使用微流体流变仪表征低粘度陶瓷墨水的喷印性能
作者：John Duffy，英国马尔文仪器有限公司流变产品市场经理
本文首次刊登于《聚合物涂料颜料》2014年8月刊
近年来，喷墨打印已发展成为瓷砖装饰等领域为高效的打印方法之一，利用该技术能够在各种非平面陶瓷基材上生成高清晰度的图案和图像。要实现这样的打印效果，必须开发具有特定流变特性的陶瓷墨水，以适应陶瓷喷墨打印工艺。即在储存时，墨水即使受到重力作用也不会沉淀;在打印时，墨水在打印喷头内受到高的剪切作用，也能达到对其流动特性的要求。
旋转流变测量技术是目前市场上广泛使用的一种流变特性表征手段，能够在较宽的剪切速率范围内测量材料的剪切粘度。但是，如果要实现模拟打印喷头内的超高剪切速率条件时，旋转流变仪就不太适合。相对较新的微流体流变测量技术就能体现出重要价值。
与过程相关的流变数据的重要性
墨水在打印喷头内所受的剪切速率范围为105~106s-1。为在这样的高剪切条件下实现有效的喷射致动和液滴沉积，墨水必须具有良好的流动性，粘度保持在5~25 mPa.s。然而，低粘度对墨水的储存稳定性不利。
众所周知，墨水是一种包含了溶剂、粘结剂和表面活性剂、悬浮颜料及/或染料的悬浮液。在低粘度配方下，这些悬浮成分易于沉淀。因此，为了保持贮存于瓶子或容器中时的稳定性，墨水需要能在低剪切应力(只有重力)的条件下具有相对较高的粘度。
要同时满足这两个互相矛盾的要求，研究人员必须在一个宽剪切速率范围内，准确测量并控制墨水配方的粘度，从而得到的墨水性能。
微流体流变测量技术介绍
旋转流变测量技术比较适合小于1s-1到几千s-1的剪切速率范围。到更高的剪切速率时，会出现流动不稳定、边缘破裂、剪切生热等问题，对墨水等低粘度配方来说其局限性更加明显。虽然微流体流变测量技术的问世时间尚短，但它能有效弥补旋转流变技术的不足，满足超高剪切速率下的测量需求。
在微流体流变仪中，液体以已知流量通过狭窄的微流道(一般为40-200 μm)，利用嵌入式的微机电系统 (MEMS) 压力传感器，测量沿流动方向压力降。找出压差与体积流量的对应关系，就可以得出样品粘度。通过改变流量或者流道的几何尺寸，可以测量不同剪切速率下的粘度，得到墨水的流动曲线，即剪切粘度与剪切速率关系。和旋转流变仪一样，微流体流变仪也能够控制温度，可以研究温度对墨水流体特性的影响。
上述两大优点，是微流体流变仪对墨水配方开发的价值所在。
为了说明如何将旋转流变仪和微流体流变仪结合起来，为研制墨水配方提供重要的参考数据，我们在实验中使用马尔文Kinexus旋转流变仪和m-VROCi微流体流变仪，对A、B两款市售的喷墨墨水进行了测量。图1中的两条流动曲线分别代表了墨水A和墨水B的相关数据，每一条流动曲线均可呈现使用马尔文Kinexus旋转流变仪和m-VROCi微流体流变仪所得出的数据。
我们用这两种仪器测定了墨水在0.5s-1 ~100,000s-1的剪切速率下的粘度。尽管两种墨水的流动曲线均略有下降(表明墨水出现了轻微的非牛顿型剪切变稀行为)，但两个样品的粘度在整个研究范围内都相对稳定。A墨水在剪切速率1s-1时粘度约为22 mPa.s，在剪切速率达到100,000 s-1的时粘度为17 mPa.s，这说明面对较高的剪切速率时，墨水粘度会略有下降。虽然粘度下降的幅度不大，但也不容忽视。在许多情况下，这种非牛顿特性也许对平衡打印喷头中墨水的稳定性和高流动性能表现有非常大的帮助。
应用前景展望
随着喷墨打印在瓷砖装饰中的应用日益普遍，市场对具有先进配方的墨水需求量越来越高。所谓“先进”，是指墨水能够在所有应用阶段都发挥出性能。作为一种相对较新的技术，微流体流变测量技术能够测量墨水在打印喷头内高剪切速率条件下的粘度，因而对墨水配方的开发具有重要意义。将马尔文微流体流变仪和旋转流变仪结合使用，研究人员可以模拟墨水在打印过程中出现的所有环境和条件，在非常宽的剪切速率范围内测定墨水粘度。这些数据能帮助研究人员开发储存稳定性好、流动性能好、打印效果理想的墨水。
结束
图
图1：将旋转流变仪(实心正方形所示)和微流体流变仪(空心正方形所示)结合使用，可得到墨水在宽的剪切速率范围内(0.5s-1 ~100,000s-1)的流动曲线。
图2：马尔文仪器的m-VROCi微流体流变仪能够测量墨水在超高的剪切速率条件下的粘度。
