ПЕЧАТНЫЕ КРАСКИ

Реологические свойства красок и методы их оценки

Реология [3] — наука о течении — изучает зависимость между де­формацией материала, скоростью деформации и напряжением.

Существуют материалы, для которых зависимость между эти­ми тремя величинами проста. К ним относятся, например, инди­видуальные жидкости и .истинные растворы. Если такая жидкость заполняет пространство между двумя пластинами (рис. 13), из которых одна движется с постоянной скоростью Уь а вторая за­креплена неподвижно, то слой жидкости, находящийся непосред­ственно у поверхности первой пластины, увлекается ею и движет­ся с той же скоростью V1. Слой жидкости, находящийся у поверх­ности второй, неподвижной, пластины, будет удерживаться ею и 'Останется неподвижным. Остальная часть жидкости будет нахо­диться в движении, скорость которой уменьшается от слоя. к слою по 'мере удаления от подвижной пластины. При этом градиент скорости сдвига, т. е. изменение скорости течения жидкости от слоя к слою в направлении, перпендикулярном течению, будет ра­вен:

Тде 1/1 и У2 — скорости движения пластин (в рассматриваемом случае 1^2 = 0); й — расстояние между пластинами.

Из приведенного уравнения видно, что градиент скорости сдви­га в зазоре будет оставаться постоянным до тех пор, пока раз­ность скоростей движения пластин или расстояние между ними не изменяется. Скорость движения пластины определяется вели­чиной приложенного к ней напряжения сдвига Если к пластине приложить большее напряжение сдвига, то при прочих равных условиях градиент скорости сдвига в зазоре возрастет.

В случае идеальной жидкости между напряжением сдвига Р и градиентом скорости е существует прямо пропорциональная зави­симость:

Т7 иг - У] • в.

Рис. 13. Определение градиента скорости

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом внутреннего трения или вязкости. Его величина является констан­той для данной жидкости и при постоянной температуре не зави­сит от условий, в которых находится жидкость. Многие индиви­дуальные жидкости и истинные растворы подчиняются приведен­ному выше уравнению Ньютона.

Однако поведение большинства материало-в, используемых в промышленности (в том 'числе и печатных красок), не подчиняется этому закону. В реальных условиях для этих материалов харак­терно изменение зависимости между вязкостью и скоростью сдви­га. Основной причиной аномального поведения большинства ма­териалов в реальных условиях является их способность к струк - ту р ооб р а з ов а н и ю.

Структурирование коллоидных растворов и суспензий — резуль­тат действия сил контактной связи, проявляющихся при соприкос­новении частиц, например сил Ван дер Ваальса, Кулоновых. Эти силы возникают на поверхности частицы в результате того, что состояние атома, находящегося на поверхности кристаллической решетки, отличается от состояния того же атома внутри нее тем, что не все его молекулярные силы компенсированы. Эти силы дей­ствуют не только на частицы, но и на жидкую среду, заполняющую пространство между ними. С одной стороны, эти силы, сближая частицы, стремятся вытеснить жидкую прослойку, а с другой — под действием тех же сил часть жидкости адсорбируется на по­верхности частиц, образуя граничный - слой (сольватную оболочку), который ослабляет взаимодействие между частицами. Столкнове­ния частиц, являющиеся, например, результатом их теплового дви­жения, могут привести к взаимодействию частиц с образованием беспорядочных пространственных сеток. Приложение усилия сдви­га к таким системам вызывает, с одной стороны, разрушение этих сеток, а с другой — образование новых контактов в результате увеличения числа столкновений при сдвиге. При весьма малых скоростях сдвига может иметь место равновесие между этими дву­мя процессами. В результате среднестатистическое число связей останется равным их числу в недеформированной системе. В этой

Области скоростей деформации вязкость остается постоянной и ма­териал ведет себя как истинно вязкая ньютоновская жидкость. Увеличение градиента скорости приведет к смещению' ра/вновесия в сторону разрушения элементов структуры и вызовет более или менее резкое падение вязкости, вплоть до достижения наимень­шего постоянного значения, соответствующего предельному разру­шению структуры.

Другой характерной особенностью структуры таких материалов является наличие ярко выраженных тиксотропных свойств. Основ­ной фактрр, отличающий /гиксотропное структурообразование от рассмотренного выше, — это фактор времени. Прочность разви­вающейся структуры и скорость ее нарастания во времени явля­ются основными характеристиками тиксотропного структурообра- зования.

Таким образом, зависимость 'вязкости печатной краски от гра­диента скорости сдвига и зависимость прочности структуры от вре­мени, в течение которого краска находится в покое, могут быть отнесены к основным реологическим характеристикам красок. Как было показано в разделе 3, печатно-технические и эксплуатацион­ные свойства красок в значительной мере зависят от этих харак­теристик, поэтому их оценка даст возможность получить более полное представление о свойствах красок.

Для определения вязкостных характеристик пользуются виско­зиметрами трех основных типов, построенными по принципу падающего тела, истечения жидкости, и сдвига в кольцевом зазоре.

Ротационный вискозиметр, построенный по принципу сдвига в кольцевом зазоре, представляет наибольший интерес для измере­ния структурированных систем, в частности печатных красок, так как он позволяет производить измерения в условиях, близких к

Тем, в которых краска находится на различных стадиях печатного •процесса. С этой точки зрения одним из лучших приборов явля­ется комплексный эластовискозиметр-3 А. А. Трапезникова (рис. 14). Для него характерен достаточно широкий диапазон градиентов скорости сдвига: от 10-5 до 103 с -1. Конструкция при­бора позволяет легко и быстро осуществлять переход от малых скоростей деформирования к высоким и обратно. Прибор обеспе­чивает также надежное термоетатирование при высоких скоростях сдвига и имеет ряд других преимуществ, выгодно отличающих его от приборов такого типа.

Основной рабочей частью прибора являются два вертикально и концентрически расположенных цилиндра, между которыми по­мещается исследуемая жидкость. Внешний цилиндр приводится в движение от электродвигателя через редуктор с постоянной угло­вой скоростью При этом в зазоре устанавливается постоянный градиент скорости сдвига:

2и>/^

В =-------------- ,

Где со — угловая скорость вращения внешнего цилиндра;

/?1 и /?2- радиусы внутреннего и внешнего цилиндров.

Движение через жидкость передается от внешнего цилиндра к внутреннему, подвешенному на упругой проволоке, в результате чего внутренний цилиндр повертывается на некоторый угол ф, ко­торый пропорционален напряжению сдвига Р, возникающему в си­стеме:

Р= К С0 <?,

Где С о — жесткость проволоки;

К—константа прибора.

При длительном вращении внешнего цилиндра с постоянной скоростью напряжение сдвига Р может меняться. Например, если краска, загруженная в прибор, находилась какое-то время в по­кое, то в процессе деформирования напряжение вначале возраста­ет до максимума Р = РГ, а затем начинает падать, достигая по­стоянного значения Р = Р5 (рис. 15). Через различные промежутки времени, по мере увеличения интервалов между опытами, т. е. про­должительности «отдыха» системы т, величина максимума Рг бу­дет возрастать, тогда как величина Р 5 останется постоянной. Ве­личина Р3 при постоянной температуре зависит только от гради­ента скорости 6 и характеризует вязкость краски, соответствующую

Р,

Данному градиенту ц= - т - .

По значениям Р3 , измеренным для всего диапазона градиен­тов скорости, может быть рассчитана и построена кривая вязкости

Т]=/(е). Эта зависимость характеризует свойства той части струк­туры краски, которая не связана со временем. Величина макси­мумов Рг характеризует вторую часть структуры краски, которая развивается во времени. Кривая, которая построена по значениям максимумов Рг измеренным через различные промежутки време­ни после деформирования системы, позволяет оценить тиксотроп - ные свойства красок. Оценка тиксотропных свойств красок обычно осуществляется при самых малых скоростях сдвига, что соответ­ствует условиям печатного процесса.

Описанные методы исследования реологических свойств печат­ных красок позволяют найти зависимости между реологическими параметрами и поведением краски на отдельных стадиях печат­ного процесса. С другой стороны, с помощью этих методов изу­чают влияние отдельных компонентов краски и других факторов на их реологические свойства. Результаты этих исследований по­зволят найти основные закономерности для создания печатных красок с заданными свойствами.

Для контроля вязкости печатных красок как на заводе-изго- товителе, так и на полиграфических предприятиях нет необходи­мости применять этот метод из-за его сложности и трудоемкости.

Для этой цели целесообразнее пользоваться конусно-дисковым вискозиметром «Шерли-Ферранти» (рис. 16). Он состоит из изме-

Рительнаго узла 1, индикаторного узла 2, усилителя 3, регистри­рующего узла 4, автоматического устройства 5 тто установке конуса и (плиты и самописца 6.

Образец краски, помещенный на плиту измерительного при­бора, подвергается сдвигу в узком симметричном зазоре между конусообразным, вращающимся от электродвигателя постоянного' тока диском и плоскостью плиты, которой точно касается вершина| конуса. Момент вязкого трения на конусе измеряется при помощи, скручивающего динамометра. Через тороидальный потенциометр величина крутящего момента в виде пропорциональных сигналов, постоянного тока передается на индикаторный узел. По показа­ниям индикаторного узла с помощью соответствующих несложных расчетов могут быть вычислены значения напряжения и вязкости, при данном градиенте скорости сдвига.

Градиент скоростей сдвига вискозиметра «Шерли-Ферранти» может меняться от 10 до 17000 с-1. Хорошая воспроизводимость, результатов измерений, простота в обращении, легкость заполне­ния и очистки, использование для испытаний небольшого объема краски делают этот прибор одним из лучших для контроля рео­логических свойств печатных красок. Однако сравнительно высо­кая стоимость препятствует его широкому распространению на по­лиграфических предприятиях. Вискозиметр «Шерли-Ферранти» может быть использован и для исследовательских целей.

Основным недостатком этого прибора по сравнению с эласто- вискозиметром А. А. Трапезникова является отсутствие малых ско­ростей сдвига (ниже 10 с-1).

Для производственного контроля вязкости красок широко при­меняются также ротационный вискозиметр Брукфильда и стерж­невой вискозиметр.

Вискозиметр Брукфильда предназначен для контроля зязкости жидких красок (типа газетных). Осноэиой( рабочей Частью при­бора является ротор, представляющий собой стержень с насажен­ным на него диском. Ротор погружается в исследуемую жидкость и приводится в движение от электродвигателя. Сопротивление, которое оказывает жидкость движению ротора, фиксируется на шкале прибора. Значение вязкости* соответствующее отклонению стрелки прибора, находят по таблице, которой снабжен прибор.

Для измерения вязкости при различных скоростях сдвига в приборе имеется набор роторов с различным диаметром диска. Однако диапазон скоростей сдвига, которые могут быть реализо­ваны, не позволяет достичь предельного разрушения структуры, поэтому величина вязкости оказывается завышенной по сравнению с результатами измерений на приборе Трапезникова или Фер­ранти.

Стержневой вискозиметр (рис. 17) используется для контроля вязкости красок для высокой и офсетной печати. Принцип дей­ствия прибора состоит в том, что стержень 1 круглого сечения скользит в кольце 2 под действием собственнрго веса или допол­нительного груза. Диаметр кольца несколько больше диаметра стержня, поэтому испытуемая краска, помещенная в кольце при­бора, подвергается сдвигу в узком зазоре между внутренней стен­кой кольца и поверхностью падающего стержня. Зная продолжи­тельность прохождения стержнем определен­ного расстояния между двумя отметками 3 на станине прибора,* можно рассчитать вязкость краски.

Для удобства пользования прибором и во избежание сложных и трудоемких расчетов к нему даны бланки специальных графиков. На графике по оси абсцисс отложены значения напряжений сдвига Р, соответствующие на­грузкам, дополнительным к весу стержня. Значения нагрузок показаны в верхней части графика на прямой, параллельной оси абсцисс (рис. 18). По оси ординат в логарифмическом масштабе отложено время падения стержня. Прямые линии, идущие от начала координат, •означают величину вязкости, рассчитанную для определенных нагрузок и времени паде­ния стержня.

Для определения вязкости краски измеря­ют время падения стержня без груза и под действием последовательно увеличивающихся нагрузок. Результаты наносят на график в виде точек, которые соединяют прямой лини - Рис 17 Стержневой е^* Точка пересечения этой прямой с осью аб-

Вискозиметр сцисс определит величину предельного напря-

Жения сдвига, характеризующую прочность структуры краски. Прямая, проведенная из начала координат параллельно прямой, полученной в результате измерений, даст значение пластической вязкости краски, которое находят по значениям вязкости двух со­седних лучей. Для приведенных на рис. 18 данных величина пре­дельного напряжения сдвига равна приблизительно 900 дин/ом2, пластическая вязкость равна 175 пуазам.

При отсутствии необходи­мых. приборов пользуются бо­лее простыми способами оцен­ки вязкостно-текучих свойств кратк.

Для определения -вязкости жидких красок (типа газет­ных) существует метод падаю­щего шарика по ТУ ПП 123—

54. Этот метод состоит в том, что в стеклянный цилиндр ем­костью около 250 мл наливают небольшое количество глице­рина, а затем испытуемую краску так, чтобы высота столба краски была равна 20 см. В цилиндр погружают стальной шарик строго оп­ределенного веса и диаметра (3 мм) и замеряют время про­хождения его через краску (в секундах). Полученная вели­чина является мерой вязкости

Краски. Чем выше вязкость

Краски, тем больше время

Прохождения шарика. Измере­ния проводят при температу­ре 20° С.

Для оценки более вязких красок для высокой и офсетной пе­чати пользуются методом растекания по ТУ ПП 123—54 (завод­

Ские). Метод состоит в определении диаметра пятна краски, по­лучаемого в результате раздавливания определенного объема ее между двумя стеклами под действием груза массой 250 г в тече­ние 15 мин при температуре 25° С.

Текучесть краски в отличие от растекания характеризует спо­собность краски течь под действием собственного веса. Метод оценки текучести краски состоит в том, что определенный неболь­шой объем (3 см3) краски выдавливают из микроволюметра на горизонтальную пластину (рис. 19) и через 15 мин определяют диаметр пятна, образовавшегося в результате растекания этого объема краски. Чем больше диаметр пятна, тем выше текучесть. Измерения проводятся при температуре 25° С.

По результатам определения текучести можно достаточно уве­ренно судить о поведении краски в красочном ящике печатной машины.

Перечисленные выше производственные методы оценки вязко­сти краски позволяют определить только точку или в лучшем слу­чае небольшой участок кривой зависимости вязкости от скорости 98

-сдвига (стержневой вискозиметр). Результат измерения во мно­гом зависит от степени разрушения структуры, поэтому краску пе* ред определением вязкости необходимо тщательно перемешать. Не менее важно строго соблюдать температурные условия, так как изменение температуры только на 1°С может привести к ошибке в определении на 10—15%. При соблюдении все-х условий эти ме­тоды дают достаточно точные результаты при сравнении одина­ковых по составу красок (например, испытуемой краски с этало­ном), они позволяют контролировать правильность рецептуры и технологии изготовления красок, постоянство свойств в отдельных партиях и т. д.