo)致溫度升高，并以熱的方式被消耗。油墨粘度與所受的應(yīng)力、應(yīng)力作用時間等有關(guān)。

  油墨樣品表現(xiàn)出典型的分散體系的剪切變稀的流變學(xué)特征，在剪切速率為0.1-100s-1的測試范圍，uv油墨樣品的粘度隨剪切速率的增加而下降。這種現(xiàn)象說明隨著剪切速率的增大，油墨受到的剪切應(yīng)力增大，油墨中顏料粒子形成的凝聚結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，形成更小的凝聚體，表觀上改善了顏料粒子的分散狀態(tài)。在其它條件相同的情況下，顏料粒子分散狀態(tài)良好的油墨粘度比存在凝聚結(jié)構(gòu)的粘度要小。粘度下降速率的快慢（曲線的形狀），可以表征顏料粒子形成的凝聚結(jié)構(gòu)被破壞的難易程度，高剪切速率領(lǐng)域能否趨于平衡，可以表征凝聚結(jié)構(gòu)的殘余程度，或凝聚結(jié)構(gòu)被破壞與結(jié)構(gòu)恢復(fù)處于動態(tài)平衡所需的條件。實驗油墨樣品在高剪切速率領(lǐng)域，粘度一直呈現(xiàn)下降趨勢，說明在測試范圍內(nèi)，凝聚結(jié)構(gòu)的被破壞程度大于結(jié)構(gòu)恢復(fù)的速度，未達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。對其它油墨（包括常用的各種膠印油墨）的測試結(jié)果也表現(xiàn)出類似的變化趨勢。

 

  通常所說的油墨粘度，如膠印油墨的粘度應(yīng)控制在200-400poise范圍，那么所給出的粘度指標(biāo)究竟指的是哪個粘度。粘度通常有零剪切粘度、塑性粘度、表觀粘度、平衡粘度、相對粘度等多種，即使對于同一種油墨，這些粘度的數(shù)值也都不一樣。許多測試結(jié)果能夠證明膠印油墨不是塑性流體、也不具備假塑性流體的流動特征，因此，用塑性粘度的說法也不一定科學(xué)。

  2.2 油墨的粘性

  油墨的粘性是指油墨抵抗墨層分裂的力，粘性影響著油墨由一個載體向另一載體傳遞，如墨輥間、墨輥向印版、印版向橡皮布的傳遞等。從潤濕的角度看，油墨的粘性可以看成是油墨與油墨間的自結(jié)合力。油墨的粘性及對載體的附著性之間必須滿足一定關(guān)系，粘性太大附著力低則容易產(chǎn)生紙張拉毛印刷故障，反之粘性太小附著力過強則會影響油墨的轉(zhuǎn)移、并易導(dǎo)致“飛墨”等印刷故障。目前，油墨的粘性一般利用油墨粘性儀進行測試，通過拍攝油墨分裂瞬間的“墨絲”形態(tài)，也可以分析油墨的粘性，并可以深入進行理論研究。

 

  2.3 調(diào)墨油及撤粘劑對膠印油墨粘度的影響

  用調(diào)墨油稀釋油墨，可以降低油墨的粘度。圖4為在油墨中加入不同百分比的6號調(diào)墨油測試的各樣品的粘度與剪切速率的關(guān)系曲線，圖5為相同樣品的粘性與調(diào)墨油含量的關(guān)系，圖中曲線從上至下分別為調(diào)墨油或撤粘劑含量0%、1%、3%、5%和8%。調(diào)墨油及撤粘劑加入量對油墨的粘度均有影響，且調(diào)墨油對粘度的影響更大。調(diào)墨油主要用于調(diào)整油墨的粘度，理所當(dāng)然，其加入量越多，對粘度的影響越大，而且，隨著調(diào)墨油含量的增加，油墨粘度隨剪切速率增大而下降的趨勢變緩。撤粘劑主要用于減小油墨的粘性，但從測試結(jié)果可以看出，撤粘劑用量對油墨的粘度影響也較大，但撤粘劑的加入量對油墨粘度隨剪切速率增加而降低的趨勢影響不大。

 

 

  2.4 調(diào)墨油及撤粘劑對膠印油墨粘性的影響

  調(diào)墨油及撤粘劑的加入量對油墨的粘性均有影響，含量越多粘性越低。撤粘劑對油墨粘性的影響比調(diào)墨油對油墨粘性的影響更大。

  調(diào)墨油及撤粘劑對油墨的粘度和粘性都有影響，隨著加入量的增加兩者都表現(xiàn)出下降的趨勢。調(diào)墨油不僅可以降低油墨的粘度，也降低油墨的粘性；同樣，撤粘劑不盡減小油墨的粘性，同時也降低油墨的粘度，并非調(diào)墨油不改變油墨粘性、撤粘劑不改變油墨的粘度。

 

  3 油墨分散體系的粘度模型

  膠印油墨是一種典型的分散體系，表現(xiàn)出顯著的剪切變稀的流變學(xué)特征。油墨的粘度與諸多因素有關(guān)。但當(dāng)油墨組分確定以后，則粘度只受顏料粒子的分散狀態(tài)以及由顏料粒子形成的凝聚結(jié)構(gòu)密度的影響。顏料粒子的濃度、施加的剪切速率，直接影響到粒子的分散狀態(tài)和結(jié)構(gòu)密度。分散體系中，影響粒子形成凝聚結(jié)構(gòu)的因素很多，因此，分散體系的粘度模型很少。比較典型的有einstein模型、ellis模型等。但這些粘度模型的適用條件都很苛刻，基本上都不能實際應(yīng)用。因此，筆者研究團隊在這方面進行了一些粗淺研究。

  油墨分散體系粘度數(shù)學(xué)模型的研究，主要是為了建立粘度與顏料粒子濃度和剪切速率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。具體研究方法為：利用實驗室研磨分散設(shè)備制備顏料粒子濃度不同的uv膠印油墨樣品，用ares流變儀（美國ta流變公司）測試各油墨樣品的粘度與剪切速率的關(guān)系曲線。對實驗數(shù)據(jù)進行分析、整理、研究，選擇適當(dāng)?shù)淖兞看鷵Q，采用多次分步非線性回歸的方法，建立油墨分散體系的粘度數(shù)學(xué)模型。

 

  4 油墨分散體系的動態(tài)粘彈性

  油墨在實際印刷過程中，在受到墨輥旋轉(zhuǎn)等產(chǎn)生的剪切作用以外，還會受到因機械振動產(chǎn)生的動態(tài)刺激作用。g‘呈現(xiàn)出低應(yīng)變區(qū)域平坦、略有上升，在高應(yīng)變區(qū)域急劇下降的變化趨勢。低應(yīng)變區(qū)域總體來說g‘取值較大，且上升變化緩慢，表明顏料粒子形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)仍然具有一定的強度。將g‘開始急劇下降所對應(yīng)的應(yīng)變稱為臨界應(yīng)變，應(yīng)變值大于臨界應(yīng)變后，g’迅速下降，說明超過臨界應(yīng)變后，應(yīng)變的大小對網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密度影響增大。在不同角頻率的測試條件下，臨界應(yīng)變幾乎位于同一位置，本體系油墨樣品的臨界應(yīng)變?yōu)?%。

 

 

  5 結(jié)束語
  研究油墨流變學(xué)性能無論理論層面還是實用層面都很重要，國外油墨生產(chǎn)廠商都設(shè)有相關(guān)研究機構(gòu)，購置流變儀，從事油墨流變學(xué)的研究工作。研究油墨流變學(xué)性能，解析顏料粒子形成的凝聚結(jié)構(gòu)，對油墨生產(chǎn)和使用具有指導(dǎo)意義：
  （1）可以根據(jù)印刷工藝條件對油墨性能的要求，設(shè)計、制備新型油墨用樹脂，達(dá)到一些油墨的特殊性能，如高粘度、低粘性油墨用樹脂。
  （2）可以通過油墨流變學(xué)的研究成果，改進油墨用顏料粒子的表面性能，調(diào)整顏料粒子間的相互作用和連結(jié)料對顏料表面的潤濕性能。
  （3）油墨流變學(xué)性能的研究成果，可以用于指導(dǎo)印刷生產(chǎn)工藝條件的設(shè)定與改善，最大限度地利用油墨的印刷適性。
  （4）深入研究油墨流變學(xué)性能，將有可能在分散體系流變學(xué)的理論研究領(lǐng)域有所突破，從而完善流變學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)理論。

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