【CPP114】：0 前言

  印刷產業是我國重要產業之一，截至2008年底，我國印刷企業數已達10萬家，從業人員約340萬，2008年我國印刷產業gdp約4800億元人民幣，約占全國gdp的2%，在國民經濟中占有舉足輕重的作用。印刷油墨是印刷產業的重要原材料之一，據統計數據，2008年我國油墨產量已經突破40萬噸。目前在我國，膠印仍然是最主要的印刷方式，占據著印刷產業的主流位置，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構，同時，用于膠印油墨的連結料樹脂通常都是高聚物，因此，膠印油墨表現出極為復雜的流變學特性。從本質上來說，膠印油墨的流變學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料樹脂間的相互作用。膠印油墨的流變學性能直接影響到油墨的印刷適性，進而影響到印刷品質量。因此，研究膠印油墨的流變學性能，解明油墨體系中顏料粒子的分散狀態，對油墨體系的設計、油墨的生產工藝、改善油墨的印刷適性、提高印刷品質量具有重要意義。

  1 膠印油墨流變學與印刷適性

  1.1 膠印油墨的流變學

  流變學是研究物質流動與變形的一門科學，主要探究物質在受到外界刺激時的流動與變形的規律。膠印油墨在生產制備以及使用過程中均會受到極為強烈的外界刺激，并表現出復雜的流動與變形特征。

  油墨流變學性能主要有包括粘度、應力、屈服值等在內的穩態力學性能、包括儲存彈性率（動態彈性率）、動態粘性率、損失正切等在內的動態力學性能以及觸變性、逆觸變性、剪切變稀、剪切增稠等與作用時間相關的性能。這些流變學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主要受粒子的濃度、粒徑、界面活性、粒子間以及粒子與連結料間的分子作用力等因素的影響。

  比較影響油墨流變學性能和影響顏料粒子分散性的參數可以看出，油墨的流變學性能主要取決于顏料粒子分散狀態，因此，影響油墨印刷適性的主要因素實質上也是顏料粒子的分撒狀態。這也正是油墨生產企業將解決油墨中顏料粒子分散性和分散穩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律；粘性大小決定著油墨在各種載體間的分配與轉移，影響著油墨的轉移率；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性質以及各油墨組分的物化性質有關。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特性，研究油墨的流變學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出的墨層間的摩擦阻力，拉伸粘度指油墨受到拉伸應力作用時抵抗油墨發生拉伸變形的阻力。從能量的觀點看，油墨的粘度實質上是一種能量的耗散，即油墨受到外力作用時，由于摩擦作用而產生熱量導致溫度升高，并以熱的方式被消耗。油墨粘度與所受的應力、應力作用時間等有關。

  油墨樣品表現出典型的分散體系的剪切變稀的流變學特征，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。這種現象說明隨著剪切速率的增大，油墨受到的剪切應力增大，油墨中顏料粒子形成的凝聚結構逐漸被破壞，形成更小的凝聚體，表觀上改善了顏料粒子的分散狀態。在其它條件相同的情況下，顏料粒子分散狀態良好的油墨粘度比存在凝聚結構的粘度要小。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構被破壞的難易程度，高剪切速率領域能否趨于平衡，可以表征凝聚結構的殘余程度，或凝聚結構被破壞與結構恢復處于動態平衡所需的條件。實驗油墨樣品在高剪切速率領域，粘度一直呈現下降趨勢，說明在測試范圍內，凝聚結構的被破壞程度大于結構恢復的速度，未達到動態平衡狀態。對其它油墨（包括常用的各種膠印油墨）的測試結果也表現出類似的變化趨勢。

 

  通常所說的油墨粘度，如膠印油墨的粘度應控制在200-400poise范圍，那么所給出的粘度指標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，這些粘度的數值也都不一樣。許多測試結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。

  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合力。油墨的粘性及對載體的附著性之間必須滿足一定關系，粘性太大附著力低則容易產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移、并易導致“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，也可以分析油墨的粘性，并可以深入進行理論研究。

 

  2.3 調墨油及撤粘劑對膠印油墨粘度的影響

  用調墨油稀釋油墨，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號調墨油測試的各樣品的粘度與剪切速率的關系曲線，圖5為相同樣品的粘性與調墨油含量的關系，圖中曲線從上至下分別為調墨油或撤粘劑含量0%、1%、3%、5%和8%。調墨油及撤粘劑加入量對油墨的粘度均有影響，且調墨油對粘度的影響更大。調墨油主要用于調整油墨的粘度，理所當然，其加入量越多，對粘度的影響越大，而且，隨著調墨油含量的增加，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 調墨油及撤粘劑對膠印油墨粘性的影響

  調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墨油對油墨粘性的影響更大。

  調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出下降的趨勢。調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，表現出顯著的剪切變稀的流變學特征。油墨的粘度與諸多因素有關。但當油墨組分確定以后，則粘度只受顏料粒子的分散狀態以及由顏料粒子形成的凝聚結構密度的影響。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和結構密度。分散體系中，影響粒子形成凝聚結構的因素很多，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學模型的研究，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學關系。具體研究方法為：利用實驗室研磨分散設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系曲線。對實驗數據進行分析、整理、研究，選擇適當的變量代換，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學模型。

 

  4 油墨分散體系的動態粘彈性

  油墨在實際印刷過程中，在受到墨輥旋轉等產生的剪切作用以外，還會受到因機械振動產生的動態刺激作用。g‘呈現出低應變區域平坦、略有上升，在高應變區域急劇下降的變化趨勢。低應變區域總體來說g‘取值較大，且上升變化緩慢，表明顏料粒子形成的網狀結構仍然具有一定的強度。將g‘開始急劇下降所對應的應變稱為臨界應變，應變值大于臨界應變后，g’迅速下降，說明超過臨界應變后，應變的大小對網狀結構密度影響增大。在不同角頻率的測試條件下，臨界應變幾乎位于同一位置，本體系油墨樣品的臨界應變為1%。

 

 

  5 結束語
  研究油墨流變學性能無論理論層面還是實用層面都很重要，國外油墨生產廠商都設有相關研究機構，購置流變儀，從事油墨流變學的研究工作。研究油墨流變學性能，解析顏料粒子形成的凝聚結構，對油墨生產和使用具有指導意義：
  （1）可以根據印刷工藝條件對油墨性能的要求，設計、制備新型油墨用樹脂，達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的研究成果，改進油墨用顏料粒子的表面性能，調整顏料粒子間的相互作用和連結料對顏料表面的潤濕性能。
  （3）油墨流變學性能的研究成果，可以用于指導印刷生產工藝條件的設定與改善，最大限度地利用油墨的印刷適性。
  （4）深入研究油墨流變學性能，將有可能在分散體系流變學的理論研究領域有所突破，從而完善流變學學科的基礎理論。

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