【集萃網(wǎng)觀察】二、 粘度儀和粘性儀
粘度儀和粘性儀的種類是很多的，幾乎可以這樣認(rèn)為：油墨行業(yè)是應(yīng)用粘度儀最多的一個(gè)行業(yè)。至于粘性儀，則已成了油墨行業(yè)的主要儀器，目前是油墨制造中必不可少的儀器之一。
因之，這里想盡可能多地來討論關(guān)于這方面的儀器，尤其是有代表性的類型。
（一）、粘 度 儀
粘度儀的設(shè)計(jì)原理幾乎都是以牛頓流體為基礎(chǔ)的，所以，不管它們有多少種類型，它們的基本原理還是同出共因。
1、毛細(xì)管式粘度儀(Capillary Viscosimeter)。
設(shè)有一根毛細(xì)管，它的內(nèi)部半徑為R，使牛頓流體以一致的滯流形式通過這根毛細(xì)管，作用在管子長度為I上的壓力為。假設(shè)有一個(gè)與管子同心的液體圓殼，其半徑為r，厚度為dr，長度為L。從這些薄圓先的對(duì)稱排列來看，在殼外部的每一個(gè)流體顆粒，以速度v運(yùn)動(dòng)，而在它的內(nèi)部，則速度稍大一些；為v+dv。故通過殼厚為dr的速度梯度(剪切速率)是－dv／dr，負(fù)的符號(hào)表示：半徑增大則速度減小。
作用在被殼包圍的液體圓筒上的力F，相當(dāng)于作用在殼的長度上的壓力P乘以圓殼的橫斷面πr2。這些力可通過殼的內(nèi)表面而像剪切應(yīng)力一樣地分配，其面積相當(dāng)于2πrL。 為了得到流過管子的體積的比例，可將管子中的所有同心圓殼(半徑從r=0到r=R)的流動(dòng)情況匯總起來。這可將在單位時(shí)間(t)內(nèi)通過管子的一定斷面(距離)的液體體積(v)記錄下來，其形狀就像一個(gè)回轉(zhuǎn)拋物面。實(shí)際上，作用在毛細(xì)管長度為L上的壓力P，可以通過在(進(jìn)入)毛細(xì)管上面的流體的靜壓高差(頭)而得到。
可以看出，毛細(xì)管粘度儀一般適用于牛頓流體，常用以測定溶劑、油脂等透明類物質(zhì)。
對(duì)非牛頓流體而言，臨界雷諾指數(shù)與剪切速率以及物質(zhì)的分子大小、形狀有關(guān)。大而較長的分子會(huì)明顯地降低雷諾指數(shù)。所以毛細(xì)管粘度儀又叫運(yùn)動(dòng)粘度儀。
一種代表性的毛細(xì)管粘度儀，叫凱能－芬斯克粘度儀。另一種常用的毛細(xì)管粘度儀叫烏氏(Ubbelohde)粘度儀。還有一種賽包特(Saybolt)型粘度儀，是一種測定60厘米。流體自下部毛細(xì)管中流出所需時(shí)間的儀器。
毛細(xì)管粘度儀不能用作塑性油墨的基本流變性研究，因?yàn)樗苄杂湍诿?xì)管中的混合流動(dòng)是非常復(fù)雜的。
2、氣泡式粘度儀(Bubble Viscosimeter)。
氣泡式粘度儀就是一種利用管子中被測流體的氣泡上升的速度來測定它的粘度的儀器。它也是一種測定運(yùn)動(dòng)粘度的儀器。
氣泡式粘度儀是一種具有較長歷史的儀器，長期以來一直被涂料工業(yè)所采用，主要用于測定透明的流體。這種儀器也不能測定不透明的，具有屈服值的非牛頓流體。
加氏(gardner－Holdt)粘度儀是這類粘度儀的典型。
3、落球式粘度儀。
以落球式粘度儀測定流體的粘度時(shí)，是基于測定一個(gè)球落下通過被測流體的速度。測定比較簡便，通過適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理后，也可得到比較準(zhǔn)確的粘度數(shù)據(jù)。
落球式粘度儀是一種比較簡便的儀器，一般也用來測定透明的牛頓流體，可以“泊”為單位表示。
4、小孔(單孔)式粘度儀(Orifice－Single－Viscosimeter)。
小孔式粘度儀與毛細(xì)管式粘度儀一樣，均屬于所謂流出(Efflux)型粘度儀。實(shí)際上，小孔式粘度儀可以看成是毛細(xì)管粘度儀的工業(yè)化，只是把流體的容量放大了，把毛細(xì)管部分改成了粗短的小孔而已。這種粘度儀在涂料工業(yè)中有比較廣泛的應(yīng)用。美國的4號(hào)福特杯（No.4Ford Cup），現(xiàn)在我國統(tǒng)一叫做“涂－4杯”。
這是一種測定流體從粘度杯中流出的全部時(shí)間(秒)來作為該流體的條件粘度的一種粘度儀。
涂－4粘度儀一般只適用于測定粘度在150秒以下的流體。水的粘度約為10秒。觸變性大的流體則不甚適用。
這種粘度儀的缺點(diǎn)是由于孔徑大，長度短，因此，流動(dòng)的穩(wěn)定性差，在流動(dòng)中的雷諾指數(shù)也比較大，故不適于作比較精確的科學(xué)研究。
這種粘度儀的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，易于擦洗，耐用。
還有一種更簡便的與涂—4粘度儀近似的小孔粘度儀，就是所謂的柴(恩)氏(Zahn)粘度杯。這是一種圓筒(柱)體，球形底，并帶有較長的手提梁的輕便粘度杯。一套共有五個(gè)，其底部開有不同尺寸的小孔，分別適用各種各種不同粘度產(chǎn)品的測量。
使用時(shí)只要把粘度杯浸入被測流體中，然后垂直提起，記錄粘度杯離開流體后開始流出至流絲第一次中斷所需的時(shí)間，以秒表示。
小孔式粘度儀可用于溶劑型油墨(例如凹版油墨、柔性凸版油墨)的粘度測定。這種儀器也適用于印刷車間的現(xiàn)場應(yīng)用測定，至為簡便、迅速。
多孔式粘度儀應(yīng)用比較少。
5、旋轉(zhuǎn)同心圓筒式粘度儀(Rotating Concentric Cylinder ViseosimeteF)。
旋轉(zhuǎn)共軸圓筒式(或簡稱旋轉(zhuǎn)式)粘度儀的原理：假設(shè)我們把兩層平行的板彎曲成兩個(gè)圓筒，一個(gè)靜止不動(dòng)(類似下板)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)而動(dòng)(類似上板)，則就成了一個(gè)同心共軸的旋轉(zhuǎn)式粘度儀了。
在毛細(xì)管粘度儀中，其流動(dòng)形式隨流體流過毛細(xì)管斷面的情況而有很大的差別，而在旋轉(zhuǎn)式粘度儀中則不然。所以，可以用它來測定非牛頓流體。
以旋轉(zhuǎn)式粘度儀測定流體的粘度時(shí)，實(shí)際上都是以儀器的旋轉(zhuǎn)速度和偶力M來表達(dá)的。一般設(shè)計(jì)都是一個(gè)圓筒靜止，另一個(gè)圓筒旋轉(zhuǎn)。偶力的數(shù)值則一般是通過彈簧的壓縮來測得的。
我國油墨行業(yè)目前采用比較廣的、由丹麥生產(chǎn)的愛密勒(EMLLA)旋轉(zhuǎn)式粘度儀就是一種外筒靜止，內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，裝有偶力彈簧的儀器。由于它的旋轉(zhuǎn)速度是固定的，故偏轉(zhuǎn)的偶力就是被測流體的粘度。
（二）、粘 性 儀
粘性，也可定義為一種物質(zhì)的粘著性(Stickiness)，換言之也可說成在既定速度下分離兩個(gè)一定單位面積的平面(它們彼此之間則由液體所粘連在一起)所需的力。
粘性不僅包括液體的粘的性質(zhì)，而且亦包括固體的彈性破裂特性�？梢钥闯�，粘性是一個(gè)很復(fù)雜的綜合情況，它與彈性、粘附性能以及表面張力等因素均有關(guān)。
粘性儀(Tack Ometer)的規(guī)格，型號(hào)也很多，但是到目前為止，具有基本概念的典型，還是雷德(R．F．Reed)所發(fā)明的所謂油墨粘性儀(油墨計(jì)，油墨表)－Ink-O－meter。這是一種在動(dòng)力的作用下像印刷機(jī)一樣的、由兩個(gè)輥?zhàn)咏M成的，測定薄層油墨膜(分離)的力的儀器。
(二)、油墨的流動(dòng)性能
油墨能否從容器中倒出來，流凈?能否從儲(chǔ)槽中通過泵的作用而流暢地輸送到印刷機(jī)上的墨斗中?能否從墨斗中順利地(傳遞)下墨?能否在印刷機(jī)上良好地分配，傳遞至版面以及轉(zhuǎn)印至紙(或其它承印物)上?最后，油墨的印刷效果如何?等等，這一切均與油墨的流動(dòng)(性能)有關(guān)。影響油墨流動(dòng)(性能)的因素是多方面的，它是一個(gè)綜合性能的體現(xiàn)。
1、油墨與觸變性。
在一種牛頓流體中加入少量的分散體時(shí)，它仍然可以顯示出牛頓流動(dòng)的特性，但當(dāng)分散體的量增加到一定程度(達(dá)到一定極限)時(shí)，它就會(huì)失去原有的牛頓流動(dòng)而顯示出塑性流動(dòng)。而有塑性流動(dòng)的物質(zhì)幾乎都有觸變性。
觸變性(Thixouopy)這個(gè)術(shù)語是在1927年開始被引用的，它是由兩個(gè)希臘字衍生而來，意思是“由接觸而變化”。所以，如果流體由于接觸(例如攪拌)而引起流動(dòng)(性能)的變化的性質(zhì)就叫觸變性。通俗地講，任何一種懸浮(分散)體，當(dāng)攪拌時(shí)有“變薄(稀)”現(xiàn)象，而放置后又發(fā)生“變厚(稠)”現(xiàn)象時(shí)，都可用觸變性這個(gè)概念來加以解釋。
觸變性是種比較復(fù)雜的技術(shù)現(xiàn)象，觸變性的破壞(失掉粘度)是隨剪切應(yīng)力的增加，隨剪切時(shí)間的延長或其二者而增加(即表現(xiàn)粘度下降)。如果剪切應(yīng)力取消，則觸變性(粘度)又可恢復(fù)，觸變結(jié)構(gòu)又可重新形成。但這種結(jié)構(gòu)的形成需要一定的時(shí)間，有的甚至可長達(dá)數(shù)月之久。
我們已經(jīng)知道塑性粘度的曲線可以認(rèn)為是由兩部分組成的，即一部分是曲線，一部分是直線，前者表示非牛頓流體，后者表示牛頓流體。因此，這種流體的粘度也可以認(rèn)為是由兩部分組成的，即非牛頓粘度和牛頓粘度。前者可因內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞而粘度有變化，后者則不會(huì)受外界的影響而引起粘度變化，所以，前者也可稱為結(jié)構(gòu)粘度，它們之間的關(guān)系可由下式表示：
η＝η牛+η結(jié) （1）
式中：η=總粘度，
η牛=牛頓粘度；
η結(jié)=結(jié)構(gòu)粘度。
大多數(shù)膠體系統(tǒng)都有結(jié)構(gòu)粘度。
油墨的塑性一般是與粒子的結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的，在靜止存放時(shí)，它們形成松散的聚集聯(lián)結(jié)(結(jié)構(gòu))，當(dāng)用力剪切時(shí)，這種聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，而再靜止時(shí)，又可形成聚集聯(lián)結(jié)(結(jié)構(gòu))。
這種結(jié)構(gòu)一般認(rèn)為主要是由顏料顆粒(粒子)的絮凝作用所造成的，而這又與顏料顆粒的形狀有關(guān)，例如針狀和板狀的粒子比球狀粒子的結(jié)構(gòu)要強(qiáng)，但前者重新形成結(jié)構(gòu)(或絮凝)的時(shí)間也要長一些。這種結(jié)構(gòu)還與顏料的電導(dǎo)性有關(guān)。例如對(duì)一組炭黑含量為10％的分散體進(jìn)行直流電阻測定后發(fā)現(xiàn)，由于炭黑類型的不同，而其電位差為100伏時(shí)，電阻可自6．4×1011至9．9×106歐姆。電導(dǎo)性大的炭黑其流動(dòng)性就差。有些電導(dǎo)性的差別可以炭黑顆粒的聚集作用來解釋：顆粒尺寸比較小的所謂短(流動(dòng))型炭黑，它們就有比較強(qiáng)的聚集傾向。顆粒會(huì)連成橋狀結(jié)構(gòu)而遍布于分散體中。而顆粒尺寸比較大的所謂長(流動(dòng))型炭黑則不然。
觸變性的測定方法雖然有多種，但均存在著一些問題，下面介紹幾種比較常用的(表達(dá))方法：即（1）．流變曲線觸變環(huán)面積法；（2）．觸變性破解系數(shù)法；（3）．靜置時(shí)間－剪切應(yīng)力峰值圖法。以下將此三種方法分別進(jìn)行介紹。
（1）．流變曲線觸變環(huán)面積法，是一種由封閉的所謂“觸變環(huán)”的面積大小來估價(jià)流體觸變性的方法，是用可變速的粘度儀(例如B型轉(zhuǎn)盤式粘度儀)通過漸漸增加轉(zhuǎn)速，達(dá)到某一個(gè)預(yù)定的最大轉(zhuǎn)速后，再漸漸降低轉(zhuǎn)速測定而得的。將漸漸增加轉(zhuǎn)速和漸漸降低轉(zhuǎn)速所測得的數(shù)據(jù)點(diǎn)于以剪切速率為縱坐標(biāo)，以剪切應(yīng)力為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系中，然后將各點(diǎn)連起來，就可得到曲線。漸漸增加轉(zhuǎn)速所得的曲線和漸漸降低轉(zhuǎn)速所得的曲線(近似直線)，這兩根線組成的封閉區(qū)叫觸變性區(qū)域或稱觸變環(huán)。環(huán)的面積越大，則說明這個(gè)流體的觸變性越大。
在作測定時(shí)應(yīng)注意；(a)觸變性的測定不僅需要漸漸增加與漸降低轉(zhuǎn)速，而且與測定時(shí)的時(shí)間間隔有密切的關(guān)系。因?yàn)橛|變性的恢復(fù)(觸變結(jié)構(gòu)的重新形成)是隨時(shí)間而增長的，因此，在遞增和遞減轉(zhuǎn)速時(shí)，它們的時(shí)間間隔應(yīng)盡可能地相等，一般推薦為10分鐘；(b)選擇預(yù)定的最大轉(zhuǎn)速是非常重要的，不同的最大轉(zhuǎn)速所作出的觸變環(huán)的面積是不相同的；(c)雖然許多作過觸[變性研究的人都認(rèn)為溫度對(duì)觸變性的影響不大，但測定還是在一定的溫度條件下進(jìn)行為好。一般說，溫度升高時(shí)觸變性有增加的現(xiàn)象。
流變曲線觸變環(huán)面積法(簡稱觸變環(huán)法)是表達(dá)流體具有觸變性的最常用而通俗的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，一般都是將觸變環(huán)面積進(jìn)行粗略的估計(jì)與比較來確定不同油墨的觸變性大小的，很少從數(shù)學(xué)的概念去計(jì)算觸變環(huán)的面積大小，因?yàn)椴灰?guī)則面積的計(jì)算非常費(fèi)時(shí)間。
（2）．觸變性破解系數(shù)法也是用可變速的粘度儀進(jìn)行測定的，一般用兩種速度來測定油墨的粘度，一種速度低一點(diǎn)，一種速度高一點(diǎn)。然后用下列公式求出觸變性破解系數(shù)：
T＝2（η1+η2）／ln（w1+w2）2 （2）
式中：T=觸變性破解系數(shù)，
η1=低速時(shí)測得的粘度，
η2=高速時(shí)測得的粘度，
w1=低速時(shí)的角速度，
w2=高速時(shí)的角速度。
如果η1= η2，則表示油墨是牛頓流體沒有觸變性。觸變性破解系數(shù)越大，則表示觸變性也越大。
一般旋轉(zhuǎn)式粘度儀的轉(zhuǎn)速都是用每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)(r．P．m．)來表示的。角速度可按下式計(jì)算：
w＝ πn/30 （3）
n是粘度儀的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。角速度的單位是弧度／秒。
（3）．靜置時(shí)間－剪切應(yīng)力峰值圖法。在旋轉(zhuǎn)式粘度儀上用選定的剪切速率測定油墨的粘度時(shí)有兩種情況：如果測定的是非觸變性流體，則粘度儀的指針升至最大值后就保持不變；但如果測定的是觸變性流體，則粘度儀的指針在達(dá)到最大值后隨即會(huì)迅速降低到一個(gè)穩(wěn)定值(最小讀數(shù))，這是因?yàn)橛|變性流體被剪切后觸變性遭到破壞的緣故。我們把測定時(shí)達(dá)到的最大值叫做峰值�？梢钥闯�，這個(gè)峰值和流體的觸變性大小有關(guān)，峰值越高，流體的觸變性越大。前已提及，觸變性的恢復(fù)(結(jié)構(gòu)重建)是與時(shí)俱增的，所以，峰值與流體測定前曾靜置過的時(shí)間長短有關(guān)，靜置時(shí)間越長，峰值越高，當(dāng)然，它也是有個(gè)極限的。
靜置時(shí)間－剪切
應(yīng)力峰值圖法就是基于這個(gè)原理。
帶自動(dòng)記錄裝置的旋轉(zhuǎn)式粘度儀(例如哈克粘度儀)都可用于這種測定。測定可按下列步驟進(jìn)行并導(dǎo)出觸變指數(shù)：
(a)將被測油墨在旋轉(zhuǎn)式粘度儀上以選擇好的剪切速率進(jìn)行測定，當(dāng)儀器開始旋轉(zhuǎn)后，首先得到一個(gè)最大值，然后讓儀器一直旋轉(zhuǎn)以破壞油墨的觸變性，直至得到一個(gè)穩(wěn)定的最小讀數(shù)。
(b)在得到穩(wěn)定的最小讀數(shù)后，關(guān)閉粘度儀，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，使油墨在粘度儀中靜置一段時(shí)間，然后再開動(dòng)粘度儀并讀出(記錄)峰值(即最大值)。至得到穩(wěn)定的最小讀數(shù)后，再關(guān)閉。
(c)重復(fù)(a)及(b)的操作，但靜置時(shí)間不同，一般為10秒，30秒、60秒¨¨等。這樣就可以得到一系列峰值越來越高的數(shù)值(當(dāng)然不是無限)。
(d)將峰值換算成絕對(duì)單位(達(dá)因／厘米。)，即將峰值換算成相應(yīng)的剪切應(yīng)力值，可以把這個(gè)值叫做剪切應(yīng)力峰值。然后再計(jì)算出各個(gè)剪切應(yīng)力峰值的平方根值和各個(gè)靜置時(shí)間(秒)的平方根值。
(e)以靜置時(shí)間的平方根值為橫坐標(biāo)，以剪切應(yīng)力峰值的平方根值為縱坐標(biāo)作圖。這樣就可以得到類似圖中的各種曲線。曲線有明顯的直線部分，作圖時(shí)取平方根值的目的就是使曲線上的直線部分得以擴(kuò)大，以使之能更清楚地顯示出來。
曲線上直線部分的斜率就叫觸變指數(shù)，用以表示被測流體的觸變性大小。斜率越大則表示這個(gè)流體的觸變性越大。
除此以外，用所謂粘度比法(即以低速=10轉(zhuǎn)／分時(shí)測定的粘度值除以高速=20轉(zhuǎn)／分時(shí)測定的粘度值)也可測定油墨的觸變性。這種方法用于輪轉(zhuǎn)(新聞)油墨中比較簡便。測定時(shí)可先以攪拌將油墨的觸變性破壞(但要嚴(yán)格掌握條件)，然后再進(jìn)行測定。
比值越大表示油墨的觸變性越大。對(duì)于輪轉(zhuǎn)(新聞)油墨來說，其比值以1左右為好。
就油墨的配方設(shè)計(jì)而言，除了前述的一些因素外，油墨的觸變性與所用顏料的特性有關(guān)。另如氧化炭黑比起非氧化的炭黑來在油墨中就具有比較小的觸變性，與油墨配方組成中顏料(或填料)的含量有關(guān)(含量越高則觸變性越大)，與顏料，連結(jié)料的潤濕性能有關(guān)(潤濕性能越差則觸變性越大)等等。
在油墨中加入一些附加劑(例如成膠物質(zhì)或觸變性樹脂等)是可以增加觸變性的。例如觸變性醇酸樹脂即屬此例，它是由于性油改性的醇酸樹脂與聚酰胺樹脂反應(yīng)而成的。
在輪轉(zhuǎn)(新聞)油墨中加入約5％的瀝青油(由40％瀝青和60％的機(jī)械油組成)后，油墨的觸變性就會(huì)明顯增加。在這類油墨中如果加入一定量的煤(燈)油，則油墨的塑性粘度會(huì)下降而觸變性卻不會(huì)好轉(zhuǎn)并根本失去流動(dòng)�？梢钥闯�，在漿狀油墨中加入溶劑類稀釋劑也是克服不了多少觸變性的(除非根本破壞了漿狀油墨的結(jié)構(gòu))。
油墨的觸變性太大時(shí)，其缺點(diǎn)表現(xiàn)在：油墨不能用泵自儲(chǔ)槽中打(輸送)至印刷機(jī)上的墨斗中。對(duì)以噴射供墨的裝置來說，就會(huì)使噴射不流暢(以上指輪轉(zhuǎn)新聞?dòng)湍?。對(duì)比較稠的漿狀油墨來說則表現(xiàn)為在墨斗中下墨不好之弊。
可以這樣說：觸變性對(duì)有些情況而言是種弊病，但對(duì)有些情況來說，卻又似乎是種優(yōu)點(diǎn)。例如有人認(rèn)為有觸變性的油墨，其印刷的網(wǎng)點(diǎn)比較清晰，對(duì)比較稀的流體油墨來說，觸變性可以防止體系在存放中沉降，結(jié)塊，倒翻等現(xiàn)象。
來源： 卓創(chuàng)資訊化工網(wǎng)
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