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浅谈油墨的流变性

   作者:深圳市锦福新刷有限公司    日期:2013-05-06 11:33:46      

        流变学,是研究物质变形和流动的科学。理想的弹性体和理想的粘性物质实际上是不存在的,许多物质,如纸张、油墨等,其变形规律是复杂的。油墨是在印刷机上被压匀到墨辊上,转移到印版上,再转移到橡皮布上,最后转移到纸张上。在这个过程中,有种种的变形和流动,当油墨受力变形时,既会呈现弹性变形的某些特征,又会呈现流体的粘性,这种现象称为粘弹现象。这种粘弹性物体的受力变形不仅与应力大小有关,而且与这些形变的发展速度有关。显然,印刷油墨的流变性质对印刷适性具有重要的作用。
  一、近代流体的分类
  流体是流变学研究的对象之一。近代流体是根据其在一定温度和剪切应力作用下表现出来的特性,划分为牛顿流体和非牛顿流体两大类。假设一个流体被限制在两块平行板之间,平行板面积为A。其中,下板是静止的,上板是可以移动的,它们之间相隔的距离为x,让力F以正切方向作用于上板,上板的滑动速度相对于下板来说是v,夹在两板之间的流体的上层速度最大,中间层速度中等,下层速度最小,
      对流体的任何部分来说,其速度梯度为  ,由于速度梯度实际上就是流体受力以后的两层流体间的速度变化率,故在物理学上,速度称为剪切速率,用符号D表示,即
   剪切应力是单位面积上所受的压力,用符号t表示,单位为dyn/cm,即
   1.牛顿流体
  牛顿流体的特点是,在层流区其剪切应力r和剪切速率D之间呈现正比关系。即:
  式中流体的粘度,单位为帕·秒,用符号PaS,表示。换言之,凡是流动状态服从式1.3,就称之为牛顿流体。对每一种牛顿流体,粘度是其固有的性质,当温度不变时,粘度是一个常数。
  1-牛顿流体2-假塑性流体3-塑性流体4-胀流流体
  2.非牛顿流体

凡是剪切应力:与剪切速率D之间的关系不服从式1.3的一切流体统称之为非牛顿流体。广义的非牛顿流体包括假塑性流体、塑性流体、胀流流体等。假塑性流体的特点是剪切速率D增大则粘度减小;塑性流体的特点是,当流体承受较小的外力,各流层之间的剪切应力还未达到一定数值时,流体是不产生相对流动的,只有外力增加,流层之间的剪切应力T超过某一极限时,流体才开始产生相对流动,随着剪切速率D增加,粘度减小;胀流流体的特点是,只要有剪切应力T,不管它有多么小,在剪切应力的作用下,流体的剪切速率D会瞬即产生。但在剪切速率产生后,随着剪切应力的增加,剪切速率D增加越来越快。塑性流体的剪切速率D与剪切应力r之间的数学模型可以用式(1.4)来表示:
  二、印刷油墨流变学参数分析
  1.粘度
  粘度是指流体流动时的粘滞程度,是流体分子之间相互吸收而产生的阻碍分子之间相对运动能力的量度,是表征流体流动的阻力(或内摩擦力)大小的指标。油墨的粘度对各类油墨都是重要的,它是表示油墨流变性的重要指标之一。牛顿流体的粘度是一个常数,不依赖于剪切速率,由式 (2.1)定义:
  非牛顿流体的粘度,都依赖于剪切速率。在剪切速率很低时,几乎所有的粘性流体都表现出牛顿流体的性质,即剪切应力与剪切速率D成线性关系,这个阶段流体的粘度,可以用D(流变曲线的初始斜率)来表示,叫做零切变粘度,用符号场表示,由公式 (2.2)定义:
  当剪切速率较高,r-D关系为非线性时,则对应于某一剪切速率的粘度,可以用表观粘度来表示。表观粘度是连接原点O和给定的剪切速率在D曲线上的对应点P所作割线OP的斜率。由公式 (2.3)定义:
  塑性流体剪切速率与表观粘度之间的数学模型可以用式(2.4)表示:
2.屈服值
  屈服值是迫使油墨开始流动时所需要的最小的力,它是用来表征油墨由弹性变形到流动变形过程的粘滞现象和性质的,用符号τ表示,其单位为N/cm。屈服值影响着油墨的流动度,印刷油墨多属于塑性流体,屈服值的大小主要取决于所用连接料的流变性质,以及本身的粘度。
  屈服值的测定采用平行板粘度计,油墨在铺展的过程中,平板与油墨间的剪切应力与粘度计上板的重量P(自重及其配重)和墨柱在给定时刻t的铺展半径R相关;而相应的油墨的剪切速率D,则与墨柱在给定时刻t的铺展直径RR对时间的变化率dR/dt相关。可以根据表1计算印刷油墨的屈服值。

3.触变性
  触变性是指由于流体内部结构破坏的速率和恢复的速率不同,从而表现出在恒定的剪切速率作用下,剪切应力或表观粘度具有对剪切时间的依赖性。触变性的大小可以用触变环法来表示。触变环面积越大,表示流体的触变性越大。
  触变性流体具有时间效应,表现为当剪切速率D为一定值且保持恒定不变时,剪切应力与应力的作用时间t之间表现为应力先增大再减小的变化关系。设二者之间的变化规律可以用模型 (2.5)来表示
  三、粘弹性流体的模型
  大多数粘弹性流体,其剪切速率D与剪切应力r之间的关系均表现出非线性,因此简单的线性模型不足以描述塑性流体的剪切速率D与剪切应力之间的关系。描述线性粘弹性的最简单模型为Maxwen模型,而要描述非线性粘弹性则需要使用非线性粘弹性模型。
 1.Maxwell线性粘弹性模型
  Maxwell模型是MaxwelVoigt1992年前即开始研究材料的粘弹性行为得出的模型,是描述线性粘弹流什的最简单模型,它的力学比拟相当于一个弹簧串联一个阻尼器,如图三所示。         2.非线性粘弹性模型
  Maxwen线性粘弹性模型既不能预示非牛顿粘度,又不能预报法向应力差,因此不能使用Maxwen线性粘弹性模型来描述非线性粘弹性流体。oldroyd流体模型在本构理论及其应用中占有重要作用。oldro州模型有十几种变形,其中,三参数Oldroyd流体模型的表观粘度满足下列关系:  具有粘弹性的流体在恒定剪切速率作用下,剪切应力由弹性应力和粘性应力组成。在屈服前,弹性应力增加,而结构基本没有被破坏,当剪切应力增加到一定程度,结构开始被破坏,弹性应力随剪切应力增加而减小,粘性特征越来越明显。

 

 
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