Реологія [3] - наука про перебіг - вивчає залежність між де-формацією матеріалу, швидкістю деформації і напругою.
Існують матеріали, для яких залежність між ці-ми трьома величинами проста. До них відносяться, наприклад, інді-виділеного рідини і .істінние розчини. Якщо така рідина заповнює простір між двома пластинами (рис. 13), з яких одна рухається з постійною швидкістю Уь а друга за-міцніла нерухомо, то шар рідини, що знаходиться безпосереднім-ного у поверхні першої пластини, захоплюється нею і рухається з тією ж швидкістю V1. Шар рідини, що знаходиться у поверх-ності другий, нерухомою, пластини, буде утримуватися нею і 'Чи залишиться нерухомим. Інша частина рідини буде зна-диться в русі, швидкість якої зменшується від шару. до шару по 'міру віддалення від рухомої пластини. При цьому градієнт швидкості зсуву, т. Е. Зміна швидкості течії рідини від шару до шару в напрямку, перпендикулярному течією, буде ра-вен:
Тде 1/1 і У2 - швидкості руху пластин (в даному випадку 1 ^ 2 = 0); й - відстань між пластинами.
З наведеного рівняння видно, що градієнт швидкості сдви-га в зазорі буде залишатися постійним доти, поки раз-ність швидкостей руху пластин або відстань між ними не змінюється. Швидкість руху пластини визначається вели-чиною прикладеного до неї напруги зсуву Якщо до пластини докласти більше напруга зсуву, то за інших рівних умов градієнт швидкості зсуву в зазорі зросте.
У випадку ідеальної рідини між напругою зсуву Р і градієнтом швидкості е існує прямо пропорційна зави-ності:
Мал. 13. Визначення градієнта швидкості
Коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом внутрішнього тертя або в'язкості. Його величина є Констан-тій для даної рідини і при постійній температурі не зави-сит від умов, в яких знаходиться рідина. Багато індиві-дуальні рідини і справжні розчини підкоряються наведено-ному вище рівняння Ньютона.
Проте поведінка більшості матеріало- в, використовуваних в промисловості (в тому 'числі і друкарських фарб), не підкоряється цим законом. У реальних умовах для цих матеріалів харак-Терно зміна залежності між в'язкістю і швидкістю сдви-га. Основною причиною аномального поведінки більшості ма-ріалів в реальних умовах є їх здатність до струк - ту р ВЗБ р о з ов а н н я.
Структурування колоїдних розчинів і суспензій - резуль-тат дії сил контактної зв'язку, що проявляються при сопрікос-новении частинок, наприклад сил Ван дер Ваальса, Кулонових. Ці сили виникають на поверхні частинки в результаті того, що стан атома, що знаходиться на поверхні кристалічної решітки, відрізняється від стану того ж атома всередині неї тим, що не всі його молекулярні сили компенсовані. Ці сили дей-обхідних не тільки на частки, але і на рідку середу, що заповнює простір між ними. З одного боку, ці сили, зближуючи частки, прагнуть витіснити рідку прошарок, а з іншого - під дією тих же сил частина рідини адсорбується на по-поверхні частинок, утворюючи граничний - шар (сольватную оболонку), який послаблює взаємодію між частинками. Зіткненнях-ня частинок, які є, наприклад, результатом їх теплового дві-вання, можуть привести до взаємодії часток з утворенням безладних просторових сіток. Додаток зусилля сдви-га до таких систем викликає, з одного боку, руйнування цих сіток, а з іншого - утворення нових контактів в результаті збільшення числа зіткнень при зсуві. При досить малих швидкостях зсуву може мати місце рівновага між цими дво-ма процесами. В результаті середньостатистичне число зв'язків залишиться рівним їх числа в недеформованою системі. В цій
Області швидкостей деформації в'язкість залишається постійною і ма-теріал поводиться як істинно в'язка ньютоновская рідина. Збільшення градієнта швидкості призведе до зміщення 'ра / вновесія в сторону руйнування елементів структури і викличе більш-менш різке падіння в'язкості, аж до досягнення найменшим-шего постійного значення, відповідного граничного руйнуючої-шенням структури.
Іншою характерною особливістю структури таких матеріалів є наявність яскраво виражених тиксотропних властивостей. Основ-ною фактрр, який відрізняє / гіксотропное структуроутворення від розглянутого вище, - це фактор часу. Міцність роз-вающий структури і швидкість її наростання в часі є-ються основними характеристиками тиксотропного структурообра- тання.
Таким чином, залежність в'язкості друкарської фарби від гра-діента швидкості зсуву і залежність міцності структури від ча-мени, протягом якого фарба знаходиться в спокої, можуть бути віднесені до основних реологическим характеристикам фарб. Як було показано в розділі 3, друковано-технічні та експлуатаційні-ні властивості фарб значною мірою залежать від цих харак-теристик, тому їх оцінка дасть можливість отримати більш повне уявлення про властивості фарб.
Для визначення вязкостних характеристик користуються віско-зіметрамі трьох основних типів, побудованими за принципом падаючого тіла, витікання рідини, і зсуву в кільцевому зазорі.
Ротаційний віскозиметр, побудований за принципом зсуву в кільцевому зазорі, становить найбільший інтерес для вимірювання структурованих систем, зокрема друкарських фарб, так як він дозволяє проводити вимірювання в умовах, близьких до
Тим, у яких фарба знаходиться на різних стадіях друкованого • процесу. З цієї точки зору одним з кращих приладів є-ється комплексний еластовіскозіметр-3 А. А. Трапезникова (рис. 14). Для нього характерний досить широкий діапазон градієнтів швидкості зсуву: від 10-5 до 103 з -1. Конструкція при-бору дозволяє легко і швидко здійснювати перехід від малих швидкостей деформування до високих і назад. Прилад забезпе-чує також надійне термоетатірованіе при високих швидкостях зсуву і має ряд інших переваг, що вигідно відрізняють його від приладів такого типу.
Основною робочою частиною приладу є два вертикально і концентрично розташованих циліндра, між якими по-міщан досліджувана рідина. Зовнішній циліндр приводиться в рух від електродвигуна через редуктор з постійною угло-вої швидкістю При цьому в зазорі встановлюється постійний градієнт швидкості зсуву:
Де з - кутова швидкість обертання зовнішнього циліндра;
/? 1 і /? 2 радіуси внутрішнього та зовнішнього циліндрів.
Рух через рідину передається від зовнішнього циліндра до внутрішнього, підвішеному на пружною дроту, в результаті чого внутрішній циліндр обертається на деякий кут ф, ко-торий пропорційний напрузі зсуву Р, що виникає в сі-стем:
Де С о - жорсткість дроту;
При тривалому обертанні зовнішнього циліндра з постійною швидкістю напруга зсуву Р може змінюватися. Наприклад, якщо фарба, завантажена в прилад, перебувала якийсь час у по-кое, то в процесі деформування напруга спочатку віку-ет до максимуму Р = РГ, а потім починає падати, досягаючи по-постійного значення Р = Р5 (рис. 15). Через різні проміжки часу, у міру збільшення інтервалів між дослідами, т. Е. Про-тривалості «відпочинку» системи т, величина максимуму Рг бу-дет зростати, тоді як величина Р 5 залишиться незмінною. Ве-личина Р3 при постійній температурі залежить тільки від гради-ента швидкості 6 і характеризує в'язкість фарби, відповідну
Даному градієнту ц = - т -.
Мал. 15. Залежність напруги зсуву від тривалості досвіду
За значеннями Р3. виміряним для всього діапазону град-тов швидкості, може бути розрахована і побудована крива в'язкості
Т] = / (е). Ця залежність характеризує властивості тієї частини струк-тури фарби, яка не пов'язана з часом. Величина максі-мумов Рг характеризує другу частину структури фарби, яка розвивається в часі. Крива, яка побудована за значеннями максимумів Рг виміряним через різні проміжки време-ні після деформування системи, дозволяє оцінити тиксотропії - ні властивості фарб. Оцінка тиксотропних властивостей фарб зазвичай здійснюється при найменших швидкостях зсуву, що відпо-ствует умов друкованого процесу.
Описані методи дослідження реологічних властивостей друк-них фарб дозволяють знайти залежності між реологічними параметрами і поведінкою фарби на окремих стадіях друк-ного процесу. З іншого боку, за допомогою цих методів изу-ють вплив окремих компонентів фарби і інших чинників на їх реологічні властивості. Результати цих досліджень по-Зволен знайти основні закономірності для створення друкарських фарб із заданими властивостями.
Для контролю в'язкості друкарських фарб як на заводі-изго- товітеле, так і на поліграфічних підприємствах немає необхід-мости застосовувати цей метод через його складності і трудомісткості.
Для цієї мети доцільніше користуватися конусно-дисковим віскозиметром «Шерлі-Ферранті» (рис. 16). Він складається з ви-
Рітельнаго вузла 1, індикаторного вузла 2, підсилювача 3, регістр-рующего вузла 4, автоматичного пристрою 5 ТТО установці конуса і (плити і самописця 6.
Зразок фарби, поміщений на плиту вимірювального при-бору, піддається зрушенню у вузькому симетричному зазорі між конусоподібним, що обертається від електродвигуна постійного 'струму диском і площиною плити, якою точно стосується вершина | конуса. Момент в'язкого тертя на конусі вимірюється за допомогою, скручує динамометра. Через тороидальний потенціометр величина крутного моменту у вигляді пропорційних сигналів, постійного струму передається на індикаторний вузол. За показаннями індикаторного вузла за допомогою відповідних нескладних розрахунків можуть бути обчислені значення напруги і в'язкості, при цьому градієнті швидкості зсуву.
Градієнт швидкостей зсуву віскозиметра «Шерлі-Ферранті» може змінюватися від 10 до 17000 с-1. Хороша відтворюваність, результатів вимірювань, простота в обігу, легкість заповнення-ня і очищення, використання для випробувань невеликого обсягу фарби роблять цей прилад одним з кращих для контролю рео-логічних властивостей друкарських фарб. Однак порівняно висо-кая вартість перешкоджає його широкому поширенню на по-ліграфіческіх підприємствах. Вискозиметр «Шерлі-Ферранті» може бути використаний і для дослідницьких цілей.
Основним недоліком цього приладу в порівнянні з еласто- віскозиметром А. А. Трапезникова є відсутність малих ско-зростання зсуву (нижче 10 с-1).
Для виробничого контролю в'язкості фарб широко при-змінюються також ротаційний віскозиметр Брукфільда і стерж-Невою вискозиметр.
Мал. 16. Конусно-дисковий вискозиметр «Шерлі-Ферранті»
Вискозиметр Брукфільда призначений для контролю зязкості рідких фарб (типу газетних). Осноеіой (робочої Частиною приладу є ротор, що представляє собою стрижень з насаджений-ним на нього диском. Ротор занурюється в досліджувану рідину і приводиться в рух від електродвигуна. Опір, який чинить рідина руху ротора, фіксується на шкалі приладу. Значення в'язкості * відповідне відхиленню стрілки приладу, знаходять по таблиці, якій забезпечений прилад.
Для вимірювання в'язкості при різних швидкостях зсуву в приладі є набір роторів з різним діаметром диска. Однак діапазон швидкостей зсуву, які можуть бути реалі-ником, не дозволяє досягти граничного руйнування структури, тому величина в'язкості виявляється завищеною в порівнянні з результатами вимірювань на приладі Трапезникова або Фер-рантьє.
Стрижневою вискозиметр (рис. 17) використовується для контролю в'язкості фарб для високого і офсетного друку. Принцип дей-наслідком приладу полягає в тому, що стрижень 1 круглого перетину ковзає в кільці 2 під дією собственнрго ваги або додат-Передачі вантажу. Діаметр кільця трохи більше діаметра стрижня, тому випробувана фарба, вміщена в кільці при-бору, піддається зрушенню у вузькому зазорі між внутрішньою стін-кою кільця і поверхнею падаючого стрижня. Знаючи продовж-ність проходження стрижнем визначено-ного відстані між двома позначками 3 на станині приладу, * можна розрахувати в'язкість фарби.
Для зручності користування приладом і щоб уникнути складних і трудомістких розрахунків до нього дані бланки спеціальних графіків. На графіку по осі абсцис відкладені значення напруги зрушення Р, відповідні на-Грузьке, додатковим до ваги стрижня. Значення навантажень показані у верхній частині графіка на прямий, паралельної осі абсцис (рис. 18). По осі ординат в логарифмічному масштабі відкладено час падіння стрижня. Прямі лінії, що йдуть від початку координат, • означають величину в'язкості, розраховану для певних навантажень і часу паде-ня стрижня.
Для визначення в'язкості фарби виміряти-ють час падіння стрижня без вантажу і під дією послідовно зростаючих навантажень. Результати наносять на графік у вигляді точок, які з'єднують прямою лини - Рис 17 Стрижневою е ^ * Точка перетину цієї прямої з віссю аб-
Вискозиметр сцісс визначить величину граничного напря-
Мал. 18. Графік визначення в'язкості за результатами вимірювань на стержневом вискозиметре
Вання зсуву, що характеризує міцність структури фарби. Пряма, проведена з початку координат паралельно прямий, отриманої в результаті вимірів, дасть значення пластичної в'язкості фарби, яке знаходять за значеннями в'язкості двох спів-Седнєв променів. Для наведених на рис. 18 даних величина пре-ділового напруги зсуву дорівнює приблизно 900 дин / ОМ2, пластична в'язкість дорівнює 175 пуаз.
При відсутності необхід-мих. приладів користуються бо-леї простими способами оціню-ки в'язкісно-текучих властивостей скор.
Мал. 19. Мікроволюметр для визначення плинності друкарських фарб
Для визначення -В'язкість рідких фарб (типу газет-них) існує метод падаю-ного кульки по ТУ ПП 123-
54. Цей метод полягає в тому, що в скляний циліндр їм-кісткою близько 250 мл наливають невелику кількість глиця-рина, а потім випробувану фарбу так, щоб висота стовпа фарби дорівнювала 20 см. В циліндр занурюють сталева кулька строго оп-ределенного ваги і діаметра (3 мм) і вимірюють час про-ходіння його через фарбу (в секундах). Отримана вели-чину є мірою в'язкості
Фарби. Чим вище в'язкість
Фарби, тим більше час
Проходження кульки. Вимірювань-ня проводять при температу-ри 20 ° С.
Для оцінки більш вузьких фарб для високого і офсетного пе-чати користуються методом розтікання по ТУ ПП 123-54 (завод-
Ські). Метод полягає у визначенні діаметра плями фарби, по-променя в результаті роздавлювання певного обсягу її між двома стеклами під дією вантажу масою 250 г в тече-ня 15 хв при температурі 25 ° С.
Плинність фарби на відміну від розтікання характеризує спо-можності фарби текти під дією власної ваги. Метод оцінки плинності фарби полягає в тому, що певний невеликих шой обсяг (3 см3) фарби видавлюють з мікроволюметра на горизонтальну пластину (рис. 19) і через 15 хв визначають діаметр плями, що утворилася в результаті розтікання цього обсягу фарби. Чим більше діаметр плями, тим вище плинність. Вимірювання проводяться при температурі 25 ° С.
За результатами визначення плинності можна досить уве-ренно судити про поведінку фарби в барвистому ящику друкарської машини.
Перераховані вище виробничі методи оцінки в'язкості фарби дозволяють визначити тільки точку або в кращому слу-чаї невелику ділянку кривої залежності в'язкості від швидкості 98
-зсуву (стрижневий вискозиметр). Результат вимірювання у мно-гом залежить від ступеня руйнування структури, тому фарбу пе * ред визначенням в'язкості необхідно ретельно перемішати. Не менш важливо строго дотримуватися температурні умови, так як зміна температури тільки на 1 ° С може призвести до помилки у визначенні на 10-15%. При дотриманні все-х умов ці ме-тоди дають досить точні результати при порівнянні одина-кових за складом фарб (наприклад, випробуваної фарби з еталоном-ном), вони дозволяють контролювати правильність рецептури і технології виготовлення фарб, сталість властивостей в окремих партіях і т . д.