【集萃网观察】在油墨中有许多颜料的基本颗粒尺寸是很小的。但是，由于这些基本颗粒有粘附在一起而聚集成比之大许多倍的聚集体(团)，所以，就要用机械来进行研磨，以使这些聚集体分散至所需的程度。

    机械研磨的主要目的就是将颜料聚集体分散于连结料中，使之形成细颗粒的分散体。由于颜料是决定油墨色彩和光学特性的关键，所以它不仅取决于对光的扩散与吸收，且这些与它的颗粒大小也有关。例如在相对条件下，油墨冲淡后的饱和度(着色力)、色相等均与颜料颗粒的分散度有关，这是人所共知的。

    由于颜料的化学组成与物理特性不同，故它们的分散性能也就各异。分散过程一般分三个阶段，即(1)颜料聚集体开始润湿，(2)颜料聚集体破碎成小颗粒，即聚集体被分离，(3)用连结料置换颜料颗粒表面的空气，即颜料颗粒表面吸附的水或气被润湿介质所取代——在颜料颗粒表面附着润湿介质。

    颜料颗粒在连结料体系中的情况可以这样来说明之：(A)一些干的颜料颗粒由于它们的表面引力而相互“抱”在一起，颗粒之间的空间是空气，这种现象叫聚集；(B)颜料颗粒良好地分散在连结料中；(C)一些已润湿或分散的颜料颗粒由于某些力的作用慢慢又形成絮状，颗粒之间是连接料，这种现象叫絮凝。分散体的絮凝作用取决于连结料和颜料的性质以及絮凝物质的出现；(D)当分散颗粒间的引力小到不可能产生絮凝时，则颜料颗粒就可能定向，从而形成疏松结构。

    颜料颗粒在开始润湿时，首先应使颜料和连结料很好地混合，为了使它们具有良好的亲和性以便更快地润湿，所以采用表面活性剂是常用的做法。因为表面活性剂可改变颜料和连结料之间的极性，有些表面活性剂具有平衡的极性和非极性结构，从而可在两个表面间形成一个桥或联结。

    为了破坏这些聚集，就需要利用各种力，例如(1)物理撞击，(2)颗粒与颗粒之间的相互碰撞，(3)通过流体(如连接料)的剪切。一般说，比较大的聚集体(50—100微米)可以被分散设备(如三辊机、球磨机、砂磨机等)的剪切力进行物理分散。而比较小的颜料聚集体则大多是由于包在颜料聚集体外面的连接料的剪切作用而分散的。连结料对颜料的剪切作用主要是由于(1)连结料对研磨表面的粘附；(2)连结料对颜料表面的粘附；(3)连结料的内粘附(内聚力)强度，即粘性。

    当以连结料置换(替代)包在颜料外面的空气时，润湿过程才算最后完成，达到了分散的目的。这个过程可以提高颜料的透明度，降低颜料颗粒间的引力，这是由于在颜料和连结料之间形成了反抗聚集的物理链，使颜料颗粒不能再聚集之故。

    颜料分散后形成的分散体的稳定性主要取决于以下三种力：(1)排斥的静电力——由颜料颗粒表面的离子或带电基团而引起；(2)吸引的伦敦—范德华引力——由于颜料颗粒和连结料之间的介电常数不同而引起；(3)由于颗粒表面出现的不带电基团(使颗粒间相互像一个栅栏一样)而引起的“位阻”稳定作用。由于排斥性的静电力在水性介质中比较明显，而吸引性的伦敦—范德华力则在有机和水性介质中均有，故颜料分散体在有机介质中的稳定性，一般是取决于“位阻”效应的。

    由于电的力量而排斥的理论，即DLVO理论，它基于当介质中的一种可离子化的物质以正或负离子的形式吸附在颜料表面上，其相对应的电荷扩散入介质中后，就会发生电荷排斥。故这些颗粒就会得到一种相似的电荷，虽然分散体中出现了这些电荷，但其保护力也会随着因陆续加入更多的连结料而破坏。如果在分散体中一次加入大量的连结料时，就会发生“肢体震荡”效应。这样，由于颜料体积的变化，颜料颗粒会发生再聚集作用。同样，在体系中加入过量的溶剂时，也会发生这种情况，因为溶剂会从颜料颗粒上洗去连结料。

    实际上，颜料分散在(溶)有聚合物分子的连结料中以后，连结料就被吸附在颜料颗粒表面，并以一部分链伸向连结料中，从而使两个相同的颗粒不能再接近，防止了再絮凝的发生。

    从热动力学观点看，位阻稳定性可分为熵稳定作用和热函稳定作用，或是它们二者的联合形式。实际上，它们的差别在于前者是在冷却的条件下会絮凝，后者是在比较热的条件下会絮凝。这样，就提出了一个实际问题，即对有些油墨来说需要存放在比较冷的条件下，而有一些油墨则需存放在比较热的条件下，这样，才可避免体系发生絮凝。

    絮凝作用一般发生在液体系统中，它是颗粒之间暂时的联合，只要用不大的力就可以破坏它。因为在液体介质中颗粒是处于不规则的布朗运动下，它们随时有可能接触并形成团状疏松絮凝体。显然，产品的粘度越低则运动越快，碰撞比例也越多。

    在高粘度的浆状油墨中，因为高粘度的摩擦阻抗比颗粒表面上的力还要大，故不可能发生布朗运动，絮凝也就不会出现。

    由于分散后的颜料颗粒有可能再联结在一起，故其表面吸收层不能变形，而且应当紧紧抱住分散颗粒。位阻效应则取决于吸收材料的分子量大小，低分子量的连结料(干性油连结料、油改性的醇酸树脂等)则易于吸入到颜料聚集体中去，如果有溶剂存在，则会加速这种渗透。

    所以，在分散过程中，连结料的润湿性是非常重要的。我们知道，硝酸纤维，丙烯酸，乙烯类等连结料的分散性是比较差的。连结料对颜料的润湿效果取决于颜料与连结料之间的表面张力：界面张力高，则润湿效果差。

    对于分散性的测定，目前尚无统一的方法，一般就是用细度板(刮板细度计——Grind Gage)，筛法以及着色力等来判断之。

    关于分散时的温度情况，则可从粘度的变化而看出。一般地说，分散过程中温度都是上升的，这可从颜料润湿时的浸入热测出。热也有相反的效果，例如使颜料失去浓度，引起色相的变化(有的颜料在热的作用下可被部分溶解并再结晶)，加速与连结料的化学反应等等，故应引起注意。

    （二）、接触角(液——固接触角)

    在研究液——固界面时，接触角是广被应用的一种手段。

    例如将一种液体放于固体表面上时，就可能发生以下两种情况：1．液体在固体表面上铺开(即发生所谓润湿)：2．液体发生回抽(缩)，极力限制或降低它与固体表面的接触(即不发生润湿)。液体在固体表面上的润湿情况可通过测定液—固界面形成的接触角θ来判断，这种角一般是通过一种液体来测定的，其范围可以自0°至180°。

    接触角的大小可以用表面张力来测定之，一种液体放在一个平的固体表面上所形成的液体接触角的大小，可由作用在液—固界面端的三个表面张力来测定之。第一个力是液体的表面张力σ1，它的作用是将液体从与液面成正切的方向的界面端拉离(液体表面张力与固体表面形成的角，可定义为液体的接触角)。第二个力是界面张力σs1，它存在于固体表面与液体间接触的地方，这个力的作用也是将液体从界面端拉离，但其方向仅指固体表面而言。第三个力是固体表面的表面张力σs，它是将液—固界面端拉住，方向则与界面张力相反。

    一般σs往左边拉，σs1往右边拉，σ1往右上方拉，其向右边的分力与σ1cosθ相等，下式表示了它们的相对作用力：

          σs=σs1+σ1cosθ                                                    （1）

    一般地说，接触角为0时，固体就被液体所彻底润湿(例如矿物油放在金属表面上)。接触角大于90。时，意味着液体不能在固体表面铺展(例如水银放于玻璃板上-——约140°，水放在石蜡上——约100—115°)。   

    （七）、增加表面积的再分(散)效应

    必须指出，对一定量的物质来说，如果把它们再分(例如粉碎)成更细的话，面积的表面活性就很可观了。例如，假设有一个固体立方体，其边长为一厘米，则其初始的面积为六厘米2。(每面一厘米2，共六个面)，如果将此立方体分成更小的立方体，每个立方体的边为L厘米，则这个更小立方体的个数为1／L3，其面积为6L2cm2，而所有这些小的立方体的总面积就相等于6L，即：6L2／L3=6/L

    由于立方体的初始面积是六厘米2，经再分(散)后就增加了总表面积的1／L－(6／L)／6=1／L。按照一般的规则，颗粒经再分(散)后，新表面积的增加是与降低颗粒线性范围的一些特性成反比的。

    表面积倍数的特性线性范围=常数   

    例如将粗糙的球形颗粒分(散)为原来直径的l／10时，其表面积就为原来的10倍。分(散)为1／1000时，其表面积就为原来的1000倍，等等。

    根据上述的讨论，我们就可以确立一个由于力作用于表面分子(内引力与非相对平衡的外引力)上的不平衡状态而产生的表面张力。因此，也可形成一个比较广泛的概念，即凡是一种物质它就有引力或它对任何物质的表面层有向内拉的力。我们可以设想，如果将一种纯的物质放人一个真空的空间中时，则该物质的引力就只能限制在本身的分子内了。但如果将这种物质放入含有O2，N2和水(湿)的大气中或与其它物质相混合后，该物质的向内引力就自然增大并使这些其它物质的分子相抱在一起，结果对该物质的表面就产生了外分子引力。根据这些观点可以看出，在一定的环境中，大部分物质的表面或界面存在着高度杂乱的情况。所以，分子的异种混合就会在物质的表面争夺位置以及在过程中，会在界面形成对界面层两边具有足够引力的分子定向层。

    例如，玻璃放在一般的室温条件下时，由于在表面上能形成一层有几个分子厚(取决于相对湿度)的超薄层的水而会老化。这种吸收水膜的情况可由甲基氯硅烷蒸汽与吸收的水反应而使玻璃表面抗水(因甲基由表面向外伸)的现象而证实之。因为完全干燥的玻璃(在真空下烘干的)，即使用甲基氯硅烷蒸汽处理后也没有良好的抗水性能。

    根据这个简单例子可以估计，在颜料颗粒表面上的分子是与颜料颗粒本身不同的。一般地说，大部分颜料的表面多少会被从空气中吸收的氧气和水或在颜料制造过程中冲洗后粘附的盐类所复盖或包裹。所以，颜料在用另外的物质(分子)对之进行表面处理后，其表面特性和分散性就与颜料本来的性质完全不同了。

    （八）、表面引力的性质

    当两个颗粒间的距离小至一微米以下时就会产生引力(一般叫伦敦力或范德华力)，颗粒就可能聚集在一起。一般地说，距离越小则引力越大，例如在两个颗粒间的距离自一微米降至0．1微米时，引力就可增加一千倍，同样，自0．1微米降至0．01微米时，引力又可增加一千倍。可以看出，颗粒间的引力主要取决于分子的亲近点。从电子显微镜的研究可以看出，颜料颗粒上的不规则性约为0．01微米。应当说颜料颗粒的表面粗糙度对它的分散度是有影响的。

    根据上述概念可以看出，想提高分散体的稳定性，防止固体颜料颗粒的相互接近是很重要的。如在含水分散体中加入一定量的含氧有机溶剂，颗粒上就会产生电荷而有排斥力，从而阻止颗粒的相互接近。或在颜料颗粒上形成一层外界物质的吸收层(所谓保护胶)，这样，在颗粒之间就有一层隔离物质了，防止了颗粒的相互接近。

    由于在表面上的力的作用是非常复杂的，而且一般不可能有量的结果，所以，在测定、解释分散性时，一般都依靠经验性的检验。

    1．极性。如果一个分子中的许多带电原子，其正负电荷正好平衡的话，则这个分子对外界来说，它的电性能就是中性的，并谓之非极性分子。例如饱和的碳氢化合物、环状碳氢化合物(苯)以及对称的氯化物(四氯化碳)等都是非极性分子。

    如果一个分子中的许多带电原子，其正负电荷不平衡时，则这个分子对外界来说，它的电性能就不会是中性的，并谓之极性分子。水，乙酸乙酯、甲乙酮以及乙醇等都是极性分子。

    习惯上经常把一些基团也分成极性与非极性。例如非极性基团有烷基—甲基(—CH3)，乙基(—C2H5)以及这一类里的高级同系物。极性基团有羟基(—OH)、羧基(—COOH)、磺酸基(—SO3H)、硫酸基(—OSO3H)等。

    有了上述这种分类后，我们就极易看出一种分子的一端是极性的，而另一端就是非极性的。可以看到，有些分子具有对抗的极性，它们往往倾向于集中在界面而满足其矛盾的性质。有些极性—非极性分子叫表面活性剂，因为它们的功能主要是起表面活性作用的。市场上的许多表面活性剂一般都含有极性—非极性结构。

    2．亲水—憎水平衡。一般地说，极性基团与其它的极性基团就会吸引。大家知道，水是一种极性物质，任何基团对水的吸引都会因其极性而异。如有些基团是亲水的——即有极性，有些基团则憎水——即非极性。对任何一种表面活性剂来说，当将其引入一个界面(如在碳氢溶剂和水之间)时，在分子的亲水和憎水部分的相对强度之间，经常有互相争夺的现象。在这种情况下，极性部分就进入水相，而非极性部分则被水所排斥，但被碳氢溶剂相所接受。所以，表面活性剂会在界面上形成亲水层向水，亲油层向碳氢溶剂的定向层。

    应用一种简单的定性方法——挤水方法，就可以估价一个颜料的极性(润湿性)状况。步骤是先将少量的颜料分散在水中，然后在不断搅拌下将一定量的油加入其中，观察颜料从水相转至油相的情况，亲油的颜料转相比较快，亲水的颜料则转相比较慢。在一定的情况下，颜料的亲水(或憎水)性能还可从颜料乳化体的稳定性来判断。亲水颜料对水包油型乳液比较稳定，亲油颜料则对油包水型乳液比较稳定。

    关于表面活性剂的亲水与憎水部分的相对强度，一般是以HLB值来表达的。 

    （九）、颜料的絮凝和沉降

    我们的实践证明，大部分无机颜料是亲水的，所以极易被水所接受。下面我们通过一个无机颜料的例子来解释一下发生沉降的情况：当将一种极性(亲水)颜料(例如钛白粉)依次与水(一种极性液体)、油酸(一种含有极性和非极性基团的表面活性剂)以及苯(一种非极性液体)混合后，就会发生这样的情况：将亲水颜料加到水中后，在容器的底部就会形成坚实的沉降(淀)。钛白粉被水完全润湿(因钛白粉对水的吸引力比对它自己的还大)后由于颗粒与颗粒之间的接触而发生了沉降。在这种情况中，水帮助了沉降过程。

    将亲水的钛白粉加入到憎水的苯中时情况就完全相反。这时，原来在钛白粉颗粒间的接触状态仍被保持着，因为非极性的苯没有力量来破坏在相邻颜料颗粒间的极性—极性附着。结果钛白粉颗粒就形成一种絮凝结构—一种疏松键合的机械网状，它在静止状态下是可以永久保持的。故只有很小的颜料沉降。  

    将钛白粉加入油酸中的情况则表示一种混合分散条件(即有水和苯的因素)。油酸的脂(肪)部分(亲油)在一端起作用，羧基部分(亲水)则在另一端起作用，结果就形成显著的松散沉降。

    当将一小部分油酸加于钛白粉在苯中的分散体里时，沉降时的戏剧性效应是很明显的。此时，沉降的特性就由非沉降(絮凝)完全改变成坚实的沉降，原因就在于油酸的性质。当将极性—非极性的油酸引入钛白粉—苯系统中后，这种表面活性剂就会极力使憎水性和亲水性平衡。油酸中极性的羧基则吸引于极性的钛白  粉表面，且一经接触就附着得很牢。油酸的脂(肪)部分则伸向非极性的苯区。必须注意，只有油酸的用量非常小时才有这种效应，而且只限制在表面上有作用。由于油酸的定向层防止了任何最密切的钛白粉颗粒的极性对极性的接触，故形不成网状结构，从而防止了钛白粉颗粒沉降而在容器底部形成坚实沉降(淀)的现象。

    如在油酸或苯中加入少量水，则就会增加钛白粉的絮凝程度，因水能增强亲水力而导致絮凝。

    二、分散的设备

    选择一台良好的分散设备是非常重要的，但这与多方面的因素有关，例如产品的粘度，挥发情况，是否容易清洗?以及产量，分散质量等等。

    分散设备一般可分为四类，即1．低剪切设备(如各种捏合机等)，2．高剪切设备(如高速分散器——高速搅拌)，3．球磨机(包括砂磨机、立式、卧式球磨机等)，4．辊磨机(包括单，两，三，五辊机等)。  

    用于油墨(或涂料)工业的分散设备，虽不断有所改进，但真正定型实用者为数甚少。目前看来，用于油墨工业者仍以三辊机(分散比较稠、粘的浆状油墨)和球磨或砂磨(生产比较稀的溶剂油墨以至热固型轮转胶印油墨)为主。球磨的立式型(俗称立式球磨机)虽有应用，但因有一定的缺陷，故仍不普及。而且，由于立式球磨的生产温度比较高，对油墨的质量有害(对热敏感性的颜料尤甚)，故高质量的油墨目前还是采用三辊机生产。   

    我们知道，油墨的分散过程一般分两个阶段，即所谓预分散(采用高速搅拌机等)和分散(采用高剪切的机械)。

    （一）、三  辊  机

    三辊机也叫三辊磨(Three Roll Mill)，从世界范围来看，目前它还是油墨工业基本的分散设备之一。虽然尚有单辊机(主要用于涂料工业)以及五辊机等，但因种种原因都不及三辊机简便实用，尤其是对比较稠、粘的浆状油墨来说，三辊机更是得天独厚。

    三辊机据说是在1870年前后出现的，滚筒中间通水冷却的技术则是在1890年左右才开始应用的。1888年前后发明了五辊机。

    近百年来虽然对三辊机进行了这样或那样的改进，但是始终未能摆脱它的基本原理。

    三辊机的产量(效率)取决于：

    (1)辊子的大小；

    (2)辊子的转速，

    (3)通过夹缝的流动速率(辊子间的夹缝大小)，

    (4)辊子间的速度比，

    (5)从后辊至中辊至前辊的转移百分比，

    (6)研磨物料的粘稠度。

    当然，它们是互相有影响的。

    1、三辊机的结构。

    三辊机的主要结构有：后辊(Feed  Roll)，中辊，前辊(Apron Roll)。挡(闸)板——俗称墨挡(End Plate，Hoppers，Guide)是为了阻止油墨外溢的。刀簸箕(Apron)或称出墨斗，是由刮刀与所谓簸箕(或称围子)所组成的，它的功用就是将油墨从前辊上刮下并收集起来。

    除此以外，还有一些其它装置，例如传动装置、冷却装置、压力装置、动力设备以及其它一些附属设备等。

    （1）．辊子的质量与排列形式。三辊机的大小是多种多样的，最小的只能轧二、三十克油墨。但是，不管它大小如何，一台三辊机的质量好坏，除了结构及辅助设施外，可以说主要取决于三个辊子的质量。因此，辊子材料的性质(强度)、浇铸方法(现大多采用离心浇铸法，这种浇铸方法可以使辊面强度增加而将不纯物留在辊子内部。离心浇铸法也可采用两种金属来进行，即里层的支撑用硬度低一些的材料，外层辊面用硬度高(一般为600布氏硬度)一些的材料，这样，即使辊面经过再度研磨，其硬度也不会发生变化。一般三辊机的辊子外层的硬合金厚度为15mm，内层为25mm)，加工质量——表面平整度。(一个良好的辊子其磨光程度的允许偏差只达0．005毫米，因为辊子间是线接触)以及冷却要求(为了提高冷却效率，现在一般将辊子壁加工成比较薄——即辊心空穴比较大的形式)等是一台三辊机首先要考虑的。如果在高速运转下辊子发生不均匀形变，则它还是一台低质量的设备。

    三辊机的三个辊子的排列形式以及它们的结构，一般说是多种多样的。就目前情况来看，三个辊子的排列形式主要有两种，即水平式与斜坡式(即斜列式，)。一般以后者较为优越，这是因为这种排列法机器占地面积少，后辊比较低，可以减少给料(俗称上墨)的劳动强度等等。

    至于辊子间的结构，则大致有一般型（四点调节）、浮辊型（二点调节）、契型（一点调节）等。

    一种比较先进的斜坡式三辊机的辊子结构采用浮辊型，这是种前辊固定的方法，这样就比较容易调节，即使在高速运转时也不会振动。浮辊系统因压力只有一个，故两个辊子间的压力比较均匀，如不均匀，浮辊系统就可自动调节。由于前辊固定，故刮刀的角度与调节也可保持恒定。

   （2）．辊速比与效率。三辊机辊子的有效面积愈大，速度愈快，则机器的能量也愈大，效率就愈高，这是一般常识。但是就三辊机来说，还有一个三个辊子间的速度比例问题。因为辊速比不同就意味着剪切力也不同。例如同一个油墨用400：188：52的比速时油墨的细度为30微米，而比速为400：102：31时，相同的操作其细度就可达到15微米。

    目前，较大型三辊机的辊子尺寸约为400(直径)×1300(长)毫米。前辊的速度约在300—350(或400)转／分之间(最高可达500转／分)。

    我国生产的比较大型的三辊机，其辊子尺寸大多为400× 800毫米，前辊速度在100—150转／分之间，辊速比约为1：3：9。

    三辊机的辊速比可根据物料的特性而异，也就说一定特性的物料，只有在一定的辊速比例下才能得到最好的效果。所以，现在有的三辊机的辊速比是各种各样的，例如有的为l：7：17等等。辊速比高则油墨层薄、细度好。

    一般地说，如果辊速比较低，则辊子的“顶高”应当相应地增加。

    （3）．挡板与刀簸箕。三辊机的挡板一般是以比较软的金属——铜制造的，以免磨损辊子表面。墨挡分挡端(Guide End)和挡尖(Guide Tip)两部分，挡尖部分在磨损后是可以更换的，一般要求墨挡不能与辊子表面发生接触(以免引起摩擦)。

    应当看到，如果墨挡是骑放在辊子的有效面积上的，则辊子就要损失2 ×挡板厚度的有效面积。

    刀簸箕是由刮刀和所谓簸箕(圈子)两个部分组成的，刮刀是镶(插)在簸箕上的，磨损后也极易更换。刮刀的调节非常重要，它对辊子的压力是非常敏感的，压力太大时容易磨损，压力太小时则效果差。

    （4）．压力系统和水冷系统。

    比较老一些的三辊机，一般以旋转辊子两端的手轮压缩弹簧而使辊子间产生压力的，新式的三辊机则不然了，不仅辊子间的压力可由液压(Hydraulic)来控制，而且墨挡、刀簸箕等也均是由液压控制的。由于调节方便，所以辊子间的压力是可以每次重复的。压力的松开亦比较容易。辊子间的压力大小对刀簸箕的压力不会产生什么影响。当辊子处于混合物料或压力松开时，刀簸箕就会自动与辊子离开。

    比较新的设计则是将压力系统与连续操作泵相连接，以保持辊子间的恒定压力。辊子在长时间的高速运转下，温度就会渐渐升高，造成油墨的粘度(性)下降(通常，辊子表面温度有4℃的差别时，油墨的粘度就会有15泊的影响)，从而影响产量与质量，因而给水冷却以保持辊子的一定温度是必不可少的。老式的三辊机一般均采用直管给水冷却，即将水管伸入辊子孔穴的最里端，然后让水顺辊子孔穴自然流出，水量的大小由人工控制。新的三辊机的水冷系统是自控式的，伸入辊子孔穴中的水管是一根一端封闭，中间各个部位开有许多小孔的直管，给水比较均匀，故可以控制辊子在一定的温度下运转，使生产正常而顺利地进行。

    一般地说，油墨的轧制温度应控制在50℃(土5℃)时比较理想(也有推荐40—50℃的)。

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