（纺织工程专业论文）颜料红122水性分散体胶体性质和喷射性能的研究.pdf

摘要 摘要 在纺织数字印花领域，采用水性颜料墨水的印花技术具有工艺简单、通用性强、环 保等优势，近年来发展十分迅速。水性颜料墨水是以超细有机颜料水性分散体为基础的 复杂混合胶体体系。针对这一体系结构和性能的研究能够为实际应用提供基本的理论指 导。各组分之间的相互作用是分散体胶体和界面结构的微观原因，决定了分散体的剪切 流变、表面张力和润湿性等特征，从而影响液滴的产生和喷射特征。 本课题首先采用电泳、粒径分析和稳定性测试考察了p h 、电解质、有机溶剂和表 面活性剂等因素对分散剂p s m a 稳定的颜料红1 2 2 水性分散体胶体和界面结构的影响。 然后从相互作用和界面的角度分析了这些因素对流体剪切流变特征和润湿性能的影响。 最后采用高速照相技术考察了粘度、表面张力和固体颗粒等因素对低雷诺数条件下液滴 产生的动态过程以及不同脉冲频率下的液滴喷射特征的影响。实验结果如下： ( 1 ) 随着p h 值的增大，胶体颗粒的电泳淌度增大，z e t a 电位随之增加，但当p h 1 0 4 5 时，z e t a 电位反而有所减小。当p h 1 1 1 4 时，体系在6 0 0 静置2 4 h r 后粒径分布变化很大。当p h 处于在p h = 7 时，电解质 浓度较小时，z e t a 电位有所提高，然后随着电解质浓度的提高z e t a 电位逐渐减小。随 着电解质浓度的增加，分散体的稳定性逐渐变差。 ( 2 ) 在所选溶剂中，乙醇对胶体颗粒粒径分布的影响最大。随着羟基数目和疏水 链段长度增加，胶体的电泳淌度有所减小，疏水链段长度的影响大于羟基数目。氢键力 的变化导致分散体稳定性的急剧下降。 ( 3 ) 动态光散射粒径分析表明，颗粒表面高分子吸附层厚度随着乙醇浓度的增加 而减小，颗粒z 均粒径由1 3 5 3 n m 减小到1 0 5 5 n m 。乙醇浓度对胶体颗粒电泳的影响分 为两个阶段。乙醇浓度低于2 0 时，电泳淌度减小很快， z e t a 电位绝对值反而迅速增 大，乙醇浓度大于2 0 时，电泳淌度变化很小，z e t a 电位绝对值逐渐减小。当乙醇浓度 大于4 0 后，分散体稳定性很差。 ( 4 ) 当浓度较低时，阴离子表面活性剂二辛基璜基琥珀酸钠盐能够和高分子共同 吸附在颗粒表面，颗粒表面的负电荷增加，z e t a 电位绝对值增大。阴离子表面活性剂浓 度较大时，过量的表面活性剂形成胶束。非离子表面活性剂$ 4 6 5 减小了胶体颗粒的电 泳淌度。 ( 5 ) 分散体在高剪切速率条件下，剪切粘度随着剪切速率的增大而增大。在牛顿 流体特征区域，剪切粘度与固体浓度符合指数关系r l = 0 1 9 e x p ( 1 7 0 2 q o ) ，表明颗粒之间的 吸引力随着固体浓度的增加而增大。根据d a b a k 模型得到最大固体堆砌分数为0 3 8 ，小 于布朗硬球模型的0 6 2 5 。 ( 6 ) 随着p h 值的增加，分散体剪切粘度减小，p h 对低剪切速率条件下剪切粘度 摘要 影响较大，对高剪切速率条件下的剪切粘度影响不大。随着电解质浓度增大，极低剪切 速率( o - - l os - i ) 下剪切粘度增大，而对其他剪切速率下剪切粘度影响很小。 ( 7 ) 端基为一c 4 h 9 的二乙二醇丁醚降低颜料分散体表面张力的能力最强。表面活 性剂浓度大于2g l 。1 后，水溶液能够在载波片和不锈钢片上完全铺展。二乙二醇丁醚和 表面活性剂具有较好的润湿协同效应。 ( 8 ) 液滴的产生可以分为最大液滴形成和液滴分离两个过程。相同流速条件下随 着表面张力的增大，液滴产生时间增大液滴体积增大。流体的粘度不利于液滴颈部的收 缩而导致液滴分离时间较短，而且较易形成“卫星”液滴。固体颗粒的存在减小了液滴形 成时间和液滴分离时间。 ( 9 ) 液滴运动速度随着电压脉冲频率的变化出现波动，在2 1 0 k h z 频率范围内液 滴运动速度稳定，在1 0 1 5 k h z 频率范围内速度出现波动。速度波动曲线形状主要由溶 剂性质决定，而固相颗粒( 颜料和乳胶颗粒) 会导致液滴速度的减小。 论文工作的主要贡献在于研究了水性体系中溶剂对分散体颜料表面高分子的作用 机理和溶剂对流体喷射行为的影响。溶剂性质影响流体在不同喷射频率条件下液滴的运 动速度和稳定性。 关键词： 颜料水性分散体、吸附高分子、粘度、表面张力、喷射性能 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i n k j e tp r i n t i n gu s i n gp i g m e n ti n kw a su s e dw i d e l yi nd i g i t a lt e x t i l ep r i n t i n gd u et oi t s s i m p l ep r o e e s s ，f l e x i b i l i t ya n de n v i r o n m e n t f r i e n d l y w a t e rb a s e dp i g m e n ti n ki sam i x t u r e b a s e do nu l t r a f i n ep i g m e n td i s p e r s i o n t h es t u d yf o rt h ec o l l o i d a ld i s p e r s i o ni so b v i o u s l y i m p o r t a n ti na p p l i c a t i o no f t h i st e c h n o l o g y f i r s to fa l l ，t h ei n f l u e n c eo fp h ，e l e c t r o l y t e s ，o r g a n i cs o l v e n t sa n ds u r f a c t a n t so nt h e i n t e r f a c es t r u c t u r eo fu l t r a f i n ep i g m e n tr e d12 2d i s p e r s a n ts t a b i l i z e db yp o l y m e ro fp s m a w a si n v e s t i g a t e du s i n ge l e c t r o p h o r e s i s ，p a r t i c l es i z ea n a l y s i sa n ds t a b i l i t yt e s t s t h e m e c h a n i s m so ft h e s ef a c t o r so nt h es h e a rr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dw e t t i n ga b i l i t yo f d i s p e r s i o nw e r ed i s c u s s e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fs o l i d l i q u i di n t e r f a c e f i n a l l y ，h i g h - s p e e d c c dt e c h n o l o g yw a su s e dt oe x a m i n et h ee f f e c t so fv i s c o s i t y ，s u r f a c et e n s i o na n ds o l i d s p a r t i c l e so nt h ed r o pf o r m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o n so fl o wr e y n o l d sn u m b e r ，a n di n k j e t p e r f o r m a n c ea td i f f e r e n tp u l s ef r e q u e n c i e s t h er e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee l e c t r o p h o r e s i sm o b i l i t ya n dz e t ap o t e n t i a li n c r e a s e d 诚mi n c r e a s i n gp ho f d i s p e r s i o n ，b u td e c r e a s e dw h e np ho fd i s p e r s i o nw a sg r e a t e rt h a n 10 4 5 w h e np ho f d i s p e r s i o ni sl e s st h a n3 ，t h ed i s p e r s i o na p p e a r e dp r e c i p i t a t i o na tr o o mt e m p e r a t u r e i nt h e r a n g eo f3 3 9 10 4 5 ，t h ed i s p e r s i o n sk e e ps t a b l ea tr o o mt e m p e r a t u r ea n d6 0d e g r e ea f t e r2 4 h o u r sp l a c e m e n t w h e np hi s7 t h ez e t ap o t e n t i a ld e c r e a s e d 、析t l li n c r e a s i n ge l e c t r o l y t e c o n c e n t r a t i o n , c a u s e dt h ed e t e r i o r a t e ds t a b i l i 锣o fd i s p e r s i o n ( 2 ) i nt h es e l e c t e ds o l v e n t ，e t h a n o lh a st h ew o r s te f f e c to np a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n t h e e l e c t r o p h o r e t i cm o b i l i t yd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h en u m b e ro fh y d r o x y la n dl e n g t ho f h y d r o p h o b i cc h a i n t h ea n a l y s i sb yt h es o l u b i l i t yp a r a m e t e rt h e o r ys h o w e dt h ec h a n g eo f h y d r o g e nb o i l d f o r c ei st h em a i nf a c t o rl e a d i n gt ot h ed e c l i n ei ns t a b i l i t yo fd i s p e r s i o n ( 3 ) t h et h i c k n e s so fa d s o r b e dp o l y m e rl a y e rd e c r e a s e d 谢t l lt h ei n c r e a s eo f t h ee t h a n o l c o n c e n t r a t i o n , a n dt h e nt h ep i g m e n tp a r t i c l e sa g g r e g a t e dw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fe t h a n o li s h i g h e rt h a n4 0 ，n l ez e t ap o t e n t i a l sb e c a m em o r en e g a t i v e 、析t ht h ei n c r e a s i n go f t h ee t h a n o l c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h e nc h a n g e dr e v e r s e l yw h e nt h ee t h a n o lc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e rt h a n 16 t h et h i c k n e s sa n ds t r u c t u r eo fa d s o r b e dp o l y m e rl a y e ro nt h ep a r t i c l ed e t e r m i n e dt h e s t a b i l i t yo fp i g m e n td i s p e r s i o n ( 4 ) w h e nt h ec o n c e n t r a t i o nw a sl o w ，t h ea n i o n i cs u r f a c t a n tw a sa d s o r b e do n t op i g m e n t w i t ht h ep o l y m e ro fp s m at oi n c r e a s et h en e g a t i v ec h a r g e ，w h i c hr e s u l t e di ng r e a t e rz e t a p o t e n t i a l w h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fa n i o n i cs u r f a c t a n tw a sh i g he n o u g ht of o r mm i c e l l e s ，a l a r g e rp e a ka p p e a ri nt h ez e t ap o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nc u r v e n o n - i o n i cs u r f a c t a n t $ 4 6 5r e d u c e s t h ee l e c t r o p h o r e t i cm o b i l i t yo f p a r t i c l e s i i i a b s t r a c t ( 5 ) t h ed i s p e r s i o nt a k eo ns h e a rt h i c k e n i n gu n d e rh i l g h - s h e a rr a t er e g i o n , t h a ti s ，s h e a r v i s c o s i t yi n c r e a s e 埘mi n c r e a s i n gs h e a rr a t e i nt h er e g i o no fn e w t o n i a nf l u i d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rv i s c o s i t ya n ds o l i d sc o n c e n t r a t i o no fd i s p e r s i o na c c o r d 、析mt h e f u n c t i o no fr l = o 1 9 e x p ( 17 0 2 ( | 0 ) ，w h i c hs h o w e dt h a tt h ea t t r a c t i o nb e t w e e np a r t i c l e s i n c r e a s e dw h e nt h es o l i dc o n c e n 打a t i o ni n c r e a s e d t h em a xp a c k i n gs o l i d sc o n c e n t r a t i o n c a l c u l a t e db yd a b a km o d e li s0 38r a t h e rt h a n0 6 2 5b yb r o w nh a r d - s p h e r em o d e l ( 6 ) t h ev i s c o s i t yo fd i s p e r s i o nd e c r e a s e da sp ho fd i s p e r s i o ni n c r e a s e d p ho fd i s p e r s i o n h a v ea l lo b v i o u se f f e c t su n d e rl o ws h e a rr a t ew h i l el i t t l ee f f e c tt o o kp l a c eu n d e rl o ws h e a r v i s c o s i t y w i t hi n c r e a s i n ge l e c t r o l y t ec o n c e n t r a t i o n ，t h es h e a rv i s c o s i t yu n d e rl o ws h e a rr a t e ( 0 1 0s 吖) i n c r e a s e d w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h ev i s c o s i t yd e c r e a s e di nal i n e a r r e l a t i o n t e m p e r a t u r eh a dag r e a ti m p a c tu n d e rl o ws h e a rr a t et h a nh i g h e rs h e a rr a t e t h e c r i t i c a ls h e a rr a t ef o rs e to ft h i c k e n i n gw a sr e l a t e dt ot h ev i s c o s i t yi nt h en e w t o n i a nr e g i o n , a n di n c r e a s e dl i n e a r l y 、析t l li n c r e a s i n gn e w t o n i a nv i s c o s i t y ( 7 ) d i e t h y l e n eg l y c o le t h e r 谢t ht h eg r o u po f - c a h 9h a dt h es t r o n g e s ta b i l i t yt or e d u c e s u r f a c et e n s i o no ft h ed i s p e r s i o n t h ea q u e o u ss o l u t i o nc a ns p r a yo u tc o m p l e t e l yo nt h eg l a s s a n ds t a i n l e s ss t e e ls h e e t s d i e t h y l e n eg l y c o le t h e rh a dg o o dc o o p e r a t i n ge f f e c t 、i t ht h e s u r f a c t a n t so nw e t t i n gt h es u r f a c eo fs o l i d ( 8 ) d r o pf o r m a t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot w os t a g e s ，t h el a r g e s td r o pf o r m a t i o na n dt h e d r o pb r e a k u p t h ef i r s ts t a g ea f f e c t e dm a i n l yb ys u r f a c et e n s i o na n di n e r t i a lf o r c ew h i l et h e v i s c o s i t yh a dag r e a t e ri n f l u e n c eo nt h ed r o pb r e a k u pp r o c e s s t h ev i s c o s i t yo ff l u i dh a da n e g a t i v es i d ee f f e c to nt h ec o n s t r i c t i o no fn e c k , c a u s e ds h o r t e rt i m eo fd r o pb r e a k u pa n d s a t e l l i t ed r o p l e t s t h es o l i dp a r t i c l e ss h o r t e nt h et i m e so fd r o pf o r m a t i o na n dd r o pb r e a k u p ( 9 ) t h ei n k j e tp e r f o r m a n c ea f f e c t e db ys u r f a c et e n s i o n , v i s c o s i t ys o l v e n ta n dp i g m e n t p a r t i c l e su n d e rh i g hj e tf r e q u e n c y ( 2 - 15k h z ) w a si n v e s t i g a t e du s i n gh i 曲s p e e dc c d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed r o p l e tv e l o c i t yw e r es t a b l ei n2 - 10k h zf r e q u e n c y r e g i o n ，a n df l u c t u a t e di n10 - 1 5k h z f r e q u e n c yr e g i o n t h ef l u c t u a t i o n sw e r ea f f e c t e db yt h e s o l v e n t t h ep a r t i c l e s ( p i g m e n ta n dl a t e xp a r t i c l e s ) w i l lc a u s er e d u c e dd r o p l e tv e l o c i t y t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h ep a p e ri si n i n v e s t i g a t i o n o nm e c h a n i s mo fs o l v e n t i n t e r a c t i n gw i t ht h ea d s o r b e dp o l y m e ro np i g m e n ta n dt h ei n f l u n c eo fs o l v e n to nt h ei n k j e t b e h a v i o ro ff l u i d t h ev e l o c i t yo fd r o p l e ta td i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n ds t a b i l i t yo fi n k j e ti s s t r o n g l ya f f e c t e db yt h ec o m p o n e n t so fs o l v e n t k e y w o r d s ： w a t e r b a s e dp i g m e n td i s p e r s i o n ，a d s o r b e dp o l y m e r , v i s c o s i t y , s u r f a c et e n s i o n , i n k j e t p e r f o r m a n c e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 邂诅 日 期：兰! 堕：乞兰7 - ， 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 日 期： 第一章前言 第一章前言 1 1 课题背景和问题阐述 纺织品数字喷墨印花是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种新型印花工艺【l l 。作为喷墨 打印技术的延伸，喷墨印花在打样、小批量生产、个性化服饰等方面体现出很大的优势。 随着喷头制造和控制技术的进步，数字喷墨印花的生产速度越来越快，印花纺织品的精 细度得到很大程度的提高。目前，日本公司已经开发出印花精度达到时生产速度达到 6 0 0 m 2 h - 1 的喷墨印花机。 喷墨印花墨水是提供着色物质的液体或者悬浮液水性体系，是喷墨印花机主要消耗 的原材料。印花墨水由着色物质( 染料或者颜料) 、水、有机溶剂、表面活性剂、固色 剂、消泡剂、防腐剂等组分组成。其中，采用有机颜料作为着色物质的颜料印花墨水， 具有优良的耐日晒牢度和化学稳定性，同时工艺简单、效率高、纤维适应面广，而且节 能环保、污染小，符合绿色化学的发展趋势。 由于有机颜料不溶于水和大多数有机溶剂，应用于印花墨水时，需要首先将有机颜 料在分散剂和其他助剂存在条件下粉碎加工，制备成颗粒细小、均匀且具有足够分散稳 定性的水性分散体。张天永等研究了聚乙二醇对有机颜料酞菁蓝的表面改性，结果表明 表面改性提高了酞菁蓝的分散性能，聚7 , - - 醇的分子量和用量都会影响改性的效果【2 】。 徐燕莉等采用铜酞菁有机胺类衍生物处理酞菁蓝颜料，研究了表面改性有机颜料表面性 质的变化。表面改性降低了有机颜料的临界润湿表面能，随着衍生物碳氢链段的增加， 临界润湿表面能下降越多，能够改善颜料与介质的相容性l j 】。张天永等采用紫外光照射 有机颜料，在有机颜料表面引入一些极性基团，提高了有机颜料在水相中的分散性【4 】。 a u s c h r ac 等合成了共聚高分子p ( b a b d m a e a ) ，采用此共聚高分子分散d p p 等有机 颜料，研究了用量以及疏水端长度、亲水端长度的影唰5 1 。y u a nj 等利用层组装技术在 有机颜料表面包覆了纳米氧化硅，提高了颜料的可润湿性和稳定性州。 s c h m i t zj 等阐述了应用于水性体系高分子分散剂的结构特点，分散剂结构中要求 三个重要部分，对颗粒表面牢固附着的锚固基团、提供静电排斥的离子基团和提供位阻 的亲水链段【7 。本课题组在前期工作中，合成了聚羧酸类高分子【8 。1 4 】作为分散剂，采用 多种工艺制备了分散稳定的有机颜料胶体分散体。田安丽等合成了聚苯乙稀一马来酸酐 ( p s m a ) 无规高分子，研究了不同马来酸酐含量的高分子对有机颜料的分散性能，并 考察了添加第三单体甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 对分散剂分散性能的影响。实验结果表 明，当高分子中马来酸酐摩尔含量为3 7 - 3 9 时，高分子的分散性能较好。加入m m a 后，由于降低了链段的疏水性，不利于高分子在颜料颗粒表面的稳定吸附，从而降低了 分散体的稳定性例。张霞等采用m m a 和马来酸酐作为共聚单体合成聚羧酸型高分子分 散剂p m m ，考察了分散剂结构、分子量和用量对分散体离心稳定性、粒径和粘度的影 响【l5 1 。付少海等利用相分离法制备了表面包覆有p s m a 高分子的超细颜料分散体，考 察了p h 值、离子强度、低分子醇和低分子分散剂对z e t a 电位的影响，分析了高分子上 羧基( - - c o o h ) 的电离、氢键作用和疏水作用对吸附高分子的影响【l 引。 江南大学博士学位论文 印花墨水要通过打印喷头形成稳定的喷射，除了粒径分布、分散稳定性以及保湿性 要求之外，还需要满足一定的物理化学特征。流体的剪切粘度和表面张力( 气液界面张 力) 是经常采用的两个技术指标。 然而含有固体颗粒分散体是一个多相体系，和单相液体有许多不同之处。不含有高 分子的单相液体一般是牛顿流体，即剪切粘度与剪切时间无关；剪切粘度与剪切速率无 关；拉伸粘度与剪切粘度严格符合比例关系( 特劳顿比系数为3 ) 。而且由于单相流体 的均匀性，在喷头的微管道流动中只有流场形状的影响，不存在局部粘度的影响。而含 有固体颗粒的多相悬浮体系是一个非牛顿流体，剪切粘度与剪切速率密切相关，也就是 说在液滴喷射的不同阶段，流体所表现的流变特征是不同的，例如，流体在墨腔内流动 时，速度较小，此时可能体现出较低剪切速率下的粘度；在向喷嘴供墨时，由于压力脉 冲造成的质量不平衡效应，此时流体的粘度和表面张力对供墨过程前期影响很小；而在 液滴喷射时，随着喷射频率的变化，流体的剪切速率随之变化。加上压力脉冲的影响， 分散颗粒在流场的不同位置，受力状态也有可能不同，形成颗粒聚集状态的变化，从而 影响流体的喷射性能。 为了满足液滴喷射的要求，要求流体表面张力在一定的范围，对喷头材料具有良好 的润湿性。对于不含表面活性剂单相流体而言，表面张力主要由可溶性有机溶剂实现， 液体对喷头材料的润湿性主要由表面张力以及液体分子和固体表面分子的相互作用决 定。而对于加入表面活性剂的体系，表面张力由表面活性剂和溶剂的相互作用决定。表 面活性剂在界面的吸附是影响动态润湿性的一个重要因素。对于含有固体颗粒的悬浮体 系，表面活性剂和某些小分子在颗粒表面的吸附导致体系的表面张力和润湿性与液体体 系不同。 悬浮颗粒、高分子分散剂和分散介质之间的相互作用，决定了悬浮体系的结构和分 散特征，同时也决定了体系在剪切流场中的流变特征，以及体系的表面张力和对固体材 料的润湿性，从而影响体系的液滴特征。因此，对有机颜料悬浮体系剪切粘度和表面张 力的调控，本质上是对这一胶体分散体组分之间相互作用和微观结构及其变化的掌握和 理解。 1 2 文献综述 1 2 1 压电式按需喷墨( p i e z o e l e c t r i cd o di n k j e t ) 的液滴喷射原理 按需喷墨是2 0 世纪7 0 年代末期才出现的一种喷墨技术，佳能( c a n o n ) 和惠普 ( h e w l e t tp a c k a r d ) 同期独立开发出热气泡式按需喷墨技术。第一代的压电式按需喷墨 技术是由德国的s e i m e n s 公司开发的。在纺织品喷墨印花领域，压电式按需喷墨成为 主流，几乎所有最新的喷墨印花系统均采用压电式按需喷墨。 液滴喷射包括液滴形成和液滴在飞行过程中的演化。液滴形成是指墨水从喷嘴处喷 出到形成一个稳定的液滴这段过程，是液滴喷射中的主要控制目标。液滴在飞行过程中 的演化受到初始速度和空气阻力的影响，是由空气动力学因素控制的。 一般认为，液滴形成符合n a v i e r - s t r o k e s 方程【1 9 1 。在下列两个假设成立的情况下， 2 第章前言 ( 1 ) 流体不可压缩。因为水波速度为1 5 0 0r n s 一，即使压力波频率为1 m h z ，压力波波长 为1 5 m m ，这个长度也远远大于喷嘴和液滴的尺寸，因而可以认为流体是不可压缩的。 ( 2 ) 假设流体为牛顿流体。n a v i e r - s t r o k e s 方程采用无维参数的形式，如下式( 1 1 ) 所示。 黜( 詈+ v v v l 丹【- p ! 印v _ 3 7 】 ， 不可压缩约束条件为： v 一v = 0 ( 1 2 ) 边界条件为： 丝【- p 兰+ v ! + d 7 】= 击a a n v 丝( 1 - 3 ) 从以上三式可以得到液滴喷射过程的控制参数，包括流体流速q 、脉冲时间t 和雷 诺数r e 。其中，前两者均为电压脉冲所控制。雷诺数r e 与流体特征和喷嘴尺寸有关。 其中，u 为液滴速度，d 为液滴大小， l 为动力学粘度( “= 1 1 p ) 。 r e ：u d( 1 4 ) p 魏大忠等分析了液滴喷出的条件，第一需要克服液体的表面张力，第二喷射微滴的 体积大于液滴的体积【2 0 j 。由上述条件可以得到两个判据，均以w e b e r 数作为控制参数。 其中，p 为腔体内部压力，l 为腔体特征长度，o 为流体表面张力。 w e ：f l j 2 _ _ _ 丝a 8( 1 5 ) w e ：p u 2 d 一2 丛 ( 1 1 6 ) 仃3e r l 电压脉冲在墨腔内引起的压力波是液体喷射的驱动力 2 1 , 2 2 】。图1 1 表示了在一个电 压脉冲周期内压力波在墨腔中的传播情况。在电压脉冲开始，压电晶体的振动导致在墨 腔中产生一个负压波，压力波向墨腔两端传播。向左端的压力波在左端反射时将会变成 正压波，这是由于墨腔的直径远小于外部的直径；而在右端，由于墨腔直径远大于喷嘴 直径，压力波在喷嘴处反射时，仍然是负压波。而且，在喷嘴处的反射也会导致喷嘴处 气液界面( m e n i s c u s ) 的向内收缩和振动。在反射波重新在墨腔内相遇时，电压脉冲产 生一个正压波。向右的正压波叠加后传播到喷头处，足以驱动喷嘴内的流体喷出。以上 关于流体喷射的描述没有考虑粘性损耗。 江南大学博士学位论文 ( o p e ne n d ) p i e z oa c t u a t o r ( c l o s ee n d ) 瞅r e s e o i r 三三型三垂三三三三删。 。 + 一 叶 p f p 汤 。厂、+ d r 2 + - e 、 一 + pn 眨 厂 焉 芒 g 弓 r e l a t i v ece n t r i f u g a lf o r c e 图1 7 分散体稳定性与离心力的关系 f i g 1 - 7t h er e l a t i o nb e t w e e ns t a b i l t yo fd i s p e r s i o na n dc e n t r i f u g a lf o r c e 根据分散体不同的胶体结构，可以把分散体分成上图所示的四类。第一类符合 s t o k e s 定律，颗粒沉降速度与相对离心力成线性关系。第二类颗粒沉降速度随着离心力 的增加而增长越快。这种曲线表明体系在剪切作用下颗粒开始聚集，原因可以归结于颗 粒和吸附分散剂之间的分离。第三类是颗粒沉降速度随着离心力的增加而增长越慢，表 明体系处于弱絮凝状态。第四类是颗粒在离心力小于一定值时不沉降，只有离心力大于 这一值时颗粒才发生沉降。 只有第一类曲线代表的分散体才是稳定的。但是实际体系大多是第二类型的。第二 类体系在离心力较小时符合线性关系。这一线性关系的斜率与颗粒的粒径分布、体系粘 度密切相关。在不符合线性关系的范围内，同时体系初始的粒径分布和粘度近似的条件 下，可以用来考察体系的相对稳定性。 温度也是影响分散体稳定性的关键因素之一。很多分子间的作用力包括高分子之间 的作用力都与温度有关。吸附高分子在不同的温度下显示出不同的构型，因而影响颗粒 之间的相互作用力。特别是对于含有多元醇的水性体系，体系中存在着氢键缔合的复合 体，温度对复合体的结构影响甚大，从而改变分散介质的性质，影响体系的稳定性。 酸、碱、盐等电解质、溶剂和表面活性剂也是分散体系稳定性的影响因素【钢。酸、 碱、盐等电解质影响胶体分散体颗粒吸附层电荷结构从而改变体系的稳定性。不同吸附 高分子所带的电荷是通过电离实现的。例如，带有羧酸基团和磺酸基团的高分子只有在 碱性条件下才能充分的电离。显而易见的是，z e t a 电位是表征颗粒带电情况的有效手段 【6 7 】 o 溶剂和表面活性剂与吸附高分子以及颜料表面的相互作用同样改变了胶体吸附层 结构而影响分散体系的稳定性【6 8 7 1 】。 1 2 4 胶体分散体的剪切流变特征 稳态剪切流变特征是悬浮体的重要特征。剪切应力( t ) 和剪切速率( 丫) 关系曲线 一般可以采用旋转粘度仪来测定。共轴圆筒型粘度计是一种控制剪切速率的粘度仪。悬 浮体置于共轴圆筒之间的缝隙，控制流体的剪切速率，测定所产生的扭矩以计算剪切应 力，由此得到叫曲线。一般而言，具有某种结构的浓悬浮体或者絮凝体组成的悬浮体 江南大学博士学位论文 具有假塑性流体的特征，如下图所示。这种类型的曲线可以用三个参数来描述，临界速 率y 。，在这一速率之上流体变为牛顿型；牛顿平台时流体的粘度1 1 p l ：和外推得到的屈 服应力h 。假塑性流体的叫曲线一般采用下列三个模型来分析：p o w e rl a w 模型， b i n g h a m 模型和c a s s o n 模型。 在流体体系中存在的相互作用力的性质和大小，决定体系的微观结构，从而也决定 体系的剪切流变性能。在流体体系中存在三种不同的相互作用力：( 1 ) 水力 ( h y d r o d y n a m i cf o r c e s ) ，来源于固体颗粒和介质的相对运动；( 2 ) 布朗热无规运动力， 它是固定存在的；( 3 ) 胶体力。分为吸引力和排斥力。吸引力包括范德华力、相反电荷 之间的吸引、疏水作用和桥联作用。排斥力包括同种电荷之间的排斥、空间位阻、水化 作用等。颗粒之间总的相互作用是各个作用共同的效果，受到颗粒表面、分散介质以及 各种添加组分的影响。 ( 1 ) 布朗硬球模型 在最简单的情况下，悬浮体系中的固体颗粒只受到水力和布朗热运动力的影响。这 种情况已经得到许多研究者的关注。在低固体颗粒浓度时，悬浮体粘度与剪切速率无关， 可以通过e i n s t e i n 模型( 适用于固体体积分数小于0 0 7 ) 和b a t c h e l o r 模型( 适用于固 体体积分数小于0 1 5 ) 描述。在较高体积分数下，悬浮体粘度为非牛顿流体形式，体系 的粘度随着剪切速度变化。首先在低剪切速率下，悬浮粘度粘度很大，这是因为此时颗 粒的布朗热运动占优势，这种随机运动对流体阻力很大。随着剪切速率的增加，悬浮体 系出现一个剪切变稀阶段，许多研究表明剪切变稀过程中悬浮体系中形成了一种层状有 序结构，固体颗粒在剪切方向上定向排列。许多研究得到了一些经验或半经验的公式， 来描述悬浮体粘度与浓度的关系1 7 引。 图1 - 8 假塑性流体的叫曲线模型 f i g 1 8t h ep 吖r e l a t i o nm o d e lo fp s e u d o p l a s t i cf l u i d 相比于以上经验或半经验模型，b r a d y 采用s t r o k e s i a n 动力学模拟推导了布朗硬球 模型的理论结构，正确解释了颗粒之间的动力学作用以及对悬浮体系微观结构和宏观流 变行为的影响f 7 3 1 。 ( 2 ) 静电排斥稳定的胶体分散体 在静电稳定的胶体分散体中，双电层的存在影响体系的剪切流变性能，由于水动 力和粒子间相互作用的相对关系，以及粒子间距离和d e b y e 长度的相对关系的不同，体 1 2 第一章前言 系体现出不同的流变性能和微观结构。很多参数影响电粘滞效应，例如，剪切速率、体 积分数、颗粒大小、表面电势等。 双电层排斥作用的大小取决于表面电荷密度和双电层的厚度。前者取决于体系的 p h 值，后者取决于体系中电解质的浓度。z h o u 研究表明，在氧化铝的悬浮体系中，体 系p h 的影响很小，而电解质的浓度影响较大。当电解质浓度小于临界值时，双电层被 压缩，导致体系粘度的减小；当电解质浓度大于临界值时，没有压缩作用，排斥力减小， 导致颗粒的絮凝而增大粘度。 有研究推导出，分散体粘度和粒子大小以及z e t a 电位之间的关系如下式所示，从 下式来看体系粘度与z e t a 电位之间关系密切，但是z h o u 的研究结果表明，氧化铝的悬 浮体系中p h 变化带来的z e t a 电位变化对体系的粘度曲线影响很小，但实验结果中所给 数据p h 范围为4 2 6 3 1 7 4 】。 z h a n g ，q 等采用四甲基氢氧化胺( t m a h ) 作为硅颗粒分散体的分散剂，研究了分 散剂用量和p h 值对颗粒z e t a 电位和固体质量浓度为4 6 的分散体剪切流变特征的影响 7 5 1 。结果表明分散剂提高了z e t a 电位的绝对值，从而改善体系的流变性能。硅颗粒分 散体在较低剪切速率下表现为剪切稀化，而在较高剪切速率下表现为随着剪切速率的增 加而粘度增加。j o h n s o n , sb 等研究了氧化铝颗粒和高岭土颗粒悬浮体系的z e t a 电位与 体积分数和p h 的关系，并讨论了悬浮体屈服应力与z e t a 电位的关系【7 6 j 。 ( 3 ) 位阻排斥稳定的胶体分散体 根据吸附高分子层厚度的大小，位阻排斥稳定的胶体分散体可以分为两种情形。当 吸附层厚度相对于胶体颗粒直径较小，而且静电排斥又可以忽略的时候，胶体分散体可 以近