印刷、涂布行業(yè)中在線黏度測量方法的探討

丁曉炯

涂布、印刷行業(yè)及其黏度測量

1.涂布、印刷

涂布是指根據(jù)各種不同的需要，將糊狀聚合物、熔融態(tài)聚合物或聚合物熔液涂布于紙、布、塑料薄膜、各種板材或其他各種材料上，制得復合材料（膜）、板或有涂層材料的方法。涂布技術廣泛應用于包裝領域、光伏、材料處理及各種特種涂層及性能材料的生產(chǎn)領域上。印刷（Printing）是將文字、圖畫、照片、防偽等原稿經(jīng)制版、施墨、加壓等工序，使油墨轉(zhuǎn)移到紙張、織品、塑料品、皮革等材料表面上，批量復制原稿內(nèi)容的技術。

從生產(chǎn)工藝角度看，都是將一種可流動的物料，通過某種方法轉(zhuǎn)移到另一個材料的表面上（見圖1），而最終產(chǎn)品的質(zhì)量就和這種物料的流動性，也就是流變性有關，行業(yè)內(nèi)往往用黏度來表征。

2.涂布、印刷中的黏度

當進行涂布C o a t i n g、噴涂Spray、印刷Printing、施膠Sizing、點膠Dispensing、裹漿Wrapping等過程時，往往需要先進行物料的黏度測量和控制，物料黏度的不穩(wěn)定或流變特性的問題會影響完成該過程之后的產(chǎn)品質(zhì)量，譬如涂層的厚薄、均勻性、收縮性、色彩的一致和均勻性、黏合性等，甚至影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，像光電轉(zhuǎn)換率、黏合力等。

在生產(chǎn)中，很多廠家為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，不斷提高設備的運轉(zhuǎn)速度，加快零部件在生產(chǎn)線上的通過速度，而忽視了這種變化導致所用物料的流變特性也發(fā)生了相應的改變，最終影響產(chǎn)品的品質(zhì)。

很多人認為物料的黏度是一成不變的，用黏度計測得的物料黏度在任何情況下是不變的，即使是有些測量觸變指數(shù)TI的客戶，對該測量方法的真正含義也不是十分清楚，往往認為在提高設備運轉(zhuǎn)速度的過程中，不需要對物料的流變性進行調(diào)整或改進，其主要原因是對物料的流變特性缺乏全面的了解。

流體分為牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體是指流體的黏度不隨剪切率條件變化而變化，換一句話說，如果是用同樣的測量方法和儀器，在不同的轉(zhuǎn)速下測量，黏度是不變的；而非牛頓流體是指流體的黏度隨著剪切率條件變化而變化。見圖2、3、4。

在涂布過程中，絕大部分漿料的黏度都是隨著剪切率的提高不斷降低，這些物料是剪切變稀的非牛頓流體，同時在同樣的剪切速率下，黏度也不同，說明這個物料具有觸變性，它的內(nèi)部結構在受到剪切后會發(fā)生改變，而在撤去剪切后不能完全瞬時恢復到初始的狀態(tài)，這種流體類型是現(xiàn)實中遇到比較常見的，很多高分子材料或體系都是假塑性剪切變稀并帶有一定的觸變性。

黏度的測量方法有多種，大體有毛細管黏度計、流出杯式黏度杯、旋轉(zhuǎn)式黏度計和振動式黏度計等。影響?zhàn)ざ鹊囊蛩赜校吼ざ扰c其溫度、組分和助劑、溶劑等的濃度、粒徑等密切相關，與溫度和氣壓的關系不大，不同測量方法的測量精度及測量單位是不同的，不能互相換算。目前在現(xiàn)場常用實驗室旋轉(zhuǎn)法或黏度杯進行測量。

在線黏度測量控制方案

涂布生產(chǎn)管理者須基于產(chǎn)品需要來選擇黏度計，這取決于很多因素，包括操作員認可，一致的測量和控制，與現(xiàn)有機器匹配，費用節(jié)省預期以及保養(yǎng)維護。統(tǒng)一的黏度測量和控制達到漿料減少和成本節(jié)省，長期的運行優(yōu)良也是對運行和服務的一種成本節(jié)省。

從圖5可以看出，在自然狀態(tài)下黏度的變化曲線，涂布漿料隨著時間的推延，黏度不斷上升，如果不及時補充適量的溶劑，漿料的黏度將有很大的變化，最終涂布產(chǎn)品的質(zhì)量也會有很大的波動。

在涂布車間，黏度計的首要功能不單單是精確地測量黏度，而是保持漿料配比在一個預定的水平上以保證昂貴漿料的經(jīng)濟使用，當然要符合最終產(chǎn)品的質(zhì)量?？傊鳛橐粋€生產(chǎn)經(jīng)理或操作者，安裝一個現(xiàn)代的黏度測量和控制設備后，你可以實現(xiàn)以下目的：

更好的涂布質(zhì)量和一貫性

開車時大量減少廢料

減少不合格品

通過節(jié)省漿料和溶劑迅速得到

回報

減少沖洗

更好的漿料黏附性

圖6是利用Brookfield的TT-100、AST-100和VTE250在線黏度計在涂布行業(yè)中的使用原理圖，TT-100和AST-100都是管道式安裝的，可以承受高溫高壓，因此可以直接安裝在管道系統(tǒng)中直接測量漿料的黏度；而VTE250在線黏度計儀器結構簡單、經(jīng)濟實惠，但需要將漿料泵入敞口的樣品腔，漿料利用高度產(chǎn)生的液位差流出樣品腔進入收集槽，也可以將在線黏度計直接安裝在涂布機的料槽上面。

Brookfield針對涂布行業(yè)的需求，專門開發(fā)了各種在線黏度計及其配套的顯示控制器來實現(xiàn)測量和控制油墨黏度的雙重目的，系統(tǒng)結構示意見圖6。

用泵將漿料從漿料桶中吸出，通過管道進入在線黏度計進行測量，信號通過處理后可以直接顯示或送入PLC，顯示控制器或PLC根據(jù)黏度信號和預先的黏度值進行比較，如果黏度值低于設定值，儀器繼續(xù)測量；隨著漿料中溶劑的揮發(fā)，黏度逐漸上升，如果超過了設定值，就會給出一個信號，打開溶劑閥，加入一定量的溶劑，調(diào)整黏度，這種過程周而復始，使得漿料的黏度一直控制在一個很小的區(qū)間內(nèi)，這樣就達到了自動測量和控制漿料的黏度，不需要進行人工測量黏度和添加溶劑。

目前，很多現(xiàn)場都是使用最原始的涂料杯來進行測量，涂料杯的測量方法比較簡單，但測量精度很差，每半秒到一秒的差異實際真實的黏度會差異很大，不能滿足控制的高精度要求。同時也無法實現(xiàn)在線實施測量監(jiān)控的目的。

用流出杯、涂料杯測量中存在的問題及解決方案：

目前在涂布或印刷生產(chǎn)現(xiàn)場，大多采用流出杯、涂料杯作為現(xiàn)場監(jiān)控的主要手段，常用的流出杯有贊恩杯（Zahn）、福特杯（Ford）、I S O杯、巖田杯（J I S）、殼杯（Shell）、涂4杯等。

如圖7，測量時由操作人員將被浸入物料中，提起杯的同時，或提起到一定位置時按下秒表計時，待物料流完時計時結束，記錄秒表讀數(shù)，一般都以秒計，有些要求高的以0.1秒計。這種方法測試簡單，但存在以下問題：

1.由于提起并計時開始很難有一個一致的位置，同時每個人因此即使是同一個人，在觀察和判斷的情況也會有不同，因此測量同一種物料是也會存在近0.5秒甚至1秒的差異，而這半秒到一秒的差異，將導致物料的實際黏度相差幾十cP。

2.每一種流出杯、涂料杯都有一個合適的測量范圍，Zahn 5號杯的最佳測量范圍是7～65秒，如果使用這個杯子測量的讀數(shù)小于7秒或大于65秒，就需要換不同號的杯子了，不能用5號杯了，而這一點幾乎沒有人知道，基本都是用一種杯測所有的物料，然后就按這個讀數(shù)制定相應的控制標準，造成物料的黏度實際上沒有真正的得到控制，測量的值也沒有真正的黏度測量意義，失去了測量和控制的客觀和公正。

3.我們曾經(jīng)有一個客戶，使用涂4杯作為測量工具，不同的物料測量范圍約12～16秒，記錄的精度為0.01秒，控制的精度要求在0.5秒內(nèi)，但是最終的產(chǎn)品總是有問題，后來采用AST-100在線黏度計作為測量和控制，經(jīng)測量溶劑的在線讀數(shù)約2cP，涂4杯的讀數(shù)約10秒；低黏度物料的在線讀數(shù)約30cP，涂4杯的讀數(shù)約12秒；中等黏度物料的在線讀數(shù)約50cP，涂4杯的讀數(shù)約14秒，高黏度物料的在線讀數(shù)約60cP，涂4杯的讀數(shù)約15秒，從以上的測試結果可以看出，流出杯、涂料杯的測量方法是有一定適用范圍的，對于太低或太高黏度的測量就不合適；同時讀數(shù)和真實黏度之間的關系不是簡單的線性倍數(shù)關系，不能直接換算，需要根據(jù)物料的流變特性來進行統(tǒng)計后才能進行數(shù)據(jù)換算。

從以上的實際使用情況來看，流出杯、涂料杯的測量方法已不適合現(xiàn)代大規(guī)模、大批量、高速的現(xiàn)代化生產(chǎn)要求了，需要使用在線粘度測量控制系統(tǒng)來進行快速、連續(xù)、自動的控制物料的黏度。

我們在客戶現(xiàn)場采用安裝在線黏度計和人工采用流出杯法，同時進行測量，得到數(shù)據(jù)結果比較如下，如果是同一操作工人，對流出杯的測量十分認真地話，見圖8，可以看出兩者的數(shù)據(jù)非常吻合。

有使用了在線黏度控制系統(tǒng)的客戶說：“我們以前使用Zahn杯，但是結果差異太大了?！庇∷⑷藛T解釋道：“根據(jù)操作員的讀數(shù)會得到不同的測量。有時你得到厚一點的膜有時薄一點的膜，并且油墨的流動性能有偏離，有時油墨太薄了結果得到透明的圖層而不是不透明的。但是自從裝上在線黏度計，黏度保持的非常好，只要溶劑槽滿，我可以放心運行一整天而不去管?！?/p>

現(xiàn)代生產(chǎn)過程是要求高速，要求一致和可靠的黏度測量，以保證涂層均勻性和質(zhì)量。當生產(chǎn)多種產(chǎn)品時，制造商必須加密監(jiān)測和控制流體黏度，保證漿料料的統(tǒng)一的質(zhì)量要求，從而避免各種涂布缺陷。要保持均勻性，尤其是要24小時，每天3班倒時，就需要不斷監(jiān)測連續(xù)的過程并自動進行控制。以前取樣化驗的方法浪費了太多的時間和漿料，同時測量方法和結果都不十分可靠，難免產(chǎn)生產(chǎn)品不小的損失，使用在線黏度計進行實時監(jiān)測和控制漿料的黏度是大勢所趨也是不二選擇。