使用微流體流變儀表征低粘度陶瓷墨水的噴印性能

作者：John Duffy，英國馬爾文儀器有限公司流變產(chǎn)品市場經(jīng)理

本文首次刊登于《聚合物涂料顏料》2014年8月刊

　　近年來，噴墨打印已發(fā)展成為瓷磚裝飾等領(lǐng)域?yàn)楦咝У拇蛴》椒ㄖ?，利用該技術(shù)能夠在各種非平面陶瓷基材上生成高清晰度的圖案和圖像。要實(shí)現(xiàn)這樣的打印效果，必須開發(fā)具有特定流變特性的陶瓷墨水，以適應(yīng)陶瓷噴墨打印工藝。即在儲(chǔ)存時(shí)，墨水即使受到重力作用也不會(huì)沉淀;在打印時(shí)，墨水在打印噴頭內(nèi)受到高的剪切作用，也能達(dá)到對其流動(dòng)特性的要求。

　　旋轉(zhuǎn)流變測量技術(shù)是目前市場上廣泛使用的一種流變特性表征手段，能夠在較寬的剪切速率范圍內(nèi)測量材料的剪切粘度。但是，如果要實(shí)現(xiàn)模擬打印噴頭內(nèi)的超高剪切速率條件時(shí)，旋轉(zhuǎn)流變儀就不太適合。相對較新的微流體流變測量技術(shù)就能體現(xiàn)出重要價(jià)值。

　　與過程相關(guān)的流變數(shù)據(jù)的重要性

　　墨水在打印噴頭內(nèi)所受的剪切速率范圍為105~106s-1。為在這樣的高剪切條件下實(shí)現(xiàn)有效的噴射致動(dòng)和液滴沉積，墨水必須具有良好的流動(dòng)性，粘度保持在5~25 mPa.s。然而，低粘度對墨水的儲(chǔ)存穩(wěn)定性不利。

　　眾所周知，墨水是一種包含了溶劑、粘結(jié)劑和表面活性劑、懸浮顏料及/或染料的懸浮液。在低粘度配方下，這些懸浮成分易于沉淀。因此，為了保持貯存于瓶子或容器中時(shí)的穩(wěn)定性，墨水需要能在低剪切應(yīng)力(只有重力)的條件下具有相對較高的粘度。

　　要同時(shí)滿足這兩個(gè)互相矛盾的要求，研究人員必須在一個(gè)寬剪切速率范圍內(nèi)，準(zhǔn)確測量并控制墨水配方的粘度，從而得到的墨水性能。

　　微流體流變測量技術(shù)介紹

　　旋轉(zhuǎn)流變測量技術(shù)比較適合小于1s-1到幾千s-1的剪切速率范圍。到更高的剪切速率時(shí)，會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定、邊緣破裂、剪切生熱等問題，對墨水等低粘度配方來說其局限性更加明顯。雖然微流體流變測量技術(shù)的問世時(shí)間尚短，但它能有效彌補(bǔ)旋轉(zhuǎn)流變技術(shù)的不足，滿足超高剪切速率下的測量需求。

　　在微流體流變儀中，液體以已知流量通過狹窄的微流道(一般為40-200 μm)，利用嵌入式的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 壓力傳感器，測量沿流動(dòng)方向壓力降。找出壓差與體積流量的對應(yīng)關(guān)系，就可以得出樣品粘度。通過改變流量或者流道的幾何尺寸，可以測量不同剪切速率下的粘度，得到墨水的流動(dòng)曲線，即剪切粘度與剪切速率關(guān)系。和旋轉(zhuǎn)流變儀一樣，微流體流變儀也能夠控制溫度，可以研究溫度對墨水流體特性的影響。

　　上述兩大優(yōu)點(diǎn)，是微流體流變儀對墨水配方開發(fā)的價(jià)值所在。

　　為了說明如何將旋轉(zhuǎn)流變儀和微流體流變儀結(jié)合起來，為研制墨水配方提供重要的參考數(shù)據(jù)，我們在實(shí)驗(yàn)中使用馬爾文Kinexus旋轉(zhuǎn)流變儀和m-VROCi微流體流變儀，對A、B兩款市售的噴墨墨水進(jìn)行了測量。圖1中的兩條流動(dòng)曲線分別代表了墨水A和墨水B的相關(guān)數(shù)據(jù)，每一條流動(dòng)曲線均可呈現(xiàn)使用馬爾文Kinexus旋轉(zhuǎn)流變儀和m-VROCi微流體流變儀所得出的數(shù)據(jù)。

　　我們用這兩種儀器測定了墨水在0.5s-1 ~100,000s-1的剪切速率下的粘度。盡管兩種墨水的流動(dòng)曲線均略有下降(表明墨水出現(xiàn)了輕微的非牛頓型剪切變稀行為)，但兩個(gè)樣品的粘度在整個(gè)研究范圍內(nèi)都相對穩(wěn)定。A墨水在剪切速率1s-1時(shí)粘度約為22 mPa.s，在剪切速率達(dá)到100,000 s-1的時(shí)粘度為17 mPa.s，這說明面對較高的剪切速率時(shí)，墨水粘度會(huì)略有下降。雖然粘度下降的幅度不大，但也不容忽視。在許多情況下，這種非牛頓特性也許對平衡打印噴頭中墨水的穩(wěn)定性和高流動(dòng)性能表現(xiàn)有非常大的幫助。

　　應(yīng)用前景展望

　　隨著噴墨打印在瓷磚裝飾中的應(yīng)用日益普遍，市場對具有先進(jìn)配方的墨水需求量越來越高。所謂“先進(jìn)”，是指墨水能夠在所有應(yīng)用階段都發(fā)揮出性能。作為一種相對較新的技術(shù)，微流體流變測量技術(shù)能夠測量墨水在打印噴頭內(nèi)高剪切速率條件下的粘度，因而對墨水配方的開發(fā)具有重要意義。將馬爾文微流體流變儀和旋轉(zhuǎn)流變儀結(jié)合使用，研究人員可以模擬墨水在打印過程中出現(xiàn)的所有環(huán)境和條件，在非常寬的剪切速率范圍內(nèi)測定墨水粘度。這些數(shù)據(jù)能幫助研究人員開發(fā)儲(chǔ)存穩(wěn)定性好、流動(dòng)性能好、打印效果理想的墨水。

　　結(jié)束

　　圖

　　圖1：將旋轉(zhuǎn)流變儀(實(shí)心正方形所示)和微流體流變儀(空心正方形所示)結(jié)合使用，可得到墨水在寬的剪切速率范圍內(nèi)(0.5s-1 ~100,000s-1)的流動(dòng)曲線。

　　圖2：馬爾文儀器的m-VROCi微流體流變儀能夠測量墨水在超高的剪切速率條件下的粘度。