1.涂料流變性的測(cè)量

涂料的流變性是指其在外力作用下的流動(dòng)和變形性。流變性和涂料配方的穩(wěn)定性、實(shí)用性密切相關(guān)。在一個(gè)涂料配方中，樹(shù)脂、顏料和溶劑的組合本身并沒(méi)有優(yōu)化的效果。因此，絕大多數(shù)配方含有流變改進(jìn)劑，以便使終產(chǎn)品具有較好的流變性。因此，涂料具有合適的流變性是非常關(guān)鍵的，所以選擇正確的流變改性劑組合對(duì)于配制這種涂料非常關(guān)鍵。

事實(shí)上，所有涂料都具有非牛頓流體的特性，這意味著它們的黏度在所有剪切速率下不相同。通常，水性涂料具有剪切稀釋性能，即在較高剪切速率下具有較低黏度。然而，這種黏度的降低并不是的，只有在較高剪切速率時(shí)才能出現(xiàn)。當(dāng)剪切速率又變低時(shí)，涂料再次顯示較高的黏度。為了表示這種剪切變稀的性能，將剪切速率圖分成三個(gè)區(qū)域：即低剪切、中等剪切和高剪切（圖1）。從這種三點(diǎn)特征可對(duì)流變劑組合的改變對(duì)具有各種流變性特征的涂料性能的提高或降低（如抗流掛性和拉刷子）進(jìn)行有用的評(píng)價(jià)。

圖1 剪切稀釋型流體粘度隨剪切速率變化曲線

但是在測(cè)量流變性時(shí)，常規(guī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)流變儀僅能在低剪切和中等剪切范圍內(nèi)進(jìn)行有效的測(cè)量，因?yàn)樵谳^低的剪切速率時(shí)流體是層流狀態(tài)，當(dāng)剪切速率超過(guò)1000s-1后，流體變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，從而無(wú)法進(jìn)行有效的測(cè)量。當(dāng)我們比較兩個(gè)樣品的流變性時(shí)，只能通過(guò)中低剪切速率時(shí)的粘度曲線走勢(shì)，來(lái)想象推測(cè)高剪切時(shí)的粘度，這無(wú)疑是非常不科學(xué)的。Fluidicam微流控可視流變儀可以測(cè)量樣品在不同的流速下的粘度，獲得完整的流變曲線來(lái)反映樣品粘度隨所施加的剪切速率的變化行為。

Fluidicam微流控可視流變儀比常規(guī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)量更快、更簡(jiǎn)單、樣品消耗量量更少，大大提高流變測(cè)試的效率并減少了研究和開(kāi)發(fā)成本。

2．微流控測(cè)試技術(shù)

微流控（Microfluidics）指的是使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)，是一門(mén)涉及化學(xué)、流體物理、微電子、新材料、生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程的新興交叉學(xué)科。微流控的早期概念可以追溯到19世紀(jì)70年代采用光刻技術(shù)在硅片上制作的氣相色譜儀，而后又發(fā)展為微流控毛細(xì)管電泳儀和微反應(yīng)器等。微流控的重要特征之一是微尺度環(huán)境下具有*的流體性質(zhì)始終保持層流特性，利用這一特性可以非常精確地獲取樣品在超高剪切速率下（高可達(dá)180000s-1）的粘度。

圖2 微流控芯片

圖3 涂料流動(dòng)時(shí)的界面位置照片

FLUIDICAM使用微流控技術(shù)測(cè)量樣品的粘度，樣品和標(biāo)準(zhǔn)液同時(shí)被泵入到微流控通道中(尺寸 寬X高 2.2mm X 50 /150µm) 經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的剪切，通過(guò)電腦調(diào)整樣品和標(biāo)準(zhǔn)液泵入的速度即可調(diào)整剪切速率。在這個(gè)條件下，界面位置僅與樣品和標(biāo)準(zhǔn)品液粘度比相關(guān)。通過(guò)高清攝像機(jī)獲取層流流體界面的位置，然后軟件自動(dòng)繪制樣品在不同剪切速率或溫度下的粘度曲線。

3.測(cè)試結(jié)果

3.1 涂料流變性 

不同品牌的涂料A、B1、B2、C。

圖4 涂料粘度隨剪切速率變化曲線

從數(shù)據(jù)中可見(jiàn)不同涂料的粘度曲線呈現(xiàn)不同趨勢(shì)：高質(zhì)量涂料Brand B2 和 Brand C在低剪切速率下粘度較高更適合懸浮顆粒，并且在高剪切時(shí)粘度快速下降，易于涂抹。而B(niǎo)rand A剪切稀釋效果不明顯，需要調(diào)整配方中的流變改性劑。Brand B 1 粘度過(guò)高，不易施工涂抹。

3.2 墨水、油墨

陶瓷油墨的粘度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，對(duì)不同印刷方法和機(jī)器類型必須控制不同粘度。因此，油墨需要調(diào)整配方達(dá)到目標(biāo)粘度。油墨的粘度受混合的不同溶劑影響，但其他參數(shù)也會(huì)影響粘度，如顏料的粒徑或其分散的過(guò)程（高速/高壓/均質(zhì)機(jī)、研磨、超聲波等）。在一般情況下，目標(biāo)是在印刷溫度（40-45°）下的粘度約為10-20cp。

圖5 墨水粘度隨剪切速率變化曲線

不同顏色的陶瓷油墨樣品呈現(xiàn)微弱的剪切變稀的行為，藍(lán)色sample3樣品具有較高的粘度，橙色sample2粘度較低，三者都在目標(biāo)粘度范圍內(nèi)。值得一提的是，F(xiàn)luidicam微流控可視流變儀的實(shí)驗(yàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1%。測(cè)試過(guò)程*密閉，避免了樣品蒸發(fā)，減少了實(shí)驗(yàn)人員的健康損害。

3.3 墨水工藝對(duì)高剪切粘度的影響

下圖是某廠商提供的墨水樣品，采用三種不同的分散工藝：basic基礎(chǔ)、MF微乳化、Omega。實(shí)際印刷過(guò)程中Omega工藝的印刷質(zhì)量較差，廠商猜測(cè)是不同粘度導(dǎo)致的，但是機(jī)械旋轉(zhuǎn)流變儀無(wú)法提供足夠的精度。下圖是使用Fluidicam測(cè)試的三種不同工藝的兩種顏色墨水的粘度。

圖6 墨水在高剪切速率下的粘度

從圖中可見(jiàn)，Omega工藝制備而成的粘度確實(shí)比Basic和MF的粘度稍低，可見(jiàn)Fluidicam具有非常高的精度，可以表征微小的粘度差異。

4、結(jié)論

1．涂料粘度必須考慮平衡性，既要足夠低，以便具有較好的流動(dòng)和流平性，方便施工，但又不能太低，以防發(fā)生流掛，或包裝儲(chǔ)運(yùn)時(shí)發(fā)生顏料沉積。測(cè)試涂料在不同剪切速率下的流變性是非常重要的。

2．微流控流變是一種非常新穎的流變性測(cè)試技術(shù)，F(xiàn)luidicam微流控可視流變儀具有高剪切頻率范圍、精確、快速、簡(jiǎn)單、樣品消耗量小的優(yōu)點(diǎn)，是一款非常先進(jìn)的流變性測(cè)試工具。

微流控可視流變儀FLUIDICAM

Fluidicam微流控可視流變儀被設(shè)計(jì)用于測(cè)試各種稠度樣品的粘度，包括液體、凝膠或半固體乳液。當(dāng)樣品和參比樣在芯片通道中高速流動(dòng)時(shí)，獲取微型芯片中兩相不相容液體的界面位置，從而計(jì)算被測(cè)樣品的剪切速率和粘度。芯片上狹窄的通道，賦予儀器高的剪切速率范圍、樣品體積量小，溫度調(diào)節(jié)迅速的優(yōu)點(diǎn)。