【集萃網(wǎng)觀察】油墨的觸變性

    一、  概    述

    我們已經(jīng)知道，假塑性流體的表觀粘度隨切應(yīng)力的增大而減小，脹流型流體的表觀粘度隨切應(yīng)力的增大而增大。這里，表觀粘度都對切應(yīng)力和切變速率具有依賴性。但是，當(dāng)切應(yīng)力保持恒定時，切變速率也保持恒定，表觀粘度是個常數(shù)，并不隨時間而變化。前面討論過的流體，我們都假定它們具有這樣的性質(zhì)，即它們的流變特性都與時間無關(guān)，因而它們的流變方程中并不顯含時間因子。這樣的流體模型，叫非依時性流體。它們的流變特性只需用τ = f(D)的關(guān)系式來描述，切應(yīng)力τ和切變速率D是一一對應(yīng)的。

    可是有些流體卻不是這樣，它們的流變特性與時間相關(guān)，因而流變方程中含有時間因子，τ、D間不再是一一對應(yīng)的關(guān)系，這樣的流體模型，叫依時性流體。

    依時性流體可以分兩類：在溫度保持恒定的條件下，如果切變速率保持恒定時，切應(yīng)力和表觀粘度隨時間延長而減小，這樣的流體叫觸變性流體，在溫度保持恒定的條件下，如果切變速率保持恒定時，切應(yīng)力和表觀粘度隨時間延長而增大，這樣的流體叫震凝性流體。觸變性流體在周期性攪動的持續(xù)作用下，表觀粘度會下降——變稀，震凝性流體在有節(jié)奏振動的持續(xù)作用下，表觀粘度會上升——變稠，而且，在外界的機(jī)械作用停止后，經(jīng)過相當(dāng)長的時間，又都能恢復(fù)到初始的狀態(tài)。所以，觸變過程和震凝過程都是等溫下的可逆過程。

    流體的觸變性和假塑性、震凝性和脹流性、有本質(zhì)上的不同。假塑性和脹流性，表明流體的切應(yīng)力對于切變速率的依賴關(guān)系；而觸變性和震凝性，表明在恒定的切變速率下，切應(yīng)力對于時間的依賴關(guān)系。觸變性流體都具有假塑性，震凝性流體都具有脹流性。但是，假塑性流體卻不一定是觸變性的，脹流型流體也不一定是震凝性的。

    膠印油墨是較為典型的觸變性流體，油漆、牙膏、泥漿都具有明顯的觸變性。震凝流體比較少見，可以舉出堿性的丁腈橡膠的乳膠懸浮液為例，流體的震凝性在工程上也沒有觸變性那么重要。在以后討論中，我們約定：如果流體在恒定的切變速率的持續(xù)作用下，表觀粘度下降得明顯，我們就說這種流體的觸變性大；反之，如果流體在恒定的切變速率的持續(xù)作用下，表觀粘度下降得并不明顯，我們就說這種流體的觸變性小。

    油墨的觸變性對于印刷工藝有很重要的意義。在給墨過程中，如果油墨的觸變性較大，那么油墨在發(fā)生觸變現(xiàn)象之前粘度可能很大，這是在墨斗中形成“堵墨”現(xiàn)象的原因之一。有的印刷機(jī)上裝有攪墨裝置，用以使油墨發(fā)生觸變現(xiàn)象，降低油墨的表觀粘度，從而使油墨順暢地從墨斗傳遞出去，進(jìn)入分配行程。在分配行程中，油墨在很多高速旋轉(zhuǎn)的墨輥間延展和傳遞，把油墨充分地均勻化，再轉(zhuǎn)移到印版上去。如果油墨的觸變性較大，那么，在分配行程中，油墨的表觀粘度會明顯地下降，這對油墨的均勻化和轉(zhuǎn)移傳遞是有好處的。油墨從印版上轉(zhuǎn)移到承印物上的過程叫做轉(zhuǎn)移行程。進(jìn)入轉(zhuǎn)移行程的油墨，是表觀粘度因觸變作用而下降了的，油墨轉(zhuǎn)移到承印物上以后，外界的機(jī)械作用沒有了，表現(xiàn)粘度重又回升，保證了油墨不向四周流溢，使網(wǎng)點(diǎn)清晰，印品的墨色鮮明而濃重。由此看來，某些印刷過程是利用了油墨的觸變特性才得以實(shí)現(xiàn)的。

    有關(guān)油墨觸變性產(chǎn)生的機(jī)理、表征方法、實(shí)驗(yàn)測定的研究，早巳受到普遍的重視。但是，現(xiàn)在人們對油墨觸變性的認(rèn)識還遠(yuǎn)不夠。

    二、  觸變性產(chǎn)生的原因

    一般地說，觸變現(xiàn)象是體系的結(jié)構(gòu)破壞和形成之間的一種等溫可逆轉(zhuǎn)換過程，而這種過程及其轉(zhuǎn)換中的體系的機(jī)械強(qiáng)度，又明顯地依賴于時間。所以，一般體系的觸變現(xiàn)象，都可以看成是恒溫條件下凝膠狀態(tài)和溶膠狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的表現(xiàn)；而且，從凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)化到溶膠狀態(tài)，機(jī)械作用要持續(xù)一定的時間：從溶膠狀態(tài)恢復(fù)到凝膠狀態(tài)，在機(jī)械作用停止后，也需要經(jīng)過一定的時間。油墨的觸變現(xiàn)象也是如此。

    對于油墨觸變現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理，有下述三種解釋。

    膠印油墨�？煽醋魇琴e哈姆流體。賓哈姆流體的特征是：切應(yīng)力低于屈服值時，流體不發(fā)生流動；切應(yīng)力大于屈服值時，切變速率與切應(yīng)力成正比，或者說塑性粘度保持常值。賓哈姆流體的結(jié)構(gòu)模型，可以看作是由無數(shù)相互間有牽引力作用的粒子所組成的體系，這種粒子之間的牽引力作用，形成了抵抗外力破壞，保持體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定的能力，這種能力在數(shù)量上的描述，就是屈服值。如果外部切應(yīng)力超過體系的屈服值，牽引力作用不足以維持體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)的穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)便會遭到破壞。結(jié)構(gòu)破壞的微觀表現(xiàn)，就是相互間的滑移，而表觀粘度就是表征體系的滑移或流動程度的物理量。另一方面，體系的破壞程度不僅與外部切應(yīng)力的大小有關(guān)，而且與切應(yīng)力的作用時間有關(guān)，這就是油墨在一定的切應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長的時間，表觀粘度有所下降的原因。如果此后外部切應(yīng)力消失，遭到破壞的結(jié)構(gòu)在粒子間牽引力的作用下又趨恢復(fù)，表觀粘度會重新增加。這是解釋油墨觸變性機(jī)理的一種理論。

    其次，按膠體化學(xué)的觀點(diǎn)，油墨是由作為分散相的顏料分散在作為連續(xù)介質(zhì)的連結(jié)料中所形成的分散體系。因?yàn)橄竽z印油墨之類的油墨，連結(jié)料中含有一定數(shù)量的極性介質(zhì)，在表面活性劑加入后，連結(jié)料的極性還會有所增加，所以，與油墨中顏料粒子相接觸的界面上總是帶有電荷的，可能是正電荷，也可能是負(fù)電荷。界面電荷的存在，影響到連結(jié)料中電解質(zhì)離子的分布，帶相反電荷的離子被吸引到界面附近，帶相同電荷的離子被排斥而遠(yuǎn)離界面。由于離子本身的熱運(yùn)動，在界面附近就形成了有規(guī)則的排列，建立起一個所謂擴(kuò)散雙電層。由于粒子界面附近擴(kuò)散雙電層的作用，使得油墨粒子間出現(xiàn)了引力和斥力。油墨在靜止?fàn)顟B(tài)下，引力和斥力相平衡，所以呈現(xiàn)凝膠狀態(tài)，在外部機(jī)械作用下，粒子雙電層部分遭到破壞，粒子的帶電精況因而改變，粒子間引力和斥力失去平衡，擴(kuò)大了自由運(yùn)動的范圍，所以呈現(xiàn)溶膠狀態(tài)。外部的機(jī)械作用時間越長，粒子雙電層被破壞的越嚴(yán)重，從凝膠形態(tài)到溶膠形態(tài)的轉(zhuǎn)變越徹底。外部的機(jī)械作用一旦消失，粒子雙電層重又開始恢復(fù)，經(jīng)過一定的時間，體系再次回到起初的凝膠形態(tài)。體系從凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)化到溶膠狀態(tài)，粘度有所下降，體系從溶膠狀態(tài)回復(fù)到凝膠狀態(tài)，粘度重又回升，這就是油墨表現(xiàn)出來的觸變現(xiàn)象。

    還有一種看法，認(rèn)為油墨之類的觸變性體系，在靜止時粒子之間的聯(lián)系象搭成的架子，是二種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以體系呈凝膠形態(tài)。外部的機(jī)械作用改變了粒子間的聯(lián)系，拆散了一部分搭成偽架子，使結(jié)構(gòu)失去了穩(wěn)定，所以逐漸使體系呈溶膠形態(tài)。在外部機(jī)械作用消失后，這種觸變性體系具有重新搭起被破壞了的架子的能力，因而重新形成粒子間的聯(lián)系，所以可逐漸地恢復(fù)到起初的凝膠形態(tài)。而且，搭成和拆散架子又都需要一定的時間。這樣，體系就有了觸變特征。這種看法，用來解釋油墨產(chǎn)生觸變性的原因比較合適，因?yàn)橛湍�中的顏料粒子有的是球形的，有的卻是針形、棒形或片形的，假設(shè)這樣的粒子在靜止時能搭成架子，形成一定的結(jié)構(gòu)，是比較合理的。當(dāng)然，這里所說的“粒子”，一般說來，并不單指體系分散相，而且包括體系中的連續(xù)介質(zhì)。

    體系觸變性產(chǎn)生的原因和機(jī)理，看法還不一致，所以還不能說有了準(zhǔn)確、完整的理論。油墨的觸變性理論更是如此。一般地說，影響油墨觸變性的主要因素是顏料的情況：顏料粒子的形狀，顏料粒子在油墨中所占的體積比，以及顏料粒子與連結(jié)料之間潤濕能力等。針狀和片狀的顏料粒子制成的油墨；要比球狀的顏料粒子制成的油墨觸變性大些，顏料粒子在油墨中所占的體積比越大，油墨的觸變性也越大；使用的顏料和連結(jié)料之間潤濕能力較強(qiáng)，則制成的油墨觸變性要小些。為了增加油墨的觸變性，可以加入一些膠質(zhì)油，為了降低油墨的觸變性，可以加入一些低粘度的稀釋油，但效果并不顯著。

    流體觸變性的存在，改變了它的流變曲線的形狀，即產(chǎn)生了所謂“滯后現(xiàn)象”，這是觸變性流體一個重要特征。