【集萃網(wǎng)觀察】油墨的粘性流動

    一、  概    述

    油墨的印刷適性與油墨在印刷過程中的流變行為密切相關(guān)，油墨的流變特性早巳受到普遍的重視。但油墨本身的成分、油墨在印刷過程中的受力情況非常復(fù)雜，致使油墨在印別過程中呈現(xiàn)復(fù)雜多樣的流變狀態(tài)。這給油墨流變特性的研究帶來很大的困難。

    油墨在一般的情況下呈流體狀態(tài)，具有粘滯性，在切力作用下做粘性流動，但在高速轉(zhuǎn)移的情況下，力的作用時間非常短暫而近于沖擊，油墨又會明顯地表現(xiàn)出彈性，油墨是一種粘彈性體，粘彈性體的一個重要的特性，是必須考慮在流變行為中的時間效應(yīng)。

    這里討論油墨的粘性流動，暫且不考慮油墨的彈性效應(yīng)和時間效應(yīng)；主要介紹油墨的流動型式、油墨的粘度、流變方程和流變曲線等基本概念，是深入研究油墨的流變性質(zhì)和印刷適性的基礎(chǔ)。

    在“紙張的印刷適性”部分中，描述過牛頓流動，并把符合牛頓流動規(guī)律的理想化流體模型，叫作牛頓流體。牛頓流體在流動中，切應(yīng)力τ和切變速率D成線性關(guān)系：

          τ = ηND                                              （1）

    式中，ηN是個不依賴于切變速率D的常數(shù)，叫作牛頓流體的粘度。關(guān)于粘度這個概念，后面要泎深入的討論。

          ηN =τ／D                       （2）

    方程(1)中，切應(yīng)力τ和切應(yīng)變速率D，是描述牛頓流體流變狀態(tài)的力學(xué)變量，粘度ηN 是表征牛頓流體物理性質(zhì)的特性參數(shù)。一般地說，描述物體流變狀態(tài)的力學(xué)變量和表征物體物理牲質(zhì)的特性參數(shù)的方程，就叫作物體的流變方程。方程(1)就是牛頓流體的流變方程。

    在一般情況下，物體的流變行為要用兩組方程來描述。一組就是流變方程。這組方程的建立有各種方法，另一組方程是所謂“場方程”，這組方程建立的依據(jù)是：質(zhì)量守恒原理、能量守恒原理和動量守恒原理。對于牛頓流體來說，這兩組方程的建立，都沒有什么困難，而且在許多給定的邊值條件下，求得了解。然而，印刷過程中的油墨，在大多數(shù)情況下，并不能看作是牛頓流體。這樣，作為研究印刷過程中油墨流變性質(zhì)的第一步，就必須弄清油墨可能表現(xiàn)的流動型式，并建立相應(yīng)的流變方程。

    油墨通常呈流體狀態(tài)。流體微團(tuán)在切應(yīng)力的作用下很容易變形：流體微團(tuán)變形的宏觀表現(xiàn)就是流動。從研究流體流變性質(zhì)的角度看，我們關(guān)心的還不是流體切變的本身γ而是流體切變的快慢，即切變γ對時間t的變化率D，D= γˋ=dγ／dt。這是因為，對于給定的流體，在給定的切應(yīng)力τ的作用下，所發(fā)生的切變速率γˋ是唯一的，而發(fā)生的切變γ卻是沒有限制的。事實上，流體的切變速率D，是個可測的物理量，而流體的切變γ，卻是無法測量的。所以，我們可以用切應(yīng)力τ和切變速率D，作構(gòu)成流變方程的力學(xué)變量。如果用切變速率為橫坐標(biāo)，用切應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)系中繪制：τ—D關(guān)系曲線，這就是流體的流變曲線了。至于出現(xiàn)在流變方程中的物理特性參數(shù)，主要是各種形式的流體粘度。

    由切力引起的流動，叫剪切流動。實驗表明，粘性液體的剪切流動，可以分為五種主要的流動型式(流型)。油墨作為粘性液體，在印刷過程中所表現(xiàn)的流變行為大多在這五種流型之中，下面分別予以說明。

    曲線A所表示的是牛頓型的流動，它表明：只要有切應(yīng)力τ，不管它多么小，在切應(yīng)力τ的作用下，液體的切變速率D便瞬即產(chǎn)生，并且始終與切應(yīng)力τ成正比。   

    曲線B和C同曲線A一樣通過原點，同樣表明：只要有切應(yīng)力τ，不管它多么小，在切應(yīng)力τ的作用下，液體的切變速率會瞬即產(chǎn)生。但在切變速率產(chǎn)生以后，隨著切應(yīng)力的增加，曲線B所代表的流型的切變速率增加得越來越快，而曲線C所代表的流型的切變速率卻增加得越來越慢。前者的流型叫假塑性流動，后者的流型叫脹流型流動。與此相應(yīng)地，我們把符合假塑性流動規(guī)律的流體模型叫假塑性流體，而把符合脹流型流動規(guī)律的流體模型叫脹流型流體。

    曲線D代表所謂賓哈姆流體的賓哈姆流動；曲線E代表所謂塑性流體的塑性流動。這兩種流型的共同特點是，當(dāng)作用在流體上的切應(yīng)力小于或等于某個確定的應(yīng)力時，流體并不發(fā)生流動，這時切變速率為零；而當(dāng)切應(yīng)力大于這個確定的應(yīng)力時，流體才發(fā)生流動。這個確定的應(yīng)力叫流體的屈服應(yīng)力或屈服值。它們的不同之處是，當(dāng)流動發(fā)生后，賓哈姆流動的切變速率隨切應(yīng)力成比例地增加，而塑性流動的切變速率卻增加得越來越快。

    假塑性流體、脹流型流體、賓哈姆流體、塑性流體通稱非牛頓流體。印刷過程中的油墨，在很多情況下要看作是賓哈姆流缽，但有時要看作是脹流型流體，如雕刻凹版油墨；有時還要看作是假塑性流體，如某些凹版油墨。  

    以上五類流型，都是剪切引起的流動，流體中的所有流體微團(tuán)都呈現(xiàn)簡單剪切變形狀態(tài)，這樣的流動叫剪切流動。表示的是剪切流動的模型，粘性流體充塞在兩個平行平板之間，一板固定，另一板在力F作用下以勻速U平移，則板間流體的運動就是剪切流動。

    還有一種流動，當(dāng)流體通過截面積逐漸收縮的孔道時，流體微團(tuán)在正壓力作用下呈拉伸變形狀態(tài)。這種流動是近年來才引起重視的拉伸流動。事實上，任何一種真實的流動，總是同時含有剪切流動和拉伸流動兩種成分，純粹的剪切流動和拉伸流動都是不存在的。有資料說，在聚合物的加工過程中，拉伸流動的阻力可能要比剪切流動的阻力大上兩個數(shù)量級，并由此推斷，拉伸流動的成分只要占到全部流動的1％，其作用就相當(dāng)可觀，甚至占支配地位。油墨在印刷過程中不斷地被均勻化和轉(zhuǎn)移，拉伸流動是存在的。油墨的拉伸流動是個有待進(jìn)一步研究的課題。

    剪切流動和拉伸流動都沒考慮流動中的彈性效應(yīng)，叫作非彈性流動。非彈性流動中，出現(xiàn)在流變方程中的物理特性參數(shù)，是流體的粘度和屈服值，其中粘度更具有普遍的意義。