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    【集萃網觀察】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，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雜，致使油墨在印別過程中呈現復雜多樣的流變狀態。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，具有粘滯性，在切力作用下做粘性流動，但在高速轉移的情況下，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。

    這里討論油墨的粘性流動，暫且不考慮油墨的彈性效應和時間效應；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和印刷適性的基礎。

    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，切應力τ和切變速率D成線性關系：

          τ = ηND                                              （1）

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

          ηN =τ／D                       （2）

    方程(1)中，切應力τ和切應變速率D，是描述牛頓流體流變狀態的力學變量，粘度ηN 是表征牛頓流體物理性質的特性參數。一般地說，描述物體流變狀態的力學變量和表征物體物理牲質的特性參數的方程，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是：質量守恒原理、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的第一步，就必須弄清油墨可能表現的流動型式，并建立相應的流變方程。

    油墨通常呈流體狀態。流體微團在切應力的作用下很容易變形：流體微團變形的宏觀表現就是流動。從研究流體流變性質的角度看，我們關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，在給定的切應力τ的作用下，所發生的切變速率γˋ是唯一的，而發生的切變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，我們可以用切應力τ和切變速率D，作構成流變方程的力學變量。如果用切變速率為橫坐標，用切應力τ為縱坐標，在直角坐標系中繪制：τ—D關系曲線，這就是流體的流變曲線了。至于出現在流變方程中的物理特性參數，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：只要有切應力τ，不管它多么小，在切應力τ的作用下，液體的切變速率D便瞬即產生，并且始終與切應力τ成正比。   

    曲線B和C同曲線A一樣通過原點，同樣表明：只要有切應力τ，不管它多么小，在切應力τ的作用下，液體的切變速率會瞬即產生。但在切變速率產生以后，隨著切應力的增加，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。與此相應地，我們把符合假塑性流動規律的流體模型叫假塑性流體，而把符合脹流型流動規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，當作用在流體上的切應力小于或等于某個確定的應力時，流體并不發生流動，這時切變速率為零；而當切應力大于這個確定的應力時，流體才發生流動。這個確定的應力叫流體的屈服應力或屈服值。它們的不同之處是，當流動發生后，賓哈姆流動的切變速率隨切應力成比例地增加，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都呈現簡單剪切變形狀態，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，當流體通過截面積逐漸收縮的孔道時，流體微團在正壓力作用下呈拉伸變形狀態。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移，拉伸流動是存在的。油墨的拉伸流動是個有待進一步研究的課題。

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

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