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油墨和流变学(一)
集萃印花网  2009-11-18

    【集萃网观察】流体力学对人类来说还是一门比较新的学科,它是物理学中的一个分支,其理论比较深奥,因为对一个流体来说,它的流动性能与形态,以及影响流动性能与形态的因素是比较复杂的。 

    一切能流动的东西几乎均可以流体力学来进行研究,它们包括气体、水、油以至沥青类等物质。

    研究物质流动性能的科学叫流变学(Rheo1ogy)。故流变学可定义为流动和形变的科学。

   “油墨是……具有一定流动度的浆状胶粘体”。故油墨是一种流体,从流变学的观点看,油墨可分成两大范畴,即液体(溶剂型)油墨和浆状(如胶、铅印)油墨。它们的流变性能可通过基本的流变学方法来进行研究之。它们包括量的测定(例如粘度、粘性和屈服值等)以及质的测定(例如稀稠、长短和身骨等)。

    油墨制造和印刷过程中的一个主要问题是:油墨必须在各个过程中都有满意而严格的流变性,例如油墨应易于从容器中输送(倒)出来,流净,并传递、转移、分配、抵达印版上,直至最后转印到承印物表面。由于这些复杂的印刷过程是在极快的印刷速度下进行的,所以,在数秒钟内油墨会受到剪切、拉伸、挤压和破碎等力的作用,然后转移至纸上而固着、干燥。

    油墨能否在印刷机上适当地传递与分配?印刷品的复制质量与印刷效果(例如飞墨、网点清晰度、密度、印刷一致性、耐磨性、渗透性、光泽,堆橡皮、脏版等等)如何?这些都与油墨的流变性有关。

    在现代的油墨制造工艺中,还引入了一些新的表示特性的术语,例如“粘性抑制”  (Tack Suppression)和强(健)度(Robustness)等。   

    我们知道,在平版胶印印刷中,油墨在通过墨辊系统传向印版、橡皮布、以至纸张,然后在一堆印刷好的纸张堆中干燥。如果在整个过程中油墨的粘性并不增长很多,这样,既可采用薄一些的纸张,又可减少浪费。而在已经印刷好的纸张堆中干燥时,粘性的增长也可得到控制。

    所谓强(健)度则是更为复杂的一个概念,它关系到油墨能否很快地达到印刷平衡;以及在相反条件下保持此平衡的能力。从实用观点看,就是缩短台时,减少浪费,减少消耗。强(健)的油墨具有比较好的抗水性,这又可大大减少堆版和脏版等弊病。

    这里所说的强(健)度就是指一个油墨放到印刷机上后,能非常顺利地进行印刷而不出现任何故障的意思。

    显然,油墨在印刷使用中的成败,大大地取决于它的流变性能。

    综上所述,讨论油墨的流变性主要是研究油墨性能的所谓“墨性”。也可以这样认为:在目前来说,流变性是研究油墨“墨性”的主要手段之一。   

    一、  粘度和流变性的一些基本概念

    (一)、粘度的定义

    粘度是阻止流体流动的一种性质,是流体分子间相互作用而产生阻碍其分子间相对运动能力的量度,即流体流动的阻力。这种阻力(或称内摩擦力)通常以每单位面积所受的力——剪力应力来计算。  

    假设一个流体被限制在两块平行板之间,一块是静止的,一块是移动     的,它们被距离x所分开,让力F以水平(正切)方向作用于上部可移动的板上,这样,上板的滑动速度对下板来说是v。当其这样移动时,在两块板之间的流体层也向一边移动。上部的流体层速度最大,中间的流体层速度中等,下部的流体层速度最小(等于0)。故对任何部分的流体来说,其速度梯度dv/dx(速度dv改变时厚度dx亦相应改变)是个常数。速度梯度γ定为剪切速率(Shear Rate)。在给定的情况中,剪切速率(速度梯度)从上面到下面是一致的,这是因为dv/dx亦  相等于v/x。剪切速度v习惯上以厘米/秒来表示,厚度x则以厘米表示。剪切速率γ(=v/x)为秒的倒数(秒-1),因为厘米单位(在分子和分母中都有)已被约去了,故在分母中只有秒单位来表示剪切速率的量。

    如作用在面积为A的上板面上的总正切力是F,则作用在上板的一个单位面积上的力是F/A。这单位面积上的力t叫作剪切应力(Shear Stress)。剪切力F习惯上以达因(一克等于980达因)表示,而面积A的单位则是厘米2。因此,剪切应力t(=F/A)为达因/厘米。

    1.绝对粘度。我们有了剪切应力和剪切速率的两个概念后,就可对粘度进行定义:粘度系数η是剪切应力与剪切速率的比。

    粘度的单位叫泊,符号为P(Poise-1842年由泊埃修-Poiseuille氏提出并命名)。这是绝对粘度单位的量度。工业上常用它的百分之一做单位,即厘泊(1/100泊),符号为C.P:(Centi  Poise)。

           1泊=100厘泊。

               γ=dv/dx                               (1)

    式中:γ=剪切速率(亦称切变速率)

                   dv=速度

                   dx=厚度(距离)

                       t=F/A                                   (2)

    式中:t=剪切应力(亦称切变应力)

                   F=剪切力

                  A=受力面积

                         t                F/A

              η=———=——————            (3)

             γ               dy/dx

 

    前已提及,F/A是作用在单位面积上的力。如果以S=F/A,则:

             S= η dv/dx                                        (4)

    这个式子所表示的就是所谓牛顿粘度定律,它的物理意义是:两流体层之间单位面积上的摩擦力即剪切应力与垂直于流动方向的速度梯度成正比。

    当剪切应力以达因/厘米2和剪切速率以秒-1表示时,其粘度单位即是泊。即在物理单位制(c.g.s.制-厘米.克.秒.制)中,η的因次是:

                   达因·秒                   克

       η=———————=——————=泊        

    厘米2           厘米·秒

    故粘度的定义也可写成:当流体受到1达因/厘米2的剪切应力而能产生每秒1厘米的速度梯度时,则称该流体具有1泊的粘度。或写成,流体面积为1厘米2的一个平面,以每秒1厘米的速度对另一个流体平面(两个流体平面之间的距离为1厘米)作运(移)动,其作用力为1达因时,则两个流体平面之间的流体的粘度为l泊。

    目前,粘度的单位(泊),已开始被(帕(斯卡)-秒)单位所替代。(帕(斯卡)-秒)单位现在已经成为国际单位系统中粘度的法定单位。

    (帕(斯卡)-秒)(Paseal-second)的符号为(Pa.a)或(Pas)。由于在数值上1厘泊(c.P。)近似于1(毫帕(斯卡)-秒)(mpa.s),这样就省去了许多计算上的麻烦,故它们的换算关系为:

    1 Pa=1牛顿/米2(1N/m2)=10达因/厘米2 (dyn/cm2)

    1 Pa.s=10泊(P)=10达因.秒/厘米2 (dyn.s/cm2)

    1 mpa.s=l 厘泊(c.P.)   

    1 SI单位 牛顿秒/米2=10泊

    根据国际单位系统的命名,式(3)η=t/γ就可作如下的物理叙述:t=每单位面积的力=牛顿/米2=1帕(斯卡),γ=速度,梯度=dv/dx(秒-1)。因而:

                t               牛顿·秒

    η=————=——————=帕(斯卡)-秒

                        γ                     米2

    注:粘度的定义也可写成:如果液体的层与层之间沿流线的法线方向1厘米距离上的流速变化为1厘米/秒,而1厘米2的液体面积上的剪切应力为1达因时,则此液休的粘度为l泊。

    粘度亦称内摩擦系数或粘滞系数。

    下面提供的数据关系在这个范畴的计算中是有一定的参考意义的:

    牛顿(N)= 105达因

    达因=10-5 牛顿

    厘泊=10-3牛顿·秒/米2

    泊=0.1牛顿·秒/米2=1达因·秒/厘米2=0.1帕·秒

    达因/厘米2=0.1牛顿/米2

    达因·秒/厘米=10-3牛顿·秒/米

    根据上述情况可知,粘度是阻止流体流动的一种性质(即粘度是测定流体对剪切应力的阻抗)。

    2.运动粘度(Kinematic Viscosity)。运动粘度(动粘度,动力粘度)就是流体的绝对粘度(泊)与流体的密度(克/厘米3) 之比,可由下式表示:

                  v=η/ρ                                          (5)

    式中:  v=运动粘度(斯托克斯),

           η=绝对粘度(泊),

           ρ=流体的密度(克/厘米3)。

    运动粘度的单位为斯托克斯(Stokes-厘米2/秒,现推荐用平方米每秒,即m2/s)和厘斯托克斯(1/100斯托克斯)。

    一斯托克斯=1厘米2/秒=10-4米2/秒。

    当使用所谓运动粘度仪(如小孔型和气泡型)时,或为了设计输送管道装置时,就需要引入运动粘度这个概念。

    在生产控制上,还经常使用相对粘度或条件粘度。

    3.相对粘度。是流体的绝对粘度与同条件下标准液体(例如水)的绝对粘度之比。

    4.条件粘度。是指一定量的流体,在一定的温度下从规定直径的小孔中所流出的时间,以秒表示。

    在20℃(68℉)时,水的粘度为1C.P.。亚麻油的粘度约为50C.P.。桐油的粘度约为300C.P.。蓖麻油的粘度约为1,000C.P.。

    粘度的倒数为流度(流动性-Fluidity),以符号w表示,其关系式如下:

    η=vρ=1/w                                             (6)

    来源:卓创资讯化工网 

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