涂布方式和涂布技術(shù)

1、涂布工藝技術(shù)培訓(xùn)講義涂布工藝技術(shù)培訓(xùn)講義 （第一部分）（第一部分）第三章第三章 涂布技術(shù)涂布技術(shù)主講人：李建平2009年9月25 日主要內(nèi)容 一、浸沉涂布 二、坡流涂布 三、條縫涂布 四、落簾涂布一、浸沉涂布 1 、浸沉涂布（dip coating）原理 當(dāng)支持體與潤濕性涂液接觸時，因為毛細(xì)壓力，在接觸處的涂液會沿支持體升高一些，并形成凹形表面。涂液潤濕壁面形成凹形表面，表面張力的合力指向液體的外部，此時液體內(nèi)部壓強(qiáng)小于外部壓強(qiáng)。2、涂液彎月面形成的形態(tài)3、浸涂有關(guān)實驗的結(jié)果與分析 （1）涂布速度U和拉出角的因素 速度、拉出角與厚度關(guān)系，見右圖：（2）粘度的因素粘度與涂層厚度關(guān)系，見下圖；（3

2、）表面張力的因素 結(jié)論：要想涂得薄，可減小彎月面曲率半徑。減小彎月面曲率半徑的方法，有使用氣刀、刮刀、多輥和從反方向抽真空等措施。4、浸沉涂布的缺點和局限性 （1）一次最多涂布兩層； （2）均勻度也難令人滿意； （3）浸涂車速也難以達(dá)到30m/分以上。二、坡流涂布 坡流涂布頭透視，見右圖： 1.邊導(dǎo)板；2.最上游堰板；3.狹縫出口；4.阻流狹縫；5.腔體；6.堰板；7.涂布唇；8.真空箱；9.墊板；10.涂布軸1、坡流涂布模頭的構(gòu)造 （1）涂布模頭涂層數(shù) 一個坡流涂布模頭由幾塊堰板組成，原則上一個堰板對應(yīng)一個涂層，這幾塊堰板安裝成一傾斜的滑動面。通常，各堰板幾乎是相同的長方形塊。（2）限流（出

3、口）狹縫限流狹縫出口形狀，見下圖：（3）涂布應(yīng)用角（4）滑板傾斜角 絕大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)提出的傾斜角在15至30之間。 在這個范圍內(nèi)幾個角度的變化不會造成較大的影響。（5）涂布坡流面長度 生產(chǎn)中為保證機(jī)械穩(wěn)定性，每塊堰板的最小長度（即堰板厚度）為36cm。涂布幅度越寬，制造滑板盡可能短的涂布模頭就越困難。（6）間隙寬度HG 安裝涂布頭時應(yīng)使之靠近支持體，在實際涂布過程中，模具唇口與支持體之間的間隙寬度范圍為0.10.5mm，以0.20.4mm較為理想。（7）涂布模頭唇口端面（Die Face） 下彎月面固定接觸線是固定在滑板的邊上，還是潤濕了滑板唇口的端面，取決于模具唇口的幾何形狀和流動參數(shù)。涂布

4、唇口端面與支持體之間的夾角越大，滑板邊就越易阻滯涂布液流潤濕端面。提高涂布速度或粘度，或者減少間隙HG寬度，或減少液橋的負(fù)壓值，均可迫使?jié)櫇窠佑|線上移，并最終被錨定在邊界上。（8）負(fù)壓箱 涂布模具與涂布輥的下方設(shè)置一個負(fù)壓箱。 要盡量減小涂布輥與固定部件間的縫隙，以保證在最小的抽氣量的條件下保持適用的負(fù)壓值。2、在感光材料行業(yè)中涂布工程的目標(biāo) （1）實現(xiàn)預(yù)計量涂布； （2）高速； （3）薄層； （4）均勻； （5）一次涂布多層。 坡流涂布工藝的特點，恰好可以實現(xiàn)上述目標(biāo)。（1）實現(xiàn)預(yù)計量涂布（2）高速涂布 坡流涂布車速可以高達(dá)4m/s，其根本原因是擺脫了涂層厚度依賴于粘度和車速的關(guān)系。（3）薄

5、層涂布 坡流涂布能涂薄層的原因，還是因為它涂布過程中的彎月面曲率半徑小。粗略地講，其彎月面曲率半徑是涂布間隙HG的1/2。因為影響涂布量的是上彎月面曲率半徑，其半徑也只是稍大于HG的1/2，也就是R2 0.2mm。（4）多層涂布 坡流涂布工藝一次可以涂布多層，其原理是基于著名的雷諾試驗。（5）涂布均勻 坡流涂布時，其橫向均勻度依靠模具的均流分布作用，加上加工精度的保證；而其縱向均勻度，主要依靠供料精度和支持體的拖動精度來保證。3、 坡流涂布影響涂布質(zhì)量的變數(shù) （1）影響涂布質(zhì)量的變數(shù)有以下四類十二種。 坡流涂布標(biāo)準(zhǔn)波形圖，見右圖坡流涂布力場區(qū)分和力的平衡：坡流涂布力場可分即（1）重力場區(qū)。（2

6、）過渡轉(zhuǎn)移區(qū)。（3）液橋區(qū)。（4）薄膜帶入形成區(qū)。四個區(qū)域，見下圖：三相線：臨界涂布速度取決于三相線處各種力的平衡，只有A點在壓力場平衡狀態(tài)下，產(chǎn)品才能保證涂好。（2）關(guān)于液橋處作用力的平衡（3）液橋的穩(wěn)定和液橋高度 液橋是坡流涂布真正的核心。 液橋臨界層接觸長度是決定參數(shù)，而臨界層長度L與坡流涂布的液橋（國外稱涂珠coating bead）高度Lb之間有密切關(guān)系。 下圖為是一個給定了控制體積的液橋。（4）液橋區(qū)產(chǎn)生渦流的影響因素和看法傾斜角傾斜角（）（）30間隙寬度HG（m）350壓力差p（Pa）500涂層厚度H（m）30-70-110粘度（mPas）1-3-10-30-100支持體速度U(

7、m/s)1-2-3表面張力（mN/m）15-40-65圖圖U（m/s）H（m）（mPas）HG（m）p（Pa）Lb（mm）Ca/Ca主要主要影影響因素響因素a0.610082002001.61.31b0.210082002001.80.53U低c0.6275820020011.10.79H大d0.610052002002.61.05小e0.610085002003.01.31HG大f0.610082005002.91.31p大（5）關(guān)于溢流 在發(fā)生溢流的涂布試驗中，部分涂液沒有被支持體攜帶走，而是漏進(jìn)了負(fù)壓箱，或者自液橋邊緣流出。 當(dāng)模具唇口端面特別短，或者切削得很銳時，也易造成溢流。4、坡流

8、涂布的適涂能力極限 坡流涂布的適涂能力極限有兩方面，一是當(dāng)涂布濕厚度小于某一值時，涂布質(zhì)量受損，涂布過程無法繼續(xù)進(jìn)行，稱為低流量極限；二是當(dāng)涂布速度增大到某值，涂布質(zhì)量急劇惡化，涂布過程不能繼續(xù)進(jìn)行，稱為高速極限。粘度、速度和間隙對最小厚度a的影響，見下表：指數(shù)變量指數(shù)變量cbUaGGutoff和Kendrick（1987）P=00.80.9小P=50Pa0.70.4小P=100Pa0.60.5小Garin和Vachagin(1972)低P0.10.50.3高P0.71.01.1Tallmadge(1979)無負(fù)壓0.50.30.40.15幾位科學(xué)家對涂布速率極限值UAE進(jìn)行了試驗研究，推導(dǎo)出

9、如下關(guān)系式：UAE=-b-a，并給出了a、b值，見下表：abBurley和Kennedy(1976)0.3350.67Gutoff和Kendrick(1982)0.67Bracke、De voeght和Joos(1989)1.01.05、坡流多層涂布中層間某些物理量的匹配問題（1）粘度和流量流速坡流面單層流動，見下圖：多層涂布時各層流速分布，見下圖：（2）表面張力方面 為了在多層體系中容易形成正確的表面張力梯度，其表面張力范圍設(shè)計得寬一些，要好掌握一些。如一個七層的產(chǎn)品，其最上層2829mN/m，最下層35mN/m，梯度達(dá)67mN/m，就比梯度34mN/m時好調(diào)控。6、多層涂布和運載涂層（Ca

10、rrier Coatings） 多層涂布工藝的UAE由潤濕支持體的涂層粘度確定。因此可以在其它涂層下引入一個附加層，來大大地拓寬坡流涂布工藝的可操作性極限值。一般將這個附加層稱作運載層，相對來說，該層應(yīng)該比較薄，粘度較低，易潤濕支持體并且能提高UAE。7、涂布窗（C.W） C.W是涂布窗的英文縮寫字頭。它是能進(jìn)行穩(wěn)定、連續(xù)、均勻涂布的參數(shù)范圍。可操作窗主要取決于涂布產(chǎn)品的要求。下圖用H和之間的曲線圖表明坡流涂布過程實際的物理學(xué)關(guān)系：其中（a）半對數(shù)尺上涂層厚度與粘度；（b）對數(shù)尺上涂層厚度與支持體速度U。下圖是H、和HG為恒定值時，用PU曲線圖確定可涂布范圍的一個例子。坡流涂布工藝操作窗示意圖

11、，見下圖：采用甘油水溶液的一組操作窗實例：下圖為體積流量/單位寬度Q的影響： 液橋負(fù)壓值的影響，見下圖：涂布間隙Hgap的影響，見下圖：應(yīng)用角，或沖擊角的影響，見下圖：粘度的影響，見下圖：載層（carrier layer）的影響，見下圖：8、關(guān)于涂布模具設(shè)計和使用方面的問題 （1）涂層橫向厚度均勻性 橫向厚度均勻性，影響的因素很多，重要的是下面三項參數(shù)： 操作狀況； 流體特性； 幾何參數(shù)；（2）影響涂布模具的均流分布的因素 腔體方面的作用：擴(kuò)大腔體的容積，可提高大腔體的窄縫出流的均勻性，在保證涂液在腔體中有適當(dāng)?shù)南嗤瑴魰r間的前提下，適當(dāng)增加腔體截面積，是提高涂布橫向均勻度行之有效的方法；右圖

12、為坡流涂布模具幾何結(jié)構(gòu)示意。計量狹縫（metering slot）的作用 當(dāng)沿X方向長度固定的情況下，一般說均流所需要的間隙高度（即沿Y方向高度），與入流分布條件及間隙寬度有關(guān)，參見右表：阻流間隙加工誤差對橫向均勻度的影響 分配腔在均流分布中起到初步均化的作用，是否采用變截面腔體須因需要而定。雙腔體模具多可采用等截面的形式。適當(dāng)增加腔體截面積有利于均化。阻流間隙是模具均流的最后關(guān)口，在保證狹縫加工精度的前提下，適當(dāng)增大縫隙寬度和選擇縫隙的高度，是保證均流分布的關(guān)鍵。附：國外某涂布模具制造公司的模具加工精度指標(biāo) 阻流間隙平面的平直度 有效值1m 計量間隙平面的平直度 有效值0.5m 表面質(zhì)量、內(nèi)

13、部 研磨、拋光 Ra，max=0.05m Rt，max=0.8m（3）腔體形狀和進(jìn)料配置涂布模具的通用形狀，見下圖：單片開槽后應(yīng)力不平衡又會因槽深影響保溫孔的布置，還有一點就是為了流動無死角，腔體必須安排在坡流下側(cè)的堰板上，見左下圖；在兩塊堰板相鄰處設(shè)置腔體，由于是對稱開槽，應(yīng)力也對稱，對保持形狀有利，并容易布置保溫孔，見右下圖。腔體截面形狀見下圖：（4）可變的涂布寬度商業(yè)上也許會有使用相同的模具涂布不同寬度支持體的需要，這時只有改變腔體（分配腔和副腔）限流狹縫（出口間隙）沿X方向的長度才能實現(xiàn)。對腔體來說，是使用嵌入物俗稱膠塞來實現(xiàn)的，膠塞形狀見下圖：（5）如何防止模具變形 變形的根本原因是

14、涂布模具的熱脹冷縮。 國外防止模具變形的做法。 模具出現(xiàn)變形后的處理。三、條縫涂布(slot coating)或擠壓涂布(extrusion coating) 將涂布低粘度涂液、涂液潤濕上下唇口端面、涂量又較小的模式稱為條縫涂布；將涂布高粘度涂液（通常為高聚物）、涂液不潤濕唇口端面、涂量又較大的模式，稱為擠壓涂布。1、條縫或擠壓涂布模具結(jié)構(gòu)特點 從涂液均流分布的原理來說，條縫和擠壓模具與坡流模具相比，是有相通之處，因此也具有分配腔、阻流間隙、副腔、出口間隙這些構(gòu)造，外形上是不同的。 條縫涂布模具，見右圖： 擠壓涂布模具和雙腔真空盒，見右圖；2、涂布方法的描述 區(qū)分條縫涂布與擠壓涂布的差別，就在

15、于擠壓涂布的涂布液是以帶狀離開模具唇口并且不潤濕唇口端面，見右圖：唇口的傾斜或偏置有利于非常薄的涂布，尤其是在附有真空盒的系統(tǒng)中，見下圖：條縫涂布是可以應(yīng)用在沒有背輥（或支撐物）的支持體上的，見下圖：3、與條縫涂布工藝有關(guān)的問題（1）出口間隙寬度 （2）條縫涂布間隙 涂布間隙受片幅的張力及剛性、涂布頭伸入正常片路的深度、涂布頭和片幅的角度以及流速的控制。用潤滑理論很容易地說明涂布間隙是最終濕厚度的2倍。 因為涂布厚度與涂布間隙有關(guān)，我們傾向于用較小的涂布間隙涂布薄的涂層。（3）條縫涂布的角度和應(yīng)用 條縫式落簾涂布時，其條縫模具唇口是垂直朝下的；用于PET薄膜生產(chǎn)鑄片（厚片）的模具，和用于涂塑紙

16、基涂塑（PE）的模具，它們的唇口也是垂直朝下的。（4）條縫涂布器和坡流涂布器差別的解釋 條縫涂布和坡流涂布中液橋的流動特性，見右圖： 注：A 薄層涂布；B 厚層涂布（5）條縫涂布中產(chǎn)生渦流的一些情況在有些流動中渦流的形成，見下圖：在條縫涂布頭唇部形成的渦流，見下圖：（6）條縫涂布的涂布極限 條縫涂布的涂布極限，可以用一個關(guān)于液橋真空與涂布速度的關(guān)系曲線來說明，見右圖：在條縫涂布中涂布間隙H對最小濕涂布厚度的影響，見下圖：注：粘度50 mPas，條縫寬250m，=0，=最大涂速條縫涂布中臨界毛細(xì)準(zhǔn)數(shù)Ca和間隙H的函數(shù)關(guān)系，見下圖：高毛細(xì)準(zhǔn)數(shù)a下條縫擠壓涂布無因次最小濕厚度（t/G），見下表：粘度

17、（粘度（mpa.s）間隙（間隙（m）2003005001000100.610.550.41b500.700.700.65b3500.670.710.660.7010000.650.700.650.72四、落簾涂布 1、落簾涂布發(fā)展概況 最早工業(yè)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)于Taylor(1903)發(fā)表的一篇德國專利中。 直到上世紀(jì)60年代，這種技術(shù)才首次用于涂布片狀物和單頁。兩種形成落簾的設(shè)備，左下圖溢流堰型落簾咀，右下圖槽孔型落簾咀。落簾涂布咀：左下圖是狹縫供料型落簾涂布咀，右下圖是傾斜方向相反的滑動型落簾咀。落簾涂布咀：下圖的涂布咀，是狹縫供料型落簾涂布咀和傾斜方向相反的滑動型落簾咀兩個涂布咀的結(jié)合。落簾涂布

18、咀：下圖是一個早期坡流型落簾涂布咀： 注：1. 供料管 2. 均流腔 3. 限流狹縫 4. 坡流面5. 拉伸的弧面 6. 邊緣導(dǎo)桿 7. 唇口 8. 唇下方9. 空氣折流板 10. 起動收集盤2、落簾涂布的特點 有兩個顯著特點： 一是涂層?。?二是涂布速度快。3、工藝描述條縫式落簾一次最多涂3層，見左下圖；坡度式落簾一次可涂10層以上，見右下圖：落簾的流動分成四個區(qū)域，即簾形成區(qū)、簾流動區(qū)和沖擊區(qū)，這些區(qū)域是所有類型落簾涂布設(shè)備所共有的。見下圖：（1）簾形成區(qū)落簾流體偏移：下圖為不同流速下的落簾流體偏移。接觸線的遷移和遲滯，見下圖：（2）液簾的流動區(qū) 在成功的落簾涂布工藝中，影響自由下落簾流動

19、的最大因素是液簾落到支持體上的最終速度。（3）沖擊區(qū)域沖擊區(qū)域的流動是落簾涂布的核心，其剖面像只腳，并有一個踵部，見下圖： 雷諾數(shù)大或速率度比低，能促使動態(tài)潤濕線向上和踵部形成明顯；Re數(shù)小或U/V比值大時，動態(tài)潤濕線向下，可形成拽拉的落簾。參見右圖：對于Ca=100時的踵部形成和拽拉膜現(xiàn)象注：（a）U/V=1； （b）Re=2.54.某些干擾對落簾的影響落簾的穩(wěn)定性：水球穩(wěn)定性分析的依據(jù)是自由邊緣是簡單的沖量平衡。下落液簾斷裂產(chǎn)生的自由邊緣上的作用力，見下圖：對支持體上不均勻的靜電荷分布，落簾涂布的均勻性要優(yōu)于坡流涂布，見左下圖： 注：右圖為在空氣墊的支持體上的落簾涂布5.落簾涂布特殊的附件

20、和要求（1）沖擊角。見下圖：（2）邊導(dǎo)桿 下圖為一種設(shè)計新穎的邊導(dǎo)桿示意圖：下圖為裝有邊導(dǎo)桿的落簾涂布頭局部：（3）折流板和抽氣罩 折流板的結(jié)構(gòu)簡單，就是若干塊一端彎曲的長板，以與支持體較小的間距，固定在沖擊點前支持體上方，以減小空氣滯留層的壓力，減小對落簾沖擊區(qū)的干擾。更積極的辦法，是在沖擊區(qū)前設(shè)置抽氣罩。幾種不同抽氣罩或折流裝置：（a），見下圖：幾種不同抽氣罩或折流裝置：（b），見下圖：幾種不同抽氣罩或折流裝置：（c），見下圖：（4）落簾涂布的啟動系統(tǒng) 第一種：涂布軸和接液槽不動，擁有自身輔助部件的涂布咀裝在可前后移動的工作臺上。涂液在坡流面上鋪展準(zhǔn)備好后，工作臺前進(jìn)到涂布位置，涂布頭鎖定