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1、中性墨水剪切变稀行为对其书写性能的影响上海晨光文具股份有限公司陈义军中性墨水是指介于高粘度油性油墨与低粘度水性墨水之间的中粘度凝胶状水性墨水。它 是由日本樱花公司于1984发明的一类新型墨水，由于其粘度适中、出墨顺畅等优点，因而 发展迅速，大有取代油性墨水和水性墨水的趋势，成为目前广泛使用的一类墨水。中性墨水在静止时呈凝胶状态，墨水的流动性较差；当书写时，笔头前端球珠滚动，对 墨水进行剪切，半固态的墨水变为液态从笔头流出，实现书写性能。这是中性墨水的一个主 要特点，因而中性墨水的英文名称为“Gel Ink”，“Gel”即凝胶的意思。中性墨水从静止的凝胶状态变成书写时的流动状态这种现象在流变学上
2、称为剪切变稀 行为”，即流体的粘度随剪切速率增大而变小的现象。所谓剪切速率，是指一定厚度的液体 在流动时，流速在厚度方向的变化梯度(Y = dv/dh)。在墨水行业内，通常使用旋转粘度 仪测出墨水在6转/分和60转/分剪切下的粘度，两个粘度的比值定义为墨水的触变指数， 触变指数越大则墨水剪切变稀的能力越强。一般情况下，合格的中性墨水触变指数应大于2。由于中性墨水具有“剪切变稀”的行为，其表观粘度与所处的剪切速率相关。因此计算 在书写状态时中性墨水在笔头内的剪切速率，从而准确测出墨水在此状态时的表观粘度，进 而判定墨水的书写性能：顺滑度、出墨量等，这将对中性墨水的评估具有重要意义。假定人们手写时
3、笔头的移动速度为4.5m/min，这也是目前国标中规定的中性笔在书写 划线仪上的划线速度。笔头的移动是通过前端球珠的转动来实现的，以通常使用的直径4.5一 八0.5mm的球珠为例，其转速为：n =- = 47.8 (转/秒)60*0.5*10-3 *兀 4.5在球珠表面处的线速度为：V = 0.075 (m/s)60在书写过程中，位于笔头前端的球珠发生滚动，墨水从环槽中经球珠与笔头内壁的间隙 流出。如图1所示，在A处球珠与笔头内壁有最小间隙，约为5um。假定中性墨水在球珠 表面处有最大流速，且与球珠表面线速度相同，在笔头内壁处流速为零，且流速沿球珠表面 至笔头内壁线性降低，则A处的剪切速率为：
4、Y = E0：5 =15000 (s-如15*10-6图1 a.中性笔的笔头示意图;b,笔头前端部分局部放大图而B处球珠表面和笔头内壁的间隙要比A处稍大，一般为15um左右，则此处的剪切速率 为：y 2 = 5000（s-1）。通过计算发现中性墨水在书写过程中所处的剪切速率是相当大的，而目前我们常用旋转 粘度仪测试墨水在6转/分和60转/分转速下的粘度，此时墨水所处的剪切速率分别为:.,R 2y = 4兀 * n *e=4兀 *0.1 = 1.256 （s-1）e i此处：n为转子的转速，单位：转/秒；Re为旋转粘度计外筒半径，单位：米，Ri为内筒半径，R 2单位：米。由于Re远大于R|,因此
5、R2 _eR2约等于1（以旋转粘度仪3号转子为例，其半i径为6.35mm，通常情况下墨水放在200 mL烧杯（半径为30 mm）内进行测试，则:R23021 心e = = 1.05）。 R2 - R2302 - 6.352同样，转速为60转/分钟时的剪切速率为：:60 = 12,56 3）可见在6转/分和60转/分时墨水在旋转粘度仪中的剪切速率远小于其在实际书写状态 下的剪切速率，此时测得的粘度值对于判断书写过程中墨水的流动状态并不适用。若利用旋 转粘度仪测中性墨水所处剪切速率为5000 s-1时的粘度，其转速需要达到:n = 占 R-Ri = 祟 =398 （转/秒），这是目前旋转粘度仪无法
6、达到的转速。4*兀R24*兀一种叫流变仪的设备，由于采用不同的剪切模式能够实现剪切速率很大范围内（最低可 小于10-7s-1，最高可大于10000 s-1）的粘度测试，因而能满足对墨水在笔头内流动状态研究 的需求。图2是用流变仪测试的某种中性墨水在不同剪切速率下的粘度变化曲线，可见其具 有明显的剪切变稀行为。一开始随着剪切速率的增大，粘度急剧减小。剪切速率进一步增大， 粘度减小的趋势变缓，直至趋于某一特定值。在5000s到10000s区间内，粘度值变化很 少，因此可判定该中性墨水在书写状态时的粘度约为20cp。而在相同温度（25oC）下油性由于其剪切变稀行为，中性墨水书写时流畅度要远好于油性墨水，而且一旦停止书写， 它能很快从流动时的低粘度状态恢复到静止时的高粘度状态，停止流动，因而减少积墨。正 是因为具有如此多的优点，中性笔才越来越受到人们的喜爱，成为日常普遍使用的书写工具。 当然在上述计算剪切速率时，假定了球珠表面处墨水流速与球珠表面线速度相同，无滞后现 象，也许实际情况并非如此。从图2可以看出，在高剪切速率下（大于4000S-1），中性墨水 的粘度已基本趋于一恒定值，因此一般情况下可以用该值来表征中性墨水在书写时的粘度， 作为判定其书写性能的一个指标，这将对日常检测工作中对不同种类中性墨水的评定大有帮 助。
