膠印油墨的流變學參數(shù)與印刷適性研究

1、 收稿日期:2010-05-08基金項目:北京市屬高等學校人才強教深化計劃/學術創(chuàng)新團隊建設計劃0項目(P HR (IH LB(P XM201020142232095557;北京印刷學院院選重點項目(Ea 209201;北京市教育委員會科技成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化項目作者簡介:楊寅(1986-,女,安徽人,北京印刷學院碩士生,主攻防偽包裝印刷。膠印油墨的流變學參數(shù)與印刷適性研究楊寅1,許文才1,孫家躍2,杜海燕2,羅世永1(1.北京印刷學院,北京102600;2.北京工商大學,北京100048摘要:通過測試國內(nèi)外3個品牌商品膠印油墨的黏度、觸變性、粘彈性等流變學參數(shù),采用分步非線性回歸的數(shù)學方法,建立

2、了膠印商品油墨的黏度與剪切速率關系的數(shù)學模型,并進行了曲線擬合。分析表明,所建立的膠印油墨黏度數(shù)學模型符合典型的分散體系流變學特征,模型黏度曲線與實驗測試結果擬合良好。進一步分析了膠印油墨的特征參數(shù)與印刷適性之間的關系,最終得到了膠印油墨的共性指標。關鍵詞:膠印油墨;流變學參數(shù);印刷適性中圖分類號:TS802.2;TS801.41 文獻標識碼:A 文章編號:1001-3563(201017-0138-04Study on the Rheological Parameters and Printability of Offset Printing InkY AN G Yin 1,X U Wen

3、2ca i 1,SUN J ia 2yue 2,D U H a i 2yan 2,L UO Shi 2yong 1(1.Beijing Institute of Graphic Communication,Beijing 102600,China; 2.Beijing T echnology and Business U 2niver sity,Beijing 100048,ChinaAbstra ct:Thr ough testing the rheological par ameters of thr ee brands of commodity offset pr inting ink,

4、inclu 2ding the viscosit y,thixotr opy and viscoelasticity,etc.,the mathematical model for relat ion between viscosit y and shear r ate of commodit y offset ink was established by the mathematical method of fr actional step nonlinea r r egr ession,and curve fitting was performed.The analysis shows t

5、hat the mathematical model established for offset print ing ink conforms to r heological featur es of a typical dispersion system,and the viscosity curve of model fits well with the test r esult of exper iment.Through further analysis of characterist ic parameter s of offset printing ink and printab

6、ility,the common propert ies of offset printing ink is finally obtained.Key wor ds:offset printing ink;rheological parameter s;printability膠印油墨具有固體和液體2種特征,在印刷過程中,會發(fā)生各種變形以及相應的流動和斷裂行為。流變學的研究對象是各種物質(zhì)的流動與變形特性,包括高分子體系、血液、分散體系、氣體等等;并在這個基礎上發(fā)展出高分子流變學、血液流變學、分散體系流變學、氣體流變學等1。油墨的流變特性深入描述了油墨在印刷機上及承印物的表面行為,揭示了油墨在印

7、刷過程中的行為和造成這種行為的原因。筆者利用油墨流變學對油墨的變形流動、斷裂等過程進行研究,以期控制油墨的行為,預測油墨的印刷質(zhì)量。油墨在印刷過程中要經(jīng)歷從墨槽到墨斗,從墨斗到墨輥,從墨輥到印版(橡皮布,從印版(橡皮布到承印物以及在承印物表面固著等一系列過程2。膠印油墨屬于塑位流體,其具有比較復雜的流變性能,對油墨的不同要求會隨著各種印刷機的結構和性能的差異而改變,因此,在印刷過程中,膠印油墨的流變性與印刷適性的關系也是相互關連而十分復雜的3。對3個品牌商品膠印墨進行流變學特性研究,試圖從流變性的分析中了解油墨的印刷適性,進而探索油墨的印刷適性與流變性之間的關系。1 實驗1.1 條件儀器:AR

8、ES 2RFS 型旋轉(zhuǎn)流變儀、PZ 2Ó自動平行板粘度計、NZS 2Ò型旋轉(zhuǎn)粘度計。 材料:在四色膠印墨中,紅顏料的親水性強,鈣離子濃度高,印刷網(wǎng)點擴大率對圖案效果最為敏感4,因此,選用品紅膠印墨作為研究對象。實驗測試樣品采用的品牌油墨分別為DIC 品紅色膠印油墨、東洋品紅色膠印油墨、杭華品紅色膠印油墨。1.2 油墨流變性能測試1.2.1 速率掃描 油墨粘度與測試溫度和剪切速率密切相關,用ARES 流變儀對3種膠印商品墨進行速率掃描。首先設定定態(tài)剪切粘度測量的剪切率范圍,實驗參數(shù)為初始剪切速率0.2s -1,最終剪切速率50s -1,測量停留時間60s,測量時間10min

9、。鑒于油墨印刷環(huán)境溫度一般為1528e ,考慮到機械的摩擦生熱,因此粘度測量時保持32e 溫度不變。1.2.2 觸變環(huán)測試具有觸變性的流體,都具有時間效應,在剪切速率D 一定時,剪切應力隨著時間t 的變化而發(fā)生變化。在相等的時間間隔里,勻速遞增和遞減剪切速率,測定油墨的剪切應力,得到由上行線和下行線構成的滯后圈。設定最大切變速率C max =50s -1,剪切率由0線性增加至最大值,隨即線性降低至0,單程時間為20s 。1.2.3 頻率掃描在設定應變和溫度控制的條件下,檢測頻率變化性能。測試溫度為32e ,固定應變?yōu)?0%,角頻率變化范圍為150rad /s 。2 結果與分析2.1 膠印油墨穩(wěn)

10、態(tài)黏度流體的粘滯性,是流體在流動中表現(xiàn)出來的內(nèi)摩擦特性。是剪切速率掃描結果見圖1,3種油墨的黏 圖1 樣品油墨的粘度與剪切率關系Fig.1Relation between viscosity and shear rate of ink specimen度隨剪切速率的升高而降低,呈現(xiàn)切稀現(xiàn)象。曲線的下降速率表征油墨體系被破壞的難易程度5。3種油墨樣品中,油墨粘度下降速率C>B>A,說明杭華顏料粒子形成的凝聚結構最容易被破壞。當剪切速率較高,剪切應力和剪切速率關系為非線性時,則對應于某一剪切速率的粘度,可以用表觀粘度來表示。實驗表明杭華油墨具有足夠高的起始粘度(G max 和比較低的剪

11、切粘度(G C ,可使油墨的輸運性和轉(zhuǎn)印性在印刷過程中得到統(tǒng)一。2.2 膠印油墨觸變性油墨的觸變性指油墨受到外力作用時粘度下降,圖2 樣品油墨的觸變性Fig.2Thixotr opic loop of ink specimen停止外力作用后,粘度又逐漸恢復的現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^測試油墨的觸變環(huán)來表征油墨的觸變性。觸變性越大,其觸變環(huán)的面積越大,反之則越小。觸變性過大的油墨,由于顏料顆粒的絮凝性,能在靜止一段較短的時間因絮凝而使油墨不能流動,這往往是凸印和膠印機墨斗中不下墨,致使印件越來越淡的主要原因;但觸變性大的墨,所印的網(wǎng)點則比較厚實,所以并非越小越好。測試結果表明,杭華油墨的觸變環(huán)面積最大,表明

12、杭華油墨的觸變性最大,其顏料粒子的運動受到的阻力最大,凝聚結構被破壞以后,恢復到同等水平需要的時間更長。2.3 膠印油墨粘彈性3種油墨的樣品動態(tài)粘彈性與角頻率的關系見圖3。通常,儲存彈性率G c 反映分散體系中分散粒子形成的內(nèi)部結構(網(wǎng)狀結構的強度,與網(wǎng)狀結構交聯(lián)點的密度有關,動態(tài)粘性率G c 反應分散粒子形成的網(wǎng)狀結構在受到外在刺激時,對抗結構破壞產(chǎn)生的能量損失6。由圖中可以看出,3種油墨樣品的G c 都隨角頻率的增加而升高,杭華和東洋油墨的儲存彈性率最高,DIC 樣品油墨最低。這表明樣品A ,B 中顏料粒子所形成的網(wǎng)狀結構密度較大,而樣品C 中顏料粒子 圖3 樣品油墨的動態(tài)粘彈性與角頻率的

13、關系Fig.3Relation between dynamic viscoelasticityand angular fr equency of ink specimen所形成的網(wǎng)狀結構密度最小。2.4 曲線擬合 由以上數(shù)據(jù)圖顯示杭華膠印油墨的流變學特性最好,因此以該品牌油墨建立數(shù)學模型,同時利用流變儀,測試杭華油墨的流變學參數(shù),測試數(shù)據(jù)見表1。表1 杭華油墨的流變學特性測試數(shù)據(jù)T ab.1T est data of rheo lo gical pr o perties of Hang zhou T oka ink 剪切速率/s -1黏度/(Pa #s0.2499.60.317479.80.5

14、024460.20.7962428.91.262400.22369.83.17349.2剪切速率/s -1黏度/(Pa #s5.024332.27.962326.112.62314.120304.5931.7296.4849.99290.29-利用表1測試數(shù)據(jù)分別討論剪切速率的倒數(shù)與黏度、剪切速率的倒數(shù)與黏度的對數(shù)、剪切速率平方根的倒數(shù)與黏度的平方根等3組數(shù)據(jù)的線性趨勢。3組數(shù)據(jù)對應的數(shù)據(jù)散點圖見圖4-6。 圖4 黏度與剪切速率倒數(shù)的關系F ig.4Relat ion between viscosity and the inver se number of shea r rate圖5 黏度對數(shù)

15、與剪切速率倒數(shù)的關系F ig.5Relation between the logar ithm of viscosityand the inverse number of shear rate圖6 黏度平方根與剪切速率平方根倒數(shù)的關系F ig.6R elation between square r oot of viscosity and the inverse number of square root of shear rate由以上數(shù)據(jù)散點圖可以看出,黏度平方根與剪切速率平方根的倒數(shù)之間線性趨勢最好,因此,建立黏度平方根與剪切速率平方根的倒數(shù)的線性回歸方程。3 結果與分析根據(jù)表1數(shù)據(jù),將

16、黏度平方根G 與剪切速率平方根倒數(shù)1D 的線性關系進行曲線擬合。設變量x =1D,y =G ,樣本容量n =13。則樣本均值: x =1n E n l=1x l =1n E n l=1(1/D l =0.7944y =1n E nl =1y l =1n En l =1G l =19.2351令:l xx =E nl=1(x l -x 2=3.1987l yy =E n l =1(yl- y 2=0.4084 l xy =Enl=1(x l - x (y l - y =1.115由此得到變量y 與x 的樣本相關系數(shù):r =l xyl xx l yy=0.9762考慮顯著水平為0.01時,相關系數(shù)

17、的臨界值C 0.01(n -2=C 0.01(11=0.684。由于C >C 0.01(n -2,因此y 與x 之間線性相關性特別顯著。設y 與x 間的線性回歸方程為y =a +bx,用最小二乘法:a = y -b x =17.0649b =l xyl xx=2.7319從而得到y(tǒng) 與x 的線性回歸方程,即黏度平方根G 與剪切速率平方根D 的函數(shù)關系:G =a +b D =17.049+2.7391D4 結論研究結果表明:好油墨具有足夠高的剪切粘度值和較低的起始粘度值;高粘度、低粘性的好油墨具有穩(wěn)定性高的塑性粘度值、一定的屈服值范圍、一定觸變性及觸變面積;流動方程由塑性粘度和屈服值這2個

18、特性參數(shù)決定,將實驗測定的數(shù)據(jù)進行線性回歸,好油墨具有不同墨樣的內(nèi)耗對頻率變化的敏感程度不一樣,油墨粘性增值低,內(nèi)耗小,因此用于高速印刷的油墨粘性應適當降低。從實驗數(shù)據(jù)推導出油墨分散體系的數(shù)學性質(zhì)符合典型的分散體系的流變學特征,其黏度平方根G 和剪切速率平方根的倒數(shù)1/D 之間有良好的線性關系,計算并得出了線性回歸方程G =a +b D =17.049+2.7391D,數(shù)學曲線與實驗測試結果的擬合程度是理想的。參考文獻:1 孫程博.二氧化硅分散體系流變學特性及模型研究D.北京:北京印刷學院,2007.2 向陽,王捷先,齊曉堃.印刷材料及適性M.北京:印刷工業(yè)出版社,2000.3 劉家聚,劉生磊

19、,劉鑫.油墨的流變性與印刷的關系J.中國包裝報,2007-10-15(003.4 王正青,王相田,荊建芬.膠印油墨流變特性研究J.華東理工大學學報,1997,23(5:585-586.5 王正青,方圖南,荊建芬,等.油墨的印刷適性與流變性之間的關系J.高分子材料科學與工程,1997,13(6:141-145.6 孫程博,魏先福,黃蓓青,等.UV 膠印油墨的制備及其動態(tài)粘彈性的研究C.中國感光學會第七次全國會員代表大會暨學術年會,北京,2006.(上接第117頁3 結論本文通過實際上機印刷測試版,測量了銅版紙和膠版紙在相同印刷條件下的階調(diào)再現(xiàn)和色度范圍,通過MATLAB 軟件對所測數(shù)據(jù)進行回歸分析。研究結果表明,當印刷條件相同時,通過上面的擬合曲線可以看出,銅版紙無論在階調(diào)再現(xiàn),還是顏色再現(xiàn)方面都比膠版紙要好,故印刷復制效果好,更能適合高檔包裝印刷所需要。對同一種紙則吸收性更小、平滑度更好的紙,其階調(diào)和顏色再現(xiàn)能力更好。從而對采用CT P 制版的包裝印刷企業(yè)在紙張選擇和使用,提高和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量方面,具有指導和實用意義