1. 柔印油墨流变学基础
柔版印刷的墨路很短:网纹辊从墨槽取墨,刮刀把多余油墨刮掉,网穴里的墨在压印区与版材、承印物接触时被挤出并分裂转移。整个过程只有毫秒级,但油墨经历的剪切速率跨度极大——从墨槽中的近乎静止(约 1 s⁻¹ 量级),到刮刀间隙的 10⁴~10⁶ s⁻¹,再到转移后的松弛回粘。柔印油墨的流变学,本质上就是研究油墨在不同剪切条件下"表现成什么样子",以及这种表现如何决定网穴充填、刮刀刮净和转移率。
一、粘度不是常数:剪切速率决定一切
粘度 η 定义为剪切应力 τ 与剪切速率 γ̇ 之比:η = τ / γ̇。对牛顿流体,η 是常数;而柔印油墨(尤其是水性墨和 UV 墨)几乎都是非牛顿流体,η 随 γ̇ 变化。工程上常用幂律模型描述中高剪切段:τ = K·γ̇ⁿ,表观粘度 η = K·γ̇ⁿ⁻¹。其中 K 为稠度系数,n 为流动指数。n < 1 表示剪切变稀(假塑性),n = 1 为牛顿流体,n > 1 为剪切增稠。
为什么柔印油墨要剪切变稀?因为它在不同环节的需求是矛盾的:在墨槽和管路中希望粘度低、流动性好,便于泵送和流平;在网纹辊网穴中希望刮刀刮过后能快速"定住"不流淌;在压印转移瞬间又希望粘度足够低以便分裂转移。剪切变稀恰好让油墨在低剪切时保持较高粘度(防流挂、防网点扩大),在高剪切时粘度骤降(易转移)。
一个合理的教学示例:某水性柔印墨在 25 ℃ 下测得幂律参数 K = 2.5 Pa·sⁿ、n = 0.45。则在 γ̇ = 10 s⁻¹ 时,η = 2.5 × 10^(0.45−1) ≈ 2.5 × 10^(−0.55) ≈ 0.70 Pa·s;在 γ̇ = 10⁴ s⁻¹ 时,η = 2.5 × 10^(−2.2) ≈ 0.016 Pa·s。同一油墨在两个环节的表观粘度相差约 40 倍,这正是柔印墨"低剪切稠、高剪切稀"的典型特征。上述数值为示例假设,实际应以流变仪实测曲线为准。
二、屈服应力:油墨"什么时候开始流动"
屈服应力 τ₀ 是油墨从弹性固体行为转变为粘性流动行为所需的最小剪切应力。含颜料较多的柔印墨、以及添加了增稠剂或触变剂的体系,往往具有明显的屈服应力。它的工程意义在于:油墨在墨槽中静置时能保持结构、不沉降、不流挂;一旦受到刮刀或压印的剪切超过 τ₀,结构被破坏,油墨开始流动并转移。
屈服应力过低,油墨在网穴中容易流淌、网点边缘渗扩,导致糊版和网点扩大;屈服应力过高,则网穴充填不足、刮刀刮不净、转移率下降,出现缺墨和露底。实际判断时,可用流变仪的剪切应力扫描(CS 模式)观察 τ–γ̇ 曲线在低剪切段的拐点,或采用 vane 法、屈服点外推法估算 τ₀。对水性柔印墨,τ₀ 常见在几帕到几十帕量级,具体随颜料含量和增稠体系变化,需以实测为准。
三、触变性:结构破坏与恢复的时间尺度
触变性描述的是"剪切时粘度下降、静置后粘度逐渐恢复"的可逆时间效应。它与单纯剪切变稀的区别在于:剪切变稀是瞬时响应,触变性则带有时间滞后,反映油墨内部网络结构的破坏与重建速率。柔印中触变性直接关系到三个实际问题:
- 网穴充填与流平:刮刀刮过后,网穴中的墨需要一定时间恢复结构,避免在到达压印区前流淌;但恢复太快又会导致转移困难。
- 停机再启动:停机时油墨结构恢复、粘度上升,再启动时若触变恢复过强,会出现短暂供墨不足、印品发花。
- 网点清晰度:触变恢复快的油墨在承印物上不易铺展,有利于网点边缘锐利,但可能影响实地均匀性。
触变性通常用三段测试表征:低剪切预剪切破坏结构 → 静置一段时间 → 低剪切测量粘度恢复曲线。也可用触变环面积(剪切速率上行与下行曲线围成的面积)做半定量比较,环面积越大,触变性越强。工程上更关注"恢复半衰期"这一时间指标,因为它直接对应印刷机上的实际停留时间。
四、把四个参数放到同一张"判断表"里
实际调墨时,不能孤立看某一个参数。下面给出一份可直接参考的示例判断表,用于把流变参数与柔印常见问题对应起来(表中数值为教学示例范围,实际应结合本厂油墨实测数据修正):
| 流变参数 | 偏低时的典型表现 | 偏高时的典型表现 | 调整方向(示例) |
|---|---|---|---|
| 低剪切粘度 | 流挂、网点渗扩、墨槽沉降 | 流平差、网穴充填不足 | 调增稠剂或调整树脂/水比例 |
| 高剪切粘度 | 转移率低、缺墨、露底 | 飞墨、网点扩大、边缘毛刺 | 调整溶剂/水含量与树脂分子量 |
| 屈服应力 τ₀ | 糊版、网点不锐利 | 刮不净、供墨不足 | 调整触变剂用量与颜料分散状态 |
| 触变恢复速度 | 停机后再启动发花 | 转移困难、实地不均 | 更换触变剂类型或调整其添加量 |
五、温度与测量条件:容易被忽略的变量
柔印油墨的粘度对温度非常敏感,水性墨和溶剂型墨尤其明显。车间温度从 20 ℃ 升到 30 ℃,表观粘度可能下降 20%~40%,足以改变转移率。因此流变测试必须记录温度,生产中也应尽量保持墨槽温度稳定,必要时加装墨温控制。此外,测量时的预剪切历史、静置时间、转子/夹具类型都会影响结果,同一支墨在不同实验室测出的数据可能不可直接比较。建立厂内标准测试条件(温度、预剪切、静置时间、剪切速率范围)比追求单点绝对值更有意义。