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1、P 、 研究论文l 液滴撞击时施胶纸性能的变化 作者简介：沈威博士， 化工系高级讲师；研究方 向：纸张和纤维表面化 学、脱墨化学、纸张施胶 机理、橡胶凸版印刷、喷 墨印刷、平板印刷理论、 无水平板印刷理论。 沈威。D u s h m a n t h aK a n n a n g a m 张海龙 ( 澳大利亚M o n a s h 大学) ( * E - m a i l ：w e i s h e n e n g m o n a s h e d u a 1 1 ) 摘要：用高速C C D 摄像机研究在几种平坦和宏观光滑的模型表面以及一种商品施胶纸上，水滴在 一定滴落速度范围内的撞击和反冲。从疏水和
2、亲水模拟表面上得出的水滴撞击和反冲结果与以前的 研究结果一致。研究发现，水滴撞击时在撞击点形成的最大扩散直径取决于初始滴落动能，液体在 亲水性表面上的反冲程度比在疏水性表面上弱得多。然而，水滴在施胶纸上撞击和反冲的过程中， 其性能有一个有趣的转变。当水滴撞击时，施胶纸的性能类似于疏水性介质；而在水滴反冲时，其 行为类似于亲水性介质。这一现象的意义将在喷墨印刷质量及施胶纸张的表面条件段落中讨论。使 用原子力显微镜( A 脚) 观察了施胶滤纸表面纤维在水滴下的形态。A F M 研究表明，即使纸张经过重 度施胶，纤维表面与水之间仍有强烈的相互作用。本研究对了解喷墨印刷的墨滴在纸张表面的撞击 非常有用
3、，因为这给定了墨滴撞击纸张后渗透到纸张内的初始条件。 在很多行业中，都存在 液滴撞击固体表面并产生液 体扩散的现象，如除草剂在 叶片上的扩散、喷漆和喷墨 印刷等。很多人研究过液滴 在亲水或疏水的不渗透且宏观光滑的固体表面上的撞 击特性【1 - 5J ，探索出一些数学模型，用以预测液滴撞 击到光滑固体表面所产生的最大强迫扩散直径和反冲 时液滴与固体表面的最小接触直径。所有这些研究都 遵循了能量守恒的基本准则。P a r k 等人总结了水滴在 亲水和疏水光滑固体表面的撞击行为1 。水滴撞击亲 水性表面的过程分为2 个明显的阶段：撞击时水滴首 先强迫性地扩散到最大直径，然后在达到最终平衡时 水滴直径
4、稳定下来。而水滴撞击疏水性表面的过程分 为4 个阶段：撞击前瞬间，液滴强迫性扩散到最大直 径，液滴最大程度反冲和达到平衡。 也有人研究了水基喷墨油墨在商品纸张表面的撞 击行为 6 - 7 3 。A s a i 等人蚓6 在研究中也利用了能量守恒 定律，把纸面作为一个宏观光滑的固体表面。研究表 明，喷墨油墨墨滴的最大强迫扩散直径与纸面性质无 关【6 J 。但是，本研究没有详细描述所用纸样的特性。 要了解喷墨油墨在纸张中的扩散和渗透，必须了 解液体在固体表面的扩散，这方面的研究也有很多。 一些研究者认为，可用一个简单的能量定律描述液体 润湿光滑固体表面的动力学【8 - 9 j 。还有一些研究认为，
5、 可用简单的能量模型来表述液体在粗糙表面上的润湿 动力学 1 0 - 1 1 | 。但A p e lP a z 和M a r m u r 1 0 J 认为，用简单 中国造纸) ) 2 0 0 6 年增刊 的能量模型来表述液体在粗糙表面的扩散是经验主 义。 本研究已对油墨和纸张之间的相互作用进行了几 年的研究，其首要目的是探索液滴撞击施胶纸表面的 行为。喷墨印刷实验的经验性观察表明，如果滴落到 纸张表面的油墨发生混合，就会严重破坏印刷质 量【1 2 j 。墨滴撞击及其在纸张中的扩散和渗透可能进 一步加剧墨滴混合。关于油墨在纸张表面扩散和渗透 的研究已经有很多【l l 1 3 15 | ，但液(
6、油墨) 滴撞击纸张 表面的研究却相对较少L 6 - 7J 。 为明确研究的目的，有必要回顾一些有关油墨和 纸张相互作用的文献。通常以W a s h b u r n 公式为模型 来描述液体在纸张中的渗透【1 6 j 。近期的更多研究表 明，W a s h b u r n 模型优先阐述了液体在纸张中的渗透规 律1 1 3 J 。显微研究表明，水在未施胶纸张中是通过薄 膜流动【1 5 j 实现渗透的，而在施胶纸的渗透中则观察 不到薄膜流动现象【1 7 J 。M o d a r e s s i 和G a n l i e 一1 1J 研究表 明，可以用两个相继发生的现象来描述水滴和纸张的 相互作用，例如
7、，达到准平衡接触角后纸张表面才被 水润湿，紧接着纸张才会吸水。如果纸张经过施胶， 则第一个过程就不能瞬时发生【1 1J 。L y n e 和A s p l e r 1 4 J 也发表了一些经验数据，建议用润湿延迟来表述液 体纸张接触和液体渗透之间的时间延迟。 尽管关于液体渗透的研究已经为了解印刷中油 墨纸张之间的相互作用提供了许多信息，但墨滴撞 击纸张表面的过程也会含有一些对喷墨印刷有用的相 关信息。由于油墨与纸张之间的相互作用过程由润湿 2 1 ， l 研究论文 ( 扩散) 和渗透两个连续步骤组成，因此，墨滴撞击可 能影响扩散过程【6 J 6 。墨滴撞击后的瞬时油墨和纸张之 间的相互作用状况
8、可能会影响到墨滴撞击后液体渗透 的初始条件。从这方面考虑，不但液滴最大强迫扩散 重要，而且最大收缩程度和液体反冲也很重要。这些 过程对墨滴在纸张表面形成的点的尺寸有很大的影 响。P a r k 等人1 称，在不渗透且宏观光滑的固体表面 得出的实验数据表明，液滴反冲时，与固体介质表面 的接触面积会减小。这些研究还发现，接触面积的最 小直径可能与液体和固体之间的黏着作用有关u j 。黏 着作用越大，液滴的收缩就越弱，最小直径越大。另 一方面，A s a i 等人【6 J 研究发现，液滴在纸面上的最大 强迫扩散直径可能仅与R e y n o l d s ( R e ) 和W e b e r ( W
9、e ) 数 有关，而与所用纸张的特性无关，这似乎说明，在以 纸张作为试样时可不对其进行处理。 接触角法很难描述液体和纸张之间的黏着作 用 1 8 - 1 9J 。因此，认为由于施胶使介质表面疏水化， 从而导致纤维素纤维和纸张表面与水的接触角增 大【1 1 ，2 0 1 。事实上，水溶液和纤维素纤维( 即使经过 重度施胶) 之间的相互作用非常特别。把重度施胶 的纤维素纤维作为疏水性介质可能是不恰当的，相 反，把施胶的纤维作为亲水性表面可能会更恰当。 尽管施胶化学品通过牵制三相接触线而减慢了水溶 液对纤维的润湿速度，但这些化学品不可能完全阻 绝液体分子与纤维表面未被施胶化学品覆盖的亲水 性区域之间
10、的相互作用。这可能会对液滴扩散和反 冲产生巨大影响。 本文研究了水滴在亲水性和疏水性表面以及商品 施胶复印纸表面上的撞击性能，使用A F M 研究重施 胶纤维在水中的吸水润胀，讨论了施胶纸表面的喷墨 印刷质量和化学条件。 1 实验 1 1 原料 用水( M i l l i p o r e ，1 8 M Q ) 和二碘甲烷( 9 9 ， A l d r i c h ) 作液体探测剂来确定固体介质的表面能。表1 为两种液体探测剂的表面张力值【2 1 j 。 用醋酸纤维素( 9 9 ，A l d r i c h ) 和甲氧基钠( 2 5 溶于甲醇，A l d r i c h ) 在玻璃上制备光滑的纤
11、维素薄膜。 分析纯的甲醇( B D H ) 和丙酮( B D H ) 作为制备纤维素薄 膜的溶剂。A K D 施胶剂由H e r c u l e sC h e m i c a l sA u s t r a l i a P r yL t d 提供，使用前用分析纯级丙酮进行2 次再结 晶。用分析纯级正庚烷( 9 9 5 ，A j a ) 【) 配制A K D 庚烷 溶液，用于纤维素薄膜的溶剂施胶。 2 2 表1 液体探测剂的表面张力值( m N m ) 特氟隆薄片( 厚度0 5 m m ) 由英国G o o d f e l l o w 提供。 显微镜用载玻片由澳大利亚B i oL a b 提供，纸
12、介质选 择R e f l e x 商品复印纸，定量8 0 m 2 ，全部用漂白桉木 硫酸盐浆在碱性条件下抄造。用足量的M i l l i p o r e 水冲 洗特氟隆薄片和载玻片，再用甲醇和丙酮清洗，溶剂 蒸发后在6 0 c C 条件下干燥备用。试样制备方法如下。 1 2 实验方法 1 2 1 在玻璃载玻片上制备纤维素薄膜 把一片清洁的显微镜用载玻片缓慢浸入1 0 的 醋酸纤维素一丙酮溶液( w v ) 中，制备醋酸纤维素薄 膜。载玻片从溶液中取出后，丙酮快速蒸发，留下一 层薄且光滑的醋酸纤维素薄膜。然后将其置于含1 的甲氧基钠的甲醇溶液( w v ) 中持续浸泡1 2h 以上， 使醋酸纤维
13、素薄膜水解成纤维素薄膜。先后用M i l l i p o r e 水和甲醇冲洗载玻片并在6 0 条件下干燥。该法 与T o u s s a i n t 和L u n e r 2 2 j 使用的方法相似。制备完成后 对纤维素薄膜进行F T m 光谱分析，结果发现与 A l d r i c h 粒状纤维素试样的光谱图吻合良好( 如图1 ) 。 图1自制纤维素薄膜( a ) 和A J 曲c h 的 粒状纤维素( b ) 的F r - I R 光谱 1 2 2 纤维素薄膜和滤纸的A K D 施胶 分别用浓度为0 2 和0 6 ( w v ) 的A K D 庚烷 溶液对纤维素薄膜进行2 种不同水平的施胶
14、。方法 为：把玻璃载玻片缓慢浸人A K D 庚烷溶液然后再缓 慢取出，置于1 0 5 0 C 的烘箱中烘干2 0m i n 。 用实验室压光机( H u n ta n dM o s c o r p ) 对W h a t m a n 81 滤纸进行一道压光。用热电偶测定压光机辊面的温度 为1 5 0 ，压区线压设定为8 0k N m 。根据文献 1 8 对压光滤纸进行施胶。经过施胶和压光的滤纸用于水 下A F M 研究。 C h n aP u p & P a p e r2 0 0 6 S u p p l e m e n t 、 研究论文l 1 2 3 液滴的产生及影像的捕捉 用O C A H 2
15、 3 0 仪器( 德国D a t a p h y s i c s ) 进行液滴撞 击研究。该仪器带有l 台由计算机控制的液滴分配注 射泵和1 台3 6 0 f p s 的高速摄像机。注射泵配备了1 支 带有平头不锈钢针( 外径0 3 1i n l n ) 的注射器，流速设 定为0 3 1m L s 。通过调整针头和介质表面的距离来 控制液滴的撞击速度。由于现有实验装置难以精确确 定液滴下落前瞬间的重心，因此在计算液滴速度时使 用针头和介质平面之间的距离，这样不可避免地存在 系统误差。但是，因为液滴体积很容易控制，所以此 法产生的误差是恒定的。 高速照像机能够捕捉到液滴下落和撞击到介质表 面时的
16、图像。通过将软件快门线设定在介质表面正上 方的监视器上来按动照像机快门。所得的数据资料用 S C A 2 0 软件( D a t a p h y s i c s 产) 分析。用专为I m a g e P m P l u s 软件编写的宏程序来计算撞击过程中水滴基本直 径的变化。 1 2 4 表面能计算和液滴撞击的建模 1 2 4 1 用接触角计算表面能 尽管液一固相互作用会对液滴撞击过程产生显著 影响，但以前的研究中多数没有考虑到液滴和固体介 质之间的黏着作用【2 , 2 3 j 。一些研究者仅用液体的性质 和液滴动能来预测撞击结果1 2 J 2 。但现在已经发现，固 体介质的表面性质和液固之间的相互作用对液滴撞 击固体表面起着重要的作用，尤其是在复杂的表面上 如施胶纸上进行喷墨印刷时。为了便于
