墨水中的流变特性及流变调节剂

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1、第7章墨水中的流变特性及流变调节剂7.1墨水的流变特性墨水的特性由其指标参数来控制，它们包括pH值、粘度、表面张力、触变性、耐受温度、抗干性等。其中粘度、触变性等指标参数都属于流变特性，因此调节流变特性对控制墨水的性能起着至关重要的意义[1]。流变学是研究在外力的作用下，物体流动和形变的科学。描述液体的流动性质早已有流体力学，描述固体的形变早已有弹性力学，其基本定律早在300多年前就分别由牛顿和虎克所描述。但在自然界，有许多物质既非牛顿流体，又非虎克固体，它们在外力的作用下往往呈现出复杂的形变和流动特性，如中性墨

2、水和油墨就是如此。7.1.1粘度(Viscosity)的概念液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。由于液体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形，因而也不存在变形的抵抗。只有当运动流体流层间发生相对运动时，流体对剪切变形的抵抗，也就是粘性才表现出来。粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只

3、能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。粘性的大小可用粘度来衡量，与物质种类、温度、浓度等因素有关。粘度是墨水化学中的主要指标，是影响墨水使用效果的重要物理性质。粘度分为动力粘度、运动粘度、相对粘度，三者有区别，不能混淆。一般所谓的粘性是动力粘度的简称。若在两平行平板间盛以某种液体，当液体流动时，由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体内各处的速度大小不等。设上平板以速度ν向右匀速运动，下平板固定不动，紧贴于上平板上的流体粘附于上平板上，其速度与上平板相同；紧贴于下平板上的流体粘附于下平板，其速度为零；中间流

4、体的速度按线性分布，我们把这种流动看成是许多无限薄的流体层在运动，当运动较快的流体层在运动较慢的流体层上滑过时，两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用。图7.1两平面间的粘性流动如图，用长短不等的带有箭头且相互平行的线段表示各层液体的流动速度，流体的这种形变称为切变。液体流动时有速度梯度dν/dy存在，运动较慢的液层阻滞较快层的运动，因此产生了流动阻力。为了维持稳定的流动，保持速度梯度不变，则要对上平板施加恒定的力，此力称为切力。根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与板的接触面积A及流体层的相对流速dν成正比

5、，而与此二流体层间的距离dy成反比。即：F=μAdν/dy式中μ为衡量流体粘性的比例系数，称为绝对粘度或动力粘度，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小，可理解为当液体以1cm/s的速度流动时，在每1cm2平面上所需剪应力的大小；dν/dy表示流体层间速度差异的程度，称为速度梯度。若以τ=F/A表示单位面积上的切力，D表示速度梯度dν/dy，则有：τ=F/A=μdν/dy= μ D     上式是液体内摩擦定律的数学表达式。当速度梯度变化时，μ为不变常数的流体称为牛顿流体，μ为变数的流体称为非牛顿流体。牛顿流体的特

6、点是粘度μ 只与温度有关，在定温下有定值，不应τ或D值的变化而变化。鉴于粘度的重要性，人们给它一个专用的单位P（泊），它是剪切应力以N/m为单位，剪切速率以s-1为单位时求得的粘度单位。动力粘度μ的国际(SI)计量单位为“牛顿·秒/米2”，符号为“N·s/m2”；或为帕·秒，符号为Pa·s； 运动粘度是绝对粘度μ与密度ρ的比值：ν=μ/ρ。运动粘度ν没有什么明确的物理意义，它不能像μ一样直接表示流体的粘性大小，但对ρ值相近的流体，可用来大致比较它们的粘性。由于在理论分析和计算中常常碰到绝对粘度与密度的比值，为方便

7、起见才采用运动粘度这个单位来代替μ/ρ。它之所以被称为运动粘度，是因为在它的量纲中只有运动学的要素长度和时间因次的缘故。运动粘度的单位是“厘米2/秒”，也称为斯托克斯（St）。有时使用厘斯（cSt）为单位，它们之间的换算关系是：1斯托克斯=100厘斯机械油的牌号上所标明的号数就是以厘斯为单位的，表示在温度为50℃时运动粘度ν的平均值。例如10号机械油指明该油在50℃时其运动粘度ν的平均值是10cSt。蒸馏水在20.2℃时的运动粘度ν恰好等于1cSt。7.1.2粘度的单位目前，在有关文献中墨水的粘度单位比较混乱，如

8、厘泊（符号为cp）、帕·秒（符号为Pa·s）、毫帕·秒(mPa·s)、泊（p）、牛顿·秒/米2（符号为N·s/m2）、达因·秒/厘米2（符号为dyn·s/cm2）、克/厘米·秒（符号为g/cm2·s）等等，给使用和比较上带来许多麻烦。鉴于粘度的重要性，我们在此对粘度单位进行详细的介绍。绝对粘度μ即动力粘度，简称粘度。在公式F=μAdν/dy中，若力F的单位用牛顿，面积A的