涂布方式和涂布技术

涂布工艺技术培训讲义（第一部分）第三章涂布技术主讲人：李建平2009年9月25日主要内容•一、浸沉涂布•二、坡流涂布•三、条缝涂布•四、落帘涂布一、浸沉涂布•1、浸沉涂布（dipcoating）原理•当支持体与润湿性涂液接触时，因为毛细压力，在接触处的涂液会沿支持体升高一些，并形成凹形表面。涂液润湿壁面形成凹形表面，表面张力的合力指向液体的外部，此时液体内部压强小于外部压强。2、涂液弯月面形成的形态3、浸涂有关实验的结果与分析•（1）涂布速度U和拉出角的因素•速度、拉出角与厚度关系，见右图：（2）粘度的因素粘度与涂层厚度关系，见下图；（3）表面张力的因素•结论：要想涂得薄，可减小弯月面曲率半径。减小弯月面曲率半径的方法，有使用气刀、刮刀、多辊和从反方向抽真空等措施。4、浸沉涂布的缺点和局限性•（1）一次最多涂布两层；•（2）均匀度也难令人满意；•（3）浸涂车速也难以达到30m/分以上。二、坡流涂布•坡流涂布头透视，见右图：•1.边导板；2.最上游堰板；3.狭缝出口；4.阻流狭缝；5.腔体；6.堰板；7.涂布唇；8.真空箱；9.垫板；10.涂布轴1、坡流涂布模头的构造•（1）涂布模头——涂层数•一个坡流涂布模头由几块堰板组成，原则上一个堰板对应一个涂层，这几块堰板安装成一倾斜的滑动面。通常，各堰板几乎是相同的长方形块。（2）限流（出口）狭缝限流狭缝出口形状，见下图：（3）涂布应用角α（4）滑板倾斜角β•绝大多数研究机构提出的倾斜角在15°至30°之间。•在这个范围内几个角度的变化不会造成较大的影响。（5）涂布坡流面长度•生产中为保证机械稳定性，每块堰板的最小长度（即堰板厚度）为3～6cm。涂布幅度越宽，制造滑板尽可能短的涂布模头就越困难。（6）间隙宽度HG•安装涂布头时应使之靠近支持体，在实际涂布过程中，模具唇口与支持体之间的间隙宽度范围为0.1～0.5mm，以0.2～0.4mm较为理想。（7）涂布模头唇口端面（DieFace）•下弯月面固定接触线是固定在滑板的边上，还是润湿了滑板唇口的端面，取决于模具唇口的几何形状和流动参数。涂布唇口端面与支持体之间的夹角γ越大，滑板边就越易阻滞涂布液流润湿端面。提高涂布速度或粘度，或者减少间隙HG宽度，或减少液桥的负压值，均可迫使润湿接触线上移，并最终被锚定在边界上。（8）负压箱•涂布模具与涂布辊的下方设置一个负压箱。•要尽量减小涂布辊与固定部件间的缝隙，以保证在最小的抽气量的条件下保持适用的负压值。2、在感光材料行业中涂布工程的目标•（1）实现预计量涂布；•（2）高速；•（3）薄层；•（4）均匀；•（5）一次涂布多层。•坡流涂布工艺的特点，恰好可以实现上述目标。（1）实现预计量涂布（2）高速涂布•坡流涂布车速可以高达4m/s，其根本原因是摆脱了涂层厚度依赖于粘度和车速的关系。（3）薄层涂布•坡流涂布能涂薄层的原因，还是因为它涂布过程中的弯月面曲率半径小。粗略地讲，其弯月面曲率半径是涂布间隙HG的1/2。因为影响涂布量的是上弯月面曲率半径，其半径也只是稍大于HG的1/2，也就是R2≌0.2mm。（4）多层涂布•坡流涂布工艺一次可以涂布多层，其原理是基于著名的雷诺试验。（5）涂布均匀•坡流涂布时，其横向均匀度依靠模具的均流分布作用，加上加工精度的保证；而其纵向均匀度，主要依靠供料精度和支持体的拖动精度来保证。3、坡流涂布影响涂布质量的变数•（1）影响涂布质量的变数有以下四类十二种。•坡流涂布标准波形图，见右图坡流涂布力场区分和力的平衡：坡流涂布力场可分即（1）重力场区。（2）过渡转移区。（3）液桥区。（4）薄膜带入形成区。四个区域，见下图：三相线：临界涂布速度取决于三相线处各种力的平衡，只有A点在压力场平衡状态下，产品才能保证涂好。（2）关于液桥处作用力的平衡（3）液桥的稳定和液桥高度•液桥是坡流涂布真正的核心。•液桥临界层接触长度是决定参数，而临界层长度Lδ与坡流涂布的液桥（国外称涂珠coatingbead）高度Lb之间有密切关系。•下图为是一个给定了控制体积的液桥。（4）液桥区产生涡流的影响因素和看法倾斜角β（°）30间隙宽度HG（μm）350压力差△p（Pa）500涂层厚度H∞（μm）30-70-110粘度μ（mPa·s）1-3-10-30-100支持体速度U(m/s)1-2-3表面张力σ（mN/m）15-40-65图U（m/s）H∞（μm）μ（mPas）HG（μm）△p（Pa）Lb（mm）Ca/Ca主要影响因素a0.610082002001.61.31b0.210082002001.80.53U低c0.6275820020011.10.79H∞大d0.610052002002.61.05μ小e0.610085002003.01.31HG大f0.610082005002.91.31△p大（5）关于溢流•在发生溢流的涂布试验中，部分涂液没有被支持体携带走，而是漏进了负压箱，或者自液桥边缘流出。•当模具唇口端面特别短，或者切削得很锐时，也易造成溢流。4、坡流涂布的适涂能力极限•坡流涂布的适涂能力极限有两方面，一是当涂布湿厚度小于某一值时，涂布质量受损，涂布过程无法继续进行，称为低流量极限；二是当涂布速度增大到某值，涂布质量急剧恶化，涂布过程不能继续进行，称为高速极限。粘度、速度和间隙对最小厚度a的影响，见下表：指数变量cμbUaGGutoff和Kendrick（1987）△P=00.80.9小△P=50Pa0.70.4小△P=100Pa0.60.5小Garin和Vachagin(1972)低△P0.10.5－0.3高△P0.71.0－1.1Tallmadge(1979)无负压0.50.3～0.4－0.15几位科学家对涂布速率极限值UAE进行了试验研究，推导出如下关系式：UAE=μ-bσ-a，并给出了a、b值，见下表：abBurley和Kennedy(1976)0.3350.67Gutoff和Kendrick(1982)－0.67Bracke、Devoeght和Joos(1989)1.01.05、坡流多层涂布中层间某些物理量的匹配问题（1）粘度和流量流速坡流面单层流动，见下图：多层涂布时各层流速分布，见下图：（2）表面张力方面•为了在多层体系中容易形成正确的表面张力梯度，其表面张力范围设计得宽一些，要好掌握一些。如一个七层的产品，其最上层28—29mN/m，最下层35mN/m，梯度达6—7mN/m，就比梯度3—4mN/m时好调控。6、多层涂布和运载涂层（CarrierCoatings）•多层涂布工艺的UAE由润湿支持体的涂层粘度确定。因此可以在其它涂层下引入一个附加层，来大大地拓宽坡流涂布工艺的可操作性极限值。一般将这个附加层称作运载层，相对来说，该层应该比较薄，粘度较低，易润湿支持体并且能提高UAE。7、涂布窗（C.W）•C.W是涂布窗的英文缩写字头。它是能进行稳定、连续、均匀涂布的参数范围。可操作窗主要取决于涂布产品的要求。下图用H∞和μ之间的曲线图表明坡流涂布过程实际的物理学关系：其中（a）半对数尺上涂层厚度∞与粘度μ；（b）对数尺上涂层厚度∞与支持体速度U。下图是H∞、μ和HG为恒定值时，用△P～U曲线图确定可涂布范围的一个例子。坡流涂布工艺操作窗示意图，见下图：采用甘油水溶液的一组操作窗实例：下图为体积流量/单位宽度Q的影响：液桥负压值的影响，见下图：涂布间隙Hgap的影响，见下图：应用角α，或冲击角γ的影响，见下图：粘度μ的影响，见下图：载层（carrierlayer）的影响，见下图：8、关于涂布模具设计和使用方面的问题•（1）涂层横向厚度均匀性•横向厚度均匀性，影响的因素很多，重要的是下面三项参数：•操作状况；•流体特性；•几何参数；（2）影响涂布模具的均流分布的因素•腔体方面的作用：扩大腔体的容积，可提高大腔体的窄缝出流的均匀性，在保证涂液在腔体中有适当的相同滞留时间的前提下，适当增加腔体截面积，是提高涂布横向均匀度行之有效的方法；右图为坡流涂布模具几何结构示意。计量狭缝（meteringslot）的作用•当沿X方向长度固定的情况下，一般说均流所需要的间隙高度（即沿Y方向高度），与入流分布条件及间隙宽度有关，参见右表：阻流间隙加工误差对横向均匀度的影响•分配腔在均流分布中起到初步均化的作用，是否采用变截面腔体须因需要而定。双腔体模具多可采用等截面的形式。适当增加腔体截面积有利于均化。阻流间隙是模具均流的最后关口，在保证狭缝加工精度的前提下，适当增大缝隙宽度和选择缝隙的高度，是保证均流分布的关键。附：国外某涂布模具制造公司的模具加工精度指标•阻流间隙平面的平直度有效值±1μm•计量间隙平面的平直度有效值±0.5μm•表面质量、内部研磨、抛光•Ra，max=0.05μm•Rt，max=0.8μm（3）腔体形状和进料配置涂布模具的通用形状，见下图：单片开槽后应力不平衡又会因槽深影响保温孔的布置，还有一点就是为了流动无死角，腔体必须安排在坡流下侧的堰板上，见左下图；在两块堰板相邻处设置腔体，由于是对称开槽，应力也对称，对保持形状有利，并容易布置保温孔，见右下图。腔体截面形状见下图：（4）可变的涂布宽度商业上也许会有使用相同的模具涂布不同宽度支持体的需要，这时只有改变腔体（分配腔和副腔）限流狭缝（出口间隙）沿X方向的长度才能实现。对腔体来说，是使用嵌入物俗称胶塞来实现的，胶塞形状见下图：（5）如何防止模具变形•变形的根本原因是涂布模具的热胀冷缩。•国外防止模具变形的做法。•模具出现变形后的处理。三、条缝涂布(slotcoating)或挤压涂布(extrusioncoating)•将涂布低粘度涂液、涂液润湿上下唇口端面、涂量又较小的模式称为条缝涂布；将涂布高粘度涂液（通常为高聚物）、涂液不润湿唇口端面、涂量又较大的模式，称为挤压涂布。1、条缝或挤压涂布模具结构特点•从涂液均流分布的原理来说，条缝和挤压模具与坡流模具相比，是有相通之处，因此也具有分配腔、阻流间隙、副腔、出口间隙这些构造，外形上是不同的。•条缝涂布模具，见右图：•挤压涂布模具和双腔真空盒，见右图；2、涂布方法的描述•区分条缝涂布与挤压涂布的差别，就在于挤压涂布的涂布液是以带状离开模具唇口并且不润湿唇口端面，见右图：唇口的倾斜或偏置有利于非常薄的涂布，尤其是在附有真空盒的系统中，见下图：条缝涂布是可以应用在没有背辊（或支撑物）的支持体上的，见下图：3、与条缝涂布工艺有关的问题（1）出口间隙宽度（2）条缝涂布间隙•涂布间隙受片幅的张力及刚性、涂布头伸入正常片路的深度、涂布头和片幅的角度以及流速的控制。用润滑理论很容易地说明涂布间隙是最终湿厚度的2倍。•因为涂布厚度与涂布间隙有关，我们倾向于用较小的涂布间隙涂布薄的涂层。（3）条缝涂布的角度和应用•条缝式落帘涂布时，其条缝模具唇口是垂直朝下的；用于PET薄膜生产铸片（厚片）的模具，和用于涂塑纸基涂塑（PE）的模具，它们的唇口也是垂直朝下的。（4）条缝涂布器和坡流涂布器差别的解释•条缝涂布和坡流涂布中液桥的流动特性，见右图：•注：•A薄层涂布；•B厚层涂布（5）条缝涂布中产生涡流的一些情况在有些流动中涡流的形成，见下图：在条缝涂布头唇部形成的涡流，见下图：（6）条缝涂布的涂布极限•条缝涂布的涂布极限，可以用一个关于液桥真空与涂布速度的关系曲线来说明，见右图：在条缝涂布中涂布间隙H对最小湿涂布厚度的影响，见下图：注：粘度50mPa·s，条缝宽250μm，β=0，·=最大涂速条缝涂布中临界毛细准数Ca和间隙H的函数关系，见下图：高毛细准数a下条缝挤压涂布无因次最小湿厚度（t/G），见下表：粘度（mpa.s）间隙（μm）2003005001000100.610.550.41b500.700.700.65b3500.670.710.660.7010000.650.700.650.72四、落帘涂布•1、落帘涂布发展概况•最早工业应用发现于Taylor(1903)发表的一篇德国专利中。•直到上世纪60年代，这种技术才首次用于涂布片状物和单页。两种形成落帘的设备，左下图溢流堰型落帘