涂布方式和涂布技術(shù)

涂布方式和涂布技術(shù)演示文稿當(dāng)前1頁，總共112頁。優(yōu)選涂布方式和涂布技術(shù)當(dāng)前2頁，總共112頁。涂布工藝技術(shù)培訓(xùn)講義

（第一部分）

第三章涂布技術(shù)主講人：李建平2009年9月25日當(dāng)前3頁，總共112頁。主要內(nèi)容一、浸沉涂布二、坡流涂布三、條縫涂布四、落簾涂布當(dāng)前4頁，總共112頁。一、浸沉涂布1、浸沉涂布（dipcoating）原理當(dāng)支持體與潤濕性涂液接觸時(shí)，因?yàn)槊?xì)壓力，在接觸處的涂液會(huì)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(shí)液體內(nèi)部壓強(qiáng)小于外部壓強(qiáng)。當(dāng)前5頁，總共112頁。2、涂液彎月面形成的形態(tài)當(dāng)前6頁，總共112頁。3、浸涂有關(guān)實(shí)驗(yàn)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：當(dāng)前7頁，總共112頁。（2）粘度的因素

粘度與涂層厚度關(guān)系，見下圖；當(dāng)前8頁，總共112頁。（3）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。當(dāng)前9頁，總共112頁。4、浸沉涂布的缺點(diǎn)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。當(dāng)前10頁，總共112頁。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.涂布軸當(dāng)前11頁，總共112頁。1、坡流涂布模頭的構(gòu)造（1）涂布模頭——涂層數(shù)一個(gè)坡流涂布模頭由幾塊堰板組成，原則上一個(gè)堰板對應(yīng)一個(gè)涂層，這幾塊堰板安裝成一傾斜的滑動(dòng)面。通常，各堰板幾乎是相同的長方形塊。當(dāng)前12頁，總共112頁。（2）限流（出口）狹縫

限流狹縫出口形狀，見下圖：當(dāng)前13頁，總共112頁。（3）涂布應(yīng)用角α當(dāng)前14頁，總共112頁。（4）滑板傾斜角β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(gè)范圍內(nèi)幾個(gè)角度的變化不會(huì)造成較大的影響。當(dāng)前15頁，總共112頁。（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3～6cm。涂布幅度越寬，制造滑板盡可能短的涂布模頭就越困難。當(dāng)前16頁，總共112頁。（6）間隙寬度HG安裝涂布頭時(shí)應(yīng)使之靠近支持體，在實(shí)際涂布過程中，模具唇口與支持體之間的間隙寬度范圍為0.1～0.5mm，以0.2～0.4mm較為理想。當(dāng)前17頁，總共112頁。（7）涂布模頭唇口端面（DieFace）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(dòng)參數(shù)。涂布唇口端面與支持體之間的夾角γ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。當(dāng)前18頁，總共112頁。（8）負(fù)壓箱涂布模具與涂布輥的下方設(shè)置一個(gè)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。當(dāng)前19頁，總共112頁。2、在感光材料行業(yè)中涂布工程的目標(biāo)（1）實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)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(diǎn)，恰好可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。當(dāng)前20頁，總共112頁。（1）實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)量涂布當(dāng)前21頁，總共112頁。（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。當(dāng)前22頁，總共112頁。（3）薄層涂布坡流涂布能涂薄層的原因，還是因?yàn)樗坎歼^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?yàn)橛绊懲坎剂康氖巧蠌澰旅媲拾霃剑浒霃揭仓皇巧源笥贖G的1/2，也就是R2≌0.2mm。當(dāng)前23頁，總共112頁。（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(yàn)。當(dāng)前24頁，總共112頁。（5）涂布均勻坡流涂布時(shí)，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(dòng)精度來保證。當(dāng)前25頁，總共112頁。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，見右圖當(dāng)前26頁，總共112頁。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）過渡轉(zhuǎn)移區(qū)。（3）液橋區(qū)。（4）薄膜帶入形成區(qū)。四個(gè)區(qū)域，見下圖：當(dāng)前27頁，總共112頁。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(diǎn)在壓力場平衡狀態(tài)下，產(chǎn)品才能保證涂好。當(dāng)前28頁，總共112頁。（2）關(guān)于液橋處作用力的平衡當(dāng)前29頁，總共112頁。（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Lδ與坡流涂布的液橋（國外稱涂珠coatingbead）高度Lb之間有密切關(guān)系。下圖為是一個(gè)給定了控制體積的液橋。當(dāng)前30頁，總共112頁。當(dāng)前31頁，總共112頁。（4）液橋區(qū)產(chǎn)生渦流的影響因素和看法傾斜角β（°）30間隙寬度HG（μm）350壓力差△p（Pa）500涂層厚度H∞（μm）30-70-110粘度μ（mPa·s）1-3-10-30-100支持體速度U(m/s)1-2-3表面張力σ（mN/m）15-40-65當(dāng)前32頁，總共112頁。當(dāng)前33頁，總共112頁。圖U（m/s）H∞（μm）μ（mPas）HG（μm）△p（Pa）Lb（mm）Ca/Ca主要影響因素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大當(dāng)前34頁，總共112頁。（5）關(guān)于溢流在發(fā)生溢流的涂布試驗(yàn)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(shí)，也易造成溢流。當(dāng)前35頁，總共112頁。4、坡流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(shí)，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。當(dāng)前36頁，總共112頁。粘度、速度和間隙對最小厚度a的影響，見下表：指數(shù)變量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)無負(fù)壓0.50.3～0.4－0.15當(dāng)前37頁，總共112頁。幾位科學(xué)家對涂布速率極限值UAE進(jìn)行了試驗(yàn)研究，推導(dǎo)出如下關(guān)系式：UAE=μ-bσ-a，并給出了a、b值，見下表：abBurley和Kennedy(1976)0.3350.67Gutoff和Kendrick(1982)－0.67Bracke、Devoeght和Joos(1989)1.01.0當(dāng)前38頁，總共112頁。5、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(dòng)，見下圖：當(dāng)前39頁，總共112頁。多層涂布時(shí)各層流速分布，見下圖：當(dāng)前40頁，總共112頁。（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(jì)得寬一些，要好掌握一些。如一個(gè)七層的產(chǎn)品，其最上層28—29mN/m，最下層35mN/m，梯度達(dá)6—7mN/m，就比梯度3—4mN/m時(shí)好調(diào)控。當(dāng)前41頁，總共112頁。6、多層涂布和運(yùn)載涂層（CarrierCoatings）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(gè)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(gè)附加層稱作運(yùn)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。當(dāng)前42頁，總共112頁。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?？刹僮鞔爸饕Q于涂布產(chǎn)品的要求。當(dāng)前43頁，總共112頁。下圖用H∞和μ之間的曲線圖表明坡流涂布過程實(shí)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μ；（b）對數(shù)尺上涂層厚度∞與支持體速度U。當(dāng)前44頁，總共112頁。下圖是H∞、μ和HG為恒定值時(shí)，用△P～U曲線圖確定可涂布范圍的一個(gè)例子。當(dāng)前45頁，總共112頁。坡流涂布工藝操作窗示意圖，見下圖：當(dāng)前46頁，總共112頁。采用甘油水溶液的一組操作窗實(shí)例：

下圖為體積流量/單位寬度Q的影響：當(dāng)前47頁，總共112頁。

液橋負(fù)壓值的影響，見下圖：當(dāng)前48頁，總共112頁。涂布間隙Hgap的影響，見下圖：當(dāng)前49頁，總共112頁。應(yīng)用角α，或沖擊角γ的影響，見下圖：當(dāng)前50頁，總共112頁。粘度μ的影響，見下圖：當(dāng)前51頁，總共112頁。載層（carrierlayer）的影響，見下圖：當(dāng)前52頁，總共112頁。8、關(guān)于涂布模具設(shè)計(jì)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(xiàng)參數(shù)：操作狀況；流體特性；幾何參數(shù)；當(dāng)前53頁，總共112頁。（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(shí)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；右圖為坡流涂布模具幾何結(jié)構(gòu)示意。當(dāng)前54頁，總共112頁。計(jì)量狹縫（meteringslot）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：當(dāng)前55頁，總共112頁。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。當(dāng)前56頁，總共112頁。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±1μm計(jì)量間隙平面的平直度

有效值±0.5μm表面質(zhì)量、內(nèi)部

研磨、拋光Ra，max=0.05μmRt，max=0.8μm當(dāng)前57頁，總共112頁。（3）腔體形狀和進(jìn)料配置

涂布模具的通用形狀，見下圖：當(dāng)前58頁，總共112頁。單片開槽后應(yīng)力不平衡又會(huì)因槽深影響保溫孔的布置，還有一點(diǎn)就是為了流動(dòng)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。當(dāng)前59頁，總共112頁。腔體截面形狀見下圖：當(dāng)前60頁，總共112頁。（4）可變的涂布寬度

商業(yè)上也許會(huì)有使用相同的模具涂布不同寬度支持體的需要，這時(shí)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(shí)現(xiàn)。對腔體來說，是使用嵌入物俗稱膠塞來實(shí)現(xiàn)的，膠塞形狀見下圖：當(dāng)前61頁，總共112頁。（5）如何防止模具變形變形的根本原因是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。當(dāng)前62頁，總共112頁。三、條縫涂布(slotcoating)或擠壓涂布(extrusioncoating)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。當(dāng)前63頁，總共112頁。1、條縫或擠壓涂布模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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。當(dāng)前64頁，總共112頁。條縫涂布模具，見右圖：當(dāng)前65頁，總共112頁。擠壓涂布模具和雙腔真空盒，見右圖；當(dāng)前66頁，總共112頁。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：當(dāng)前67頁，總共112頁。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：當(dāng)前68頁，總共112頁。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：當(dāng)前69頁，總共112頁。3、與條縫涂布工藝有關(guān)的問題

（1）出口間隙寬度當(dāng)前70頁，總共112頁。

（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?yàn)橥坎己穸扰c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。當(dāng)前71頁，總共112頁。（3）條縫涂布的角度和應(yīng)用條縫式落簾涂布時(shí)，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，和用于涂塑紙基涂塑（PE）的模具，它們的唇口也是垂直朝下的。當(dāng)前72頁，總共112頁。（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(dòng)特性，見右圖：注：A薄層涂布；B厚層涂布當(dāng)前73頁，總共112頁。（5）條縫涂布中產(chǎn)生渦流的一些情況

在有些流動(dòng)中渦流的形成，見下圖：當(dāng)前74頁，總共112頁。在條縫涂布頭唇部形成的渦流，見下圖：當(dāng)前75頁，總共112頁。（6）條縫涂布的涂布極限條縫涂布的涂布極限，可以用一個(gè)關(guān)于液橋真空與涂布速度的關(guān)系曲線來說明，見右圖：當(dāng)前76頁，總共112頁。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50mPa·s，條縫寬250μm，β=0，·=最大涂速當(dāng)前77頁，總共112頁。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：當(dāng)前78頁，總共112頁。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（mpa.s）間隙（μm）2003005001000100.610.550.41b500.700.700.65b3500.670.710.660.7010000.650.700.650.72當(dāng)前79頁，總共112頁。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。當(dāng)前80頁，總共112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。當(dāng)前81頁，總共112頁。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(dòng)型落簾咀。當(dāng)前82頁，總共112頁。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(dòng)型落簾咀兩個(gè)涂布咀的結(jié)合。當(dāng)前83頁，總共112頁。落簾涂布咀：下圖是一個(gè)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(dòng)收集盤當(dāng)前84頁，總共112頁。2、落簾涂布的特點(diǎn)有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是涂層??；二是涂布速度快。當(dāng)前85頁，總共112頁。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：當(dāng)前86頁，總共112頁。落簾的流動(dòng)分成四個(gè)區(qū)域，即簾形成區(qū)、簾流動(dòng)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：當(dāng)前87頁，總共112頁。（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。當(dāng)前88頁，總共112頁。接觸線的遷移和遲滯，見下圖：當(dāng)前89頁，總共112頁。（2）液簾的流動(dòng)區(qū)在成功的落簾涂布工藝中，影響自由下落簾流動(dòng)的最大因素是液簾落到支持體上的最終速度。當(dāng)前90頁，總共112頁。（3）沖擊區(qū)域

沖擊區(qū)域的流動(dòng)是落簾涂布的核心，其剖面像只腳，并有一個(gè)踵部，見下圖：當(dāng)前91頁，總共112頁。雷諾數(shù)大或速率度比低，能促使動(dòng)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(shí)，動(dòng)態(tài)潤濕線向下，可形成拽拉的落簾。參見右圖：對于Ca=100時(shí)的踵部形成和拽拉膜現(xiàn)象注：（a）U/V=1；（b）Re=2.5當(dāng)前92頁，總共112頁。4.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：當(dāng)前93頁，總共112頁。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當(dāng)前94頁，總共112頁。5.落簾涂布特殊的附件和要求

（1）沖擊角。見下圖：當(dāng)前95頁，總共112頁。（2）邊導(dǎo)桿

下圖為一種設(shè)計(jì)新穎的邊導(dǎo)桿示意圖：當(dāng)前96頁，總共112頁。下圖為裝有邊導(dǎo)桿的落簾涂布頭局部：當(dāng)前97頁，總共112頁。（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(diǎn)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。當(dāng)前98頁，總共112頁。幾種不同抽氣罩或折流裝置：（a），見下圖：當(dāng)前99頁，總共112頁。幾種不同抽氣罩或折流裝置：（b），見下圖：當(dāng)前100頁，總共112頁。幾種不同抽氣罩或折流裝置：（c），見下圖：當(dāng)前101頁，總共112頁。（4）落簾涂布的啟動(dòng)系統(tǒng)第一種：涂布軸和接液槽不動(dòng)，擁有自身輔助部件的涂布咀裝在可前后移動(dòng)的工作臺(tái)上。涂液在坡流面上鋪展準(zhǔn)備好后，工作臺(tái)前進(jìn)到涂布位置，涂布頭鎖定。第二種：涂布咀、抽氣罩和接液槽