延展黏度對(duì)涂布過(guò)程的影響及其測(cè)量方法

張曦晨 劉金剛

(中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100102)

延展黏度對(duì)涂布過(guò)程的影響及其測(cè)量方法

張曦晨 劉金剛

(中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100102)

介紹了延展流動(dòng)和延展黏度的概念、延展黏度與剪切黏度的關(guān)系以及增稠劑對(duì)延展黏度的影響。分別闡述了延展黏度對(duì)刮刀涂布、MSP涂布和簾式涂布運(yùn)行過(guò)程的影響，同時(shí)列舉了檢測(cè)涂料延展黏度的方法，重點(diǎn)介紹了流道收縮法和毛細(xì)管拉伸裂斷法兩種延展黏度的測(cè)量方法。

延展黏度;增稠劑;涂布運(yùn)行性能;延展性能

涂布是改善紙和紙板表面性能和印刷性能的重要手段［1］，目前造紙機(jī)和涂布機(jī)向著更寬更快的方向發(fā)展。紙機(jī)車速和涂料固含量的提高可以提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，但隨之而來(lái)的運(yùn)行性問(wèn)題越發(fā)突顯。造紙涂料是由分散狀粒子、水溶性聚合物以及其他添加劑組成的混合體，在涂布生產(chǎn)中，涂料受到大量的持續(xù)時(shí)間從幾毫秒到幾分鐘不等的應(yīng)力作用，顯現(xiàn)出復(fù)雜多變的流變行為［1-2］。涂料的流變性能直接與涂布運(yùn)轉(zhuǎn)性相關(guān)，并間接影響涂布紙性能，對(duì)涂料流變行為的預(yù)測(cè)和控制一直以來(lái)都是涂布領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

延展性能是涂料重要的流變性能，在諸如刮刀涂布、計(jì)量施膠壓榨 (MSP)涂布和簾式涂布中，即使優(yōu)化工藝條件，完善操作參數(shù)，仍不能獲得理想的運(yùn)行性能，究其內(nèi)因，是涂料的延展性能差所致［3］。延展黏度 (也稱拉伸黏度)是涂料自身特性，在特定涂布過(guò)程中能夠顯著影響運(yùn)行穩(wěn)定性以及成紙質(zhì)量，是涂布過(guò)程中的一個(gè)重要物理量［1］。雖然目前國(guó)內(nèi)外對(duì)延展黏度的研究仍處于起步階段，可獲得有關(guān)涂料延展性能方面的研究和信息很少，但延展黏度在各種涂布過(guò)程中的廣泛存在及重要影響已經(jīng)開(kāi)始受到重視。深入研究涂料的延展黏度，不僅能預(yù)測(cè)運(yùn)行性能、獲取最佳的涂料覆蓋，而且可促進(jìn)涂布領(lǐng)域的理論更新，加快改進(jìn)新涂料配方。

1 涂料的延展黏度

1.1 延展黏度的概念及研究現(xiàn)狀

在涂布的計(jì)量和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，不僅存在剪切流動(dòng)，也存在顯著的延展 (拉伸)流動(dòng)［1，4］。延展流動(dòng)是每當(dāng)幾何路徑發(fā)生收斂或擴(kuò)張時(shí)，涂料在流動(dòng)方向上受到加速作用，使分子鏈在其運(yùn)動(dòng)方向上受到拉伸的過(guò)程 (如圖1)［1］。在刮刀涂布的計(jì)量過(guò)程中、輥式涂布器的壓區(qū)出口以及簾式涂布涂料跟隨紙幅運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，涂料均會(huì)經(jīng)歷延展流動(dòng)［5］。在抵抗拉伸形變的過(guò)程中，涂料自身所產(chǎn)生的內(nèi)部阻力可以用延展黏度來(lái)衡量，延展黏度大的涂料表現(xiàn)出更高的抗拉伸能力，在MSP涂布中，尤其是在簾式涂布過(guò)程中可以提供更穩(wěn)定的運(yùn)行性能［3，5］。

圖1 收斂流道中的延展流動(dòng)

國(guó)內(nèi)對(duì)延展黏度的研究主要集中于聚合物的薄膜擠出、吹塑、纖維紡化以及注塑等成形過(guò)程［6］。由于涂料具有復(fù)雜的流變特性以及檢測(cè)方法受限，目前把延展黏度這一概念借鑒到造紙領(lǐng)域來(lái)預(yù)測(cè)涂布運(yùn)行性能的研究比較少，延展黏度的重要作用沒(méi)有受到足夠重視。孫軍［7］從簾式涂布入手，初步探討了延展黏度的測(cè)量及其對(duì)幕簾穩(wěn)定性的影響。但是目前國(guó)內(nèi)并未深入研究涂料性能和組分間的相互作用對(duì)延展黏度的影響以及延展黏度與涂布運(yùn)行性能的關(guān)系，因此對(duì)延展黏度的研究仍處于起步階段。

國(guó)外對(duì)延展黏度的研究相對(duì)成熟，國(guó)外學(xué)者從20世紀(jì)70年代開(kāi)始對(duì)聚合物熔體的延展黏度進(jìn)行研究，對(duì)延展黏度測(cè)量工作做出重大貢獻(xiàn)的有Cogswell、Gibson、Binding 等人［5-6］。近年來(lái)，隨著涂布技術(shù)的發(fā)展以及運(yùn)行性問(wèn)題日益突出，更多的國(guó)外學(xué)者認(rèn)識(shí)到了延展黏度對(duì)涂布過(guò)程的重要影響，N．Willenbacher使用毛細(xì)管拉絲破裂法分析了丙烯酸水溶液的延展黏度，并對(duì)比了不同溶液的特魯頓系數(shù)。Sascha Tadjbach等人研究了不同涂料以及不同增稠劑的延展特性，并認(rèn)為選擇延展性能好的膠黏劑可以擴(kuò)大操作窗口，并提供良好的運(yùn)行性。M．Ojanen［8］使用 ACAV 超高剪切黏度儀中的 EXTV附件對(duì)涂料的延展黏度進(jìn)行研究，他認(rèn)為用歐拉數(shù)的大小可以判斷涂料延展黏度的變化趨勢(shì)。Arthas Yang［5］等人分別對(duì)比了毛細(xì)管拉絲裂斷流變儀 (Ca-BER)、多程毛細(xì)管流變儀 (Multi-pass Capilary)以及ACAV超高剪切黏度儀的測(cè)量結(jié)果，認(rèn)為延展黏度的測(cè)量需要精密的流變儀器，延展黏度的計(jì)算需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)增加涂料的延展黏度可以有效減少簾式涂布中涂層的表面缺陷。

1.2 延展黏度與剪切黏度

剪切流動(dòng)和延展流動(dòng)是涂布過(guò)程中兩種普遍存在的流動(dòng)形式，關(guān)于涂料剪切流變性的研究已經(jīng)很多，延展黏度的定義方式與剪切黏度類似，見(jiàn)圖2［1，5］。在剪切流動(dòng)中，涂料的流動(dòng)方向與受剪切應(yīng)力所產(chǎn)生的速度梯度方向垂直，而在延展流動(dòng)中，涂料的流動(dòng)方向和受延展應(yīng)力所產(chǎn)生的速度梯度方向平行［9］。

圖2 剪切流動(dòng)和延展流動(dòng)

式中，剪切流動(dòng)中，長(zhǎng)為L(zhǎng)0的矩形流體受到剪切作用后，在t時(shí)間內(nèi)發(fā)生的橫向位移為S，為剪切應(yīng)變，γ為剪切速率，σ為剪切應(yīng)力，ηS剪切黏度;延展流動(dòng)中，寬度為L(zhǎng)0'的流體在左右均為F的力下經(jīng)歷延展拉伸，時(shí)間t后的寬度為L(zhǎng)1，為延展應(yīng)變，ε為延展速率，τ為拉伸應(yīng)力，ηE為延展黏度。

在涂布過(guò)程中，由于造紙涂料復(fù)雜的受力情況以及延展流動(dòng)的瞬時(shí)發(fā)生性，通過(guò)理論公式準(zhǔn)確計(jì)算流體延展黏度的數(shù)值比較困難，且不同方法所測(cè)量出的延展黏度也存在差別。早在1906年，Trouton［10］就對(duì)高黏度液體的延展黏度進(jìn)行研究，他發(fā)現(xiàn)，對(duì)于牛頓液體以及低剪切速率下的非牛頓液體而言，延展黏度為剪切黏度的3倍，但在高剪切速率下，黏彈性液體將呈現(xiàn)出復(fù)雜的流變性，延展黏度與剪切黏度之比并不是常數(shù)。后來(lái)將延展黏度與剪切黏度之比叫Trouton 系數(shù)，記作 Tr系數(shù)，即 Tr= ηE/ηS。Valle［11］等人測(cè)量了固含量為55%、溶解在聚乙二醇水溶液中的高嶺土的延展黏度，發(fā)現(xiàn) Tr系數(shù)為 12～16。Ascanio［12］等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪切速率達(dá)到 103～104s-1時(shí)，涂料的Tr系數(shù)在4～36之間，當(dāng)剪切速率達(dá)到105s-1時(shí)，Tr系數(shù)將達(dá)到80。

在涂布過(guò)程中，涂料均經(jīng)歷大范圍的剪切速率和延展速率。圖3顯示出涂布過(guò)程中延展速率和剪切速率的范圍［1，5］。

圖3 典型涂布過(guò)程的剪切速率 (a)和延展速率 (b)

從圖3可以看出，在備料階段、涂布階段及計(jì)量階段，涂料經(jīng)歷剪切和延展速率的變化范圍很大。對(duì)于簾式涂布而言，涂料在與紙幅的沖擊區(qū)所經(jīng)歷的延展速率遠(yuǎn)大于幕簾自由下落時(shí)的延展速率，這也是涂料在沖擊區(qū)更容易被拉斷的原因［3-5，13］;刮棒涂布和MSP涂布中涂料所經(jīng)歷的延展速率范圍大體相同;而在刮刀涂布中，涂料經(jīng)歷的延展速率范圍最大，最高可達(dá)到 107s-1［5］。

為了有良好的涂布運(yùn)行性能，涂料的高剪切黏度、超高剪切黏度和延展黏度是重要的，為了全面表述造紙涂料的流變性能，必須測(cè)量在非常低至非常高的剪切速率和延展速率 (10-2～107s-1)下的黏度［1］。

1.3 增稠劑對(duì)延展黏度的影響

紙張涂料是混合了天然或合成顏料、分散劑、增稠劑、膠黏劑和其他助劑的水性溶液。Triantafillopuolos和Roper等人［14］研究了涂料的流變性能對(duì)輥式涂布中的霧濺現(xiàn)象的影響，稱延展黏度很大程度上取決于涂料的固含量和增稠劑用量。有研究稱［13］，以淀粉、CMC作增稠劑的涂料的延展黏度比較低，對(duì)CMC作增稠劑的涂料而言，延展黏度隨形變速率的增加而降低，隨CMC用量的增加而增加，以PVA作增稠劑時(shí)，涂料的延展黏度有顯著增加，加入某些特定工業(yè)用增稠劑后，延展黏度會(huì)進(jìn)一步增加。

A．Sosa，P．J．Carreau 等人［14］使用 CMC 作增稠劑，對(duì)以高嶺土為主要顏料的紙張涂料進(jìn)行流變性分析，研究發(fā)現(xiàn)，盡管增稠劑用量的增加可以提高涂料的延展黏度，提升其在運(yùn)行過(guò)程中的抗拉伸能力，但增稠劑用量達(dá)到一定值后，尤其是在高剪切速率和低固含量條件下，具有剪切稀化特性的涂料的剪切黏度也會(huì)隨之增加，使涂料呈現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象。

剪切增稠現(xiàn)象的出現(xiàn)意味著涂料的固含量和車速都已達(dá)到了上限，Hoffman［15］發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，增稠劑的用量越大，越容易出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象。A．Sosa等人［14］研究發(fā)現(xiàn)，剪切速率、涂料固含量和增稠劑用量的增加均會(huì)導(dǎo)致Tr系數(shù)劇烈增加，將使Tr系數(shù)從8增加到58。因此，涂料的延展性能與增稠劑用量之間有著復(fù)雜的關(guān)系，為了提高涂料的延展黏度而一味地增加增稠劑用量，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)新的運(yùn)行性問(wèn)題。

在簾式涂布中，為了使高固含量涂料在低流量下形成穩(wěn)定幕簾，Barcock等人［16］研究了流變改性劑的種類和用量對(duì)涂料延展性能的影響，流變改性劑通常是長(zhǎng)鏈高分子聚合物，其分子鏈在拉伸流動(dòng)下可從靜態(tài)的線圈收縮狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，從而對(duì)延展黏度產(chǎn)生顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)，具有少量聚合物 (如陰離子型聚丙烯酰胺和丙烯酸鹽聚合物)的流變改性劑能夠在中、高剪切速率下顯著提升涂料的延展黏度，這些聚合物的加入不僅能夠增加涂料的延展性能，而且不影響紙張物理性能和印刷適應(yīng)性。

2 延展黏度對(duì)涂布過(guò)程的影響

2.1 延展黏度對(duì)刮刀涂布的影響

刮刀涂布是目前主流涂布方式，工作原理是利用上料輥或涌泉式上料系統(tǒng)向原紙轉(zhuǎn)移足夠多的涂料，然后利用刮刀進(jìn)行計(jì)量和整飾［17］。一般認(rèn)為，在刮刀涂布中，尤其在涂料計(jì)量階段，高剪切流動(dòng)是涂料主要的流變行為［2，5］，涂料經(jīng)歷非常強(qiáng)烈的高剪切作用，剪切速率可達(dá)到106s-1。通過(guò)使用諸如毛細(xì)管黏度儀等設(shè)備對(duì)涂料高剪切流變性進(jìn)行分析，可以在一定程度上定量地預(yù)測(cè)涂布運(yùn)轉(zhuǎn)性［18］。而隨著涂布車速的提高，高固含量涂料的刮刀涂布運(yùn)轉(zhuǎn)問(wèn)題越發(fā)突出，涂料由于剪切不充分所導(dǎo)致的黏彈性、保水性以及涂料與原紙間的相互作用均會(huì)影響刮刀涂布的運(yùn)行性能［2，19］。

圖4 在刮刀計(jì)量區(qū)涂料經(jīng)歷延展流動(dòng)

圖5 涂料膜在轉(zhuǎn)移壓區(qū)的分離

在刮刀計(jì)量區(qū)，涂料會(huì)通過(guò)逐漸收斂的流道進(jìn)入壓區(qū) (見(jiàn)圖4)，經(jīng)歷延展流動(dòng)。Wilson等人［20］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在刮刀涂布中，延展黏度與為獲得規(guī)定涂布量所需的刮刀壓力的相關(guān)性優(yōu)于高剪切黏度，Arthas Yang等人［5］在適當(dāng)?shù)难诱顾俾氏聹y(cè)量刮刀涂布中涂料的延展黏度，發(fā)現(xiàn)隨著延展黏度的增加，刮刀或刮棒的負(fù)荷隨之增加。已有的研究支持了這樣一個(gè)觀點(diǎn)，即延展黏度對(duì)刮刀涂布運(yùn)行性的影響非常重要。因此，從涂料的延展流變性入手，或許可以更合理地解釋并有可能避免和消除刮刀涂布中像流變性刮痕這樣的運(yùn)轉(zhuǎn)障礙，獲得更加穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

2.2 延展黏度對(duì)MSP涂布的影響

MSP涂布是目前歐洲乃至全球應(yīng)用范圍最廣泛的涂布方式之一。在MSP涂布中，非常薄的計(jì)量涂料薄膜先被涂到轉(zhuǎn)移輥上，然后通過(guò)兩根互相反轉(zhuǎn)的輥?zhàn)訅簠^(qū)將涂料膜轉(zhuǎn)移到紙幅上［21］。

涂料膜在轉(zhuǎn)移壓區(qū)的分離非常重要，因?yàn)樗粌H影響到轉(zhuǎn)移率和涂布量，還可能形成霧濺和橘皮紋，引起運(yùn)行性問(wèn)題。霧濺是涂料膜在轉(zhuǎn)移壓區(qū)分離時(shí)形成的 (見(jiàn)圖5)，被認(rèn)為是MSP涂布在高速生產(chǎn)時(shí)使用受限的原因，霧濺現(xiàn)象的出現(xiàn)浪費(fèi)了生產(chǎn)原料，使操作困難，同時(shí)霧滴落到涂布紙表面，會(huì)影響紙張質(zhì)量，散落在空氣中會(huì)污染生產(chǎn)環(huán)境［5，14，21］。如何控制霧濺現(xiàn)象是MSP涂布工藝中非常重要的課題。

對(duì)MSP涂布而言，單純地依靠涂料高剪切流變理論，不能很好地解釋計(jì)量壓區(qū)的噴料、涂布輥壓區(qū)出口的霧濺及橘皮紋現(xiàn)象［2］，根據(jù)涂料油漆行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，造紙涂料的延展黏度很可能對(duì)壓區(qū)出口處的涂料膜撕裂及其所形成的橘皮紋紙病有影響［1］。在計(jì)量壓區(qū)，涂料通過(guò)逐漸收斂的流道進(jìn)入壓區(qū)，產(chǎn)生了延展流動(dòng)。在轉(zhuǎn)移區(qū)，形成絲狀的涂料會(huì)被拉伸，如果涂料的延展黏度低，很容易被拉斷成小液滴，出現(xiàn)霧濺現(xiàn)象［22］。Roper等人［23］認(rèn)為使用剪切黏度大的涂料可以減少霧濺現(xiàn)象，同時(shí)，Roper發(fā)現(xiàn)，在涂料中加入膠乳，可以幫助涂料在轉(zhuǎn)移區(qū)更好地脫水，因此，同樣可以減少霧濺作用。Smith和Triantafillopuolos認(rèn)為［24］，涂料的延展性能真正決定著輥式涂布中的霧化現(xiàn)象，并通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，隨著延展黏度的增加，由于離心作用而噴濺出的液滴數(shù)量呈減小趨勢(shì)，這是由于黏性阻力和涂料內(nèi)聚能增加的結(jié)果。

2.3 延展黏度對(duì)簾式涂布的影響

簾式涂布是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型非接觸式仿形涂布技術(shù)，因具有涂層覆蓋性良好劑無(wú)刮痕、無(wú)橘皮紋、對(duì)原紙強(qiáng)度要求低等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注［8，13，16］。在簾式涂布中，涂料以一定初速度從縫隙?？谥辛鞒觯纬煞€(wěn)定連續(xù)的幕簾自由下落，并以一定速度沖擊水平方向運(yùn)動(dòng)的紙幅，完成涂布［16，25］。

延展黏度不僅對(duì)常規(guī)涂布方式有重要影響，而且對(duì)新興涂布方式，尤其對(duì)簾式涂布的影響也相當(dāng)顯著。在簾式涂布中，涂料從縫隙模頭流出的形成區(qū)、涂料靠自身重力下落的流動(dòng)區(qū)以及涂料與紙幅高速接觸的沖擊區(qū)均會(huì)經(jīng)歷延展流動(dòng)［13］。其中在形成區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，涂料所受延展形變較小，幕簾的穩(wěn)定性主要由涂料的表面張力決定［7］，但是在幕簾沖擊區(qū)，涂料會(huì)經(jīng)歷顯著的加速流動(dòng)，延展速率將達(dá)到105s-1以上，延展流動(dòng)和剪切流動(dòng)共同主導(dǎo)著涂料的流變行為。如果涂料的延展性能不好，很容易在沖擊區(qū)被高速紙幅過(guò)分拉伸，甚至被拉斷。這樣，不僅影響了簾式涂布的正常運(yùn)行 (見(jiàn)圖6)，還會(huì)造成涂層的表面缺陷和斑點(diǎn)的出現(xiàn) (見(jiàn)圖7)［13］。

目前，運(yùn)行性能不穩(wěn)定、涂層表面有缺陷是影響簾式涂布生產(chǎn)運(yùn)行的主要原因。Melisa Becerra和Marcio S．Carvalho認(rèn)為［26］，延展黏度高的涂料所產(chǎn)生的幕簾更穩(wěn)定，而Sascha Tadjbach［13］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，簾式涂布中延展黏度的大小與涂層表面缺陷呈現(xiàn)很好的相關(guān)性，延展黏度大的涂料所生產(chǎn)出的成紙中，涂層的表面斑點(diǎn)減少。因此，通過(guò)對(duì)涂料延展性能和延展黏度的有效調(diào)節(jié)和控制，可以提高簾式涂布運(yùn)行穩(wěn)定性，擴(kuò)大操作窗口，推動(dòng)簾式涂布向主流造紙領(lǐng)域發(fā)展。

3 延展黏度的測(cè)量方法

3.1 延展黏度測(cè)量的理論研究

1972年，Cogswell［27］率先對(duì)聚合物熔體的收斂流動(dòng)進(jìn)行研究，把熔體在收斂道中的流動(dòng)分為簡(jiǎn)單的剪切流和拉伸流，并假設(shè)熔體在簡(jiǎn)單剪切流動(dòng)下服從冪率本構(gòu)關(guān)系，從入口壓力降和流率的關(guān)系中計(jì)算熔體的延展黏度。雖然以牛頓流體的特魯頓比為基礎(chǔ)推導(dǎo)的壓力降公式不完全正確，但是他提出這種思路以及熔體在收斂流動(dòng)中最低能量耗散的理念仍為研究延展流動(dòng)的學(xué)者所接受和運(yùn)用，對(duì)日后研究工作具有很大的借鑒意義。1985年，Gibson等人進(jìn)一步完善了Cogswell模型，得到了熔體的剪切壓力降PS和延展壓力降PE的計(jì)算公式。Gibson計(jì)算的延展黏度比Cogswell模型計(jì)算的延展黏度大。后來(lái)，Binding等人吸收了前人的理論，從速度場(chǎng)的角度進(jìn)行合理假設(shè)，結(jié)合能量原理、壓力降、流率等得出了延展黏度的計(jì)算公式。1993年，Bersted改進(jìn)了Cogswell模型，不僅提出了新的剪切冪率假設(shè)，還運(yùn)用積分方法計(jì)算延展黏度，這一理論預(yù)測(cè)的延展黏度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，但計(jì)算方法非常繁瑣［6，11-12］。

3.2 延展黏度的測(cè)量方法

目前延展黏度的測(cè)量方法有拉絲法 (Filamnet Stretching)、反向噴嘴法 (Opposed Nozzles)、紡絲法(Fibre Spinning)、毛細(xì)管拉絲破裂法 (Capillary Breakup)和流道收縮法 (Converging Channer-Flow)等［3，5，8］。其中不同的測(cè)量方法基于不同的假說(shuō)和理論，同時(shí)所能夠測(cè)量的延展速率的范圍也不盡相同(見(jiàn)圖8)，這其中拉絲法雖然可以直接測(cè)定延展黏度，但它僅適用于高黏度的聚合物熔融體［3］，其他方法雖然可以測(cè)定低黏度流體，但形變速率均較低，只有流道收縮法可以達(dá)到實(shí)際涂布中的形變速率，對(duì)于造紙涂料而言，比較常用的是流道收縮法和毛細(xì)管拉絲破裂法［28-29］。

3.2.1 流道收縮法

在流道收縮法中，涂料從截面積較大的流道流經(jīng)孔徑微小的孔口，通常通過(guò)改變流體壓力來(lái)獲得不同的流量 (見(jiàn)圖9)。

在應(yīng)用流道收斂法時(shí)，要基于以下假設(shè):首先流體服從冪率流動(dòng)定律，流體在入口處的流動(dòng)方式服從Cogswell假說(shuō)，流體在入口壓力損失包括3部分，即由于動(dòng)能增加而造成的壓力損失和由延展流動(dòng)及剪切流動(dòng)所造成的壓力降［27，30］。

測(cè)量延展黏度的主要計(jì)算公式如下:

式中，PT為入口處的總壓力降，PK、PE和PS分別表示由動(dòng)能增加、延展流動(dòng)和剪切流動(dòng)造成的壓力損失。

動(dòng)能的計(jì)算公式如下:

式中，ρ為樣品密度，R為孔口的半徑，Q為樣品經(jīng)過(guò)孔口的流量。

并定義歐拉數(shù)Eu=PT/PK

歐拉數(shù)為入口壓力降與由動(dòng)能增加所造成的壓力降之比，可以近似表示由延展流動(dòng)所造成的壓力降，繼而估計(jì)延展黏度，歐拉數(shù)越大，涂料的延展黏度越大。收斂流道法是被證實(shí)了的能夠很好模擬涂料在刮刀下流變行為的一種測(cè)量手段，使用該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在很高的延展速率下測(cè)量流體的延展黏度，同時(shí)測(cè)量結(jié)果能夠很好地反應(yīng)延展黏度的變化趨勢(shì)［31］。

3.2.2 毛細(xì)管拉伸破裂法

Entov于1990年首次提到這種測(cè)量延展黏度的方法，并得到廣泛應(yīng)用。在使被測(cè)液體經(jīng)歷拉絲裂斷的過(guò)程中，獲得松弛時(shí)間、非牛頓液體的延展行為以及液體的斷裂時(shí)間［32］。該方法使被測(cè)物體在毛細(xì)管力作用下經(jīng)歷由拉伸到斷裂的狀態(tài)，見(jiàn)圖10所示。

圖10 某非牛頓液體被拉伸斷裂的動(dòng)態(tài)示意圖

通過(guò)激光測(cè)微儀可以檢測(cè)到被測(cè)液體中間某處的直徑 (Dmid)的變化。對(duì)于牛頓液體而言，中間處直徑的減少是呈線性變化，對(duì)于非牛頓液體而言，中間處的直徑是以指數(shù)方式減少的。每次測(cè)量會(huì)得到一個(gè)臨界斷裂時(shí)間 (Tcrit)。Tcrit雖然不是嚴(yán)格意義上的被測(cè)液體性質(zhì)，但卻受液體自身性質(zhì)決定。最后由Schümmer和Tebel提出的表觀延展黏度計(jì)算公式，可以得到延展黏度的計(jì)算公式［33］。

毛細(xì)管拉伸斷裂法應(yīng)用范圍比較廣泛，可應(yīng)用于食品 (巧克力、焦糖)、生活用品 (洗發(fā)香波、凝膠)、工業(yè)用涂料、黏合劑以及印刷油墨等流變行為的測(cè)量，不僅可以測(cè)量各類流體的延展黏度，同時(shí)可以提供不同范圍的裂斷時(shí)間。但其缺點(diǎn)是所測(cè)量的延展速率比較低，無(wú)法模擬實(shí)際運(yùn)行中涂料所經(jīng)歷的流變行為，在延展變形顯著的特定涂布過(guò)程中將失去測(cè)量意義［32-33］。

4 結(jié)語(yǔ)

近些年，隨著涂布領(lǐng)域?qū)ν苛狭髯儗W(xué)理論理解的進(jìn)一步加深和現(xiàn)代化工藝對(duì)生產(chǎn)效率、運(yùn)行成本的新要求，單純地依靠剪切流變理論已不能很好地反映實(shí)際涂布過(guò)程的全貌，對(duì)延展黏度形成機(jī)理及其對(duì)涂布運(yùn)行性能影響的研究勢(shì)在必行。世界范圍內(nèi)，越來(lái)越多的涂布工作者認(rèn)識(shí)到延展黏度在涂布過(guò)程中的廣泛存在和重要作用，希望通過(guò)深入研究延展黏度，對(duì)諸如流變性刮痕、涂料析出、霧濺等運(yùn)行障礙有更深入的理解，從而獲取最佳解決之道［34］。

總之，對(duì)涂料用膠黏劑和助劑的水溶液、顏料懸浮液和涂料延展性和延展黏度的廣泛研究，不僅能真正揭示延展黏度對(duì)涂布過(guò)程的重要影響，同時(shí)能夠總結(jié)出有價(jià)值、有規(guī)律的研究成果用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

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Extensional Viscosity:Influence on Coating Process and Main Measurement Method

ZHANG Xi-chen*LIU Jin-gang
(China National Pulp and Paper Research Institute，Beijing，100102)

The concepts of extensional flow and extensional viscosity were introduced in this paper，the relationship between extensional viscosity and shear viscosity and the influence of thickener on extensional viscosity were discussed，also the importance of extensional viscosity in blade coating，MSP coating and curtain coating was discussed respectively．Finally the measurements of the variation trend of extensional viscosity were introduced，the methods of Converging Channel-Flow and Capillary Breakup were emphasized．

extensional viscosity;thickener;coating runnability;extensional property

TS758+．1

A

0254-508X(2012)07-0057-07

張曦晨先生，在讀碩士研究生;主要研究方向:顏料涂布技術(shù)。

(*E-mail:zhangxichen01@126．com)

2012-03-26(修改稿)

(責(zé)任編輯:趙旸宇)