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品市場經理
本文首次刊登于《聚合物涂料顏料》2014年8月刊
近年來，噴墨打印已發展成為瓷磚裝飾等領域為高效的打印方法之一，利用該技術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。要實現這樣的打印效果，必須開發具有特定流變特性的陶瓷墨水，以適應陶瓷噴墨打印工藝。即在儲存時，墨水即使受到重力作用也不會沉淀;在打印時，墨水在打印噴頭內受到高的剪切作用，也能達到對其流動特性的要求。
旋轉流變測量技術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測量材料的剪切粘度。但是，如果要實現模擬打印噴頭內的超高剪切速率條件時，旋轉流變儀就不太適合。相對較新的微流體流變測量技術就能體現出重要價值。
與過程相關的流變數據的重要性
墨水在打印噴頭內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現有效的噴射致動和液滴沉積，墨水必須具有良好的流動性，粘度保持在5~25 mPa.s。然而，低粘度對墨水的儲存穩定性不利。
眾所周知，墨水是一種包含了溶劑、粘結劑和表面活性劑、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的穩定性，墨水需要能在低剪切應力(只有重力)的條件下具有相對較高的粘度。
要同時滿足這兩個互相矛盾的要求，研究人員必須在一個寬剪切速率范圍內，準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介紹
旋轉流變測量技術比較適合小于1s-1到幾千s-1的剪切速率范圍。到更高的剪切速率時，會出現流動不穩定、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的問世時間尚短，但它能有效彌補旋轉流變技術的不足，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)，利用嵌入式的微機電系統 (MEMS) 壓力傳感器，測量沿流動方向壓力降。找出壓差與體積流量的對應關系，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，得到墨水的流動曲線，即剪切粘度與剪切速率關系。和旋轉流變儀一樣，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。
上述兩大優點，是微流體流變儀對墨水配方開發的價值所在。
為了說明如何將旋轉流變儀和微流體流變儀結合起來，為研制墨水配方提供重要的參考數據，我們在實驗中使用馬爾文Kinexus旋轉流變儀和m-VROCi微流體流變儀，對A、B兩款市售的噴墨墨水進行了測量。圖1中的兩條流動曲線分別代表了墨水A和墨水B的相關數據，每一條流動曲線均可呈現使用馬爾文Kinexus旋轉流變儀和m-VROCi微流體流變儀所得出的數據。
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曲線均略有下降(表明墨水出現了輕微的非牛頓型剪切變稀行為)，但兩個樣品的粘度在整個研究范圍內都相對穩定。A墨水在剪切速率1s-1時粘度約為22 mPa.s，在剪切速率達到100,000 s-1的時粘度為17 mPa.s，這說明面對較高的剪切速率時，墨水粘度會略有下降。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定性和高流動性能表現有非常大的幫助。
應用前景展望
隨著噴墨打印在瓷磚裝飾中的應用日益普遍，市場對具有先進配方的墨水需求量越來越高。所謂“先進”，是指墨水能夠在所有應用階段都發揮出性能。作為一種相對較新的技術，微流體流變測量技術能夠測量墨水在打印噴頭內高剪切速率條件下的粘度，因而對墨水配方的開發具有重要意義。將馬爾文微流體流變儀和旋轉流變儀結合使用，研究人員可以模擬墨水在打印過程中出現的所有環境和條件，在非常寬的剪切速率范圍內測定墨水粘度。這些數據能幫助研究人員開發儲存穩定性好、流動性能好、打印效果理想的墨水。
結束
圖
圖1：將旋轉流變儀(實心正方形所示)和微流體流變儀(空心正方形所示)結合使用，可得到墨水在寬的剪切速率范圍內(0.5s-1 ~100,000s-1)的流動曲線。
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。
