1、MAL/JOB/2909e Page 1 of 3 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 近年来，喷墨打印已 发展 成为 瓷砖 装饰 等 领域 最 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 极高 的 剪切 作用 ，也 能 达到对其流动特性的要求
2、 。 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 105106s-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 最好保持 在 525 mPa.s。 然而， 低粘度 对墨水的储存稳定性不利 。 众
3、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，从而得到最佳 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
4、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 m） ， 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
5、与剪切速率 关系 。 和旋转流变仪一样， 微流体流变 仪也 能够 精确 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 。 MAL/JOB/2909e Page 2 of 3 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
6、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
7、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 最佳性能 。 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 图表 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 ，可得到墨水在极宽的 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。 MAL/JOB/2909e Page 3 of 3
