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全面了解涂布設備的涂布方式

NEWS | 2024/08/30 作者：未知分享

涂布加工工藝的核心是涂布方法的選擇，而且目前有上百種不同的涂布方法在工業(yè)領(lǐng)域得到實際應用。這充分說明沒有一種涂布方法是萬能的，只有根據(jù)各行業(yè)各個產(chǎn)品特性及應用要求各自選擇相應的最佳涂布方法。

1、浸漬涂布法

浸漬涂布法是早期得到較為廣泛應用的一種涂布方法，由于其設備結(jié)構(gòu)簡單。易于得到推廣應用。早在19世紀末，浸漬涂布和掛桿干燥就用于連續(xù)生產(chǎn)照相紙。浸漬涂布法用不同涂料生產(chǎn)可不同的涂布紙，如浸漬瀝青生產(chǎn)油氈紙；浸漬樹脂生產(chǎn)容器紙板、印刷線路用紙板；浸漬偏二氯乙烯乳液生產(chǎn)防潮紙等。浸漬涂布過程中涂料溶劑的揮發(fā)、涂膜的不均勻、液掛現(xiàn)象都會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

浸漬涂布方法的原理如圖所示。被涂基材1繞經(jīng)涂布輥3進入涂布液槽4與涂布液2接觸，涂料就隨著向上拉出而附著于其表面形成涂層。

浸漬涂布工作原理

早在20世紀50年代，勃·弗·杰良金等人，曾對浸漬涂布過程液體黏度、表面張力與被涂支持體運動速度等因素對涂布量的影響進行了深入研究，最后建立了以下關(guān)系式：

杰良金等人的研究為浸漬涂布奠定了理論基礎(chǔ)。從上述關(guān)系式中可以看出，涂層厚度與涂料的黏度和被涂支持體拉出的速度成正比，即涂布車速越快、涂液黏度越大，則涂層越厚。顯然，對特定涂布液料和涂層厚度要求的產(chǎn)品來說，要通過提高車速來提高生產(chǎn)效率，無疑受到很大限制。早先照相行業(yè)應用浸漬涂布方法時的涂布車速很難超過20m/min。

2、氣刀涂布法

氣刀涂布法的原理如圖所示。被涂支持體1經(jīng)壓紙輥2后由涂布輥3帶上涂料槽4中的料液，經(jīng)過背輥5處由氣刀6噴射出的氣流將過量的涂料吹落在收集槽7中。回流的涂料在收集槽中經(jīng)氣液分離后，可送回涂料槽中循環(huán)使用。氣刀涂布的涂布質(zhì)量與氣刀噴射氣流分布均勻性及穩(wěn)定性直接有關(guān)，即與氣刀的結(jié)構(gòu)設計及加工精度密切相關(guān)。氣刀涂布的涂布量，與氣刀射出的氣流壓力、噴射角度及與原紙之間的距離有關(guān)，這些也是實際操作中可適當調(diào)控的工藝參數(shù)。

氣刀涂布工作原理

氣刀涂布的適應范圍較廣，即在相對寬廣的涂料固含量、涂料黏度以及涂布車速下，獲得較高的涂層質(zhì)量。典型的氣刀涂布運行參數(shù)條件為:
涂料固含量<50%;
涂料黏度50~500MPa·s;
涂布車速30~500m/min;

涂布量<30g/m。

用于氣刀涂布機的涂料固含量較低，對原紙的濕強度有較高的要求，干燥部的負荷也較大，同時限制了車速的進一步提高。氣刀涂布紙的涂層保留原基材表面的輪廓，因此要求原紙的平滑度不能太低。氣刀涂布機車速較高時，隨著氣刀風壓增高、風量增大，飛漿的問題將會變得嚴重，因此回流槽設計應合理。

氣刀涂布被廣泛應用于高級美術(shù)印刷紙、無碳復寫紙、重氮鹽紙、壓敏記錄紙、熱敏記錄紙、靜電復印紙、噴墨打印紙以及涂布板紙等多類產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)中。

3、刮刀涂布

刮刀涂布是用專門設置的刮刀除去多余的涂布液，以達到所要求的涂布量。相對于氣刀無接觸涂布。這是一種直接接觸涂布方法，涂層有較高的平整度，其涂層表面不受被涂支持體原有表面粗糙度的影響。

一種斜角鋼片柔性刮刀涂布工作原理

柔性刮刀涂布的車速可以達到30~800m/min，涂料固含量可高達50%~60%。黏度也可高達1000MPa·s，涂布量可在6~30g/m2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，工藝適應范圍較廣。

柔性刮刀材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，厚度為0.3~0.6mm，寬度為100mm左右。刮刀與背輥的接觸角及接觸壓力均可進行調(diào)節(jié)控制。由于刮刀在高車速下與被涂物料直接接觸，因此很容易造成磨損，而必須適時更換。另外，刮刀與涂布物料間易有異物積累，形成涂布條道弊病，因此必須經(jīng)常保持刮刀處的清潔。

刮刀涂布的最大優(yōu)點是表面有良好的平滑度，但隨著車速的提高，刮刀對紙的應力增大，運行性能受到限制。薄膜涂布(輥涂)大大減少涂布應力，缺點是涂布量大于9~10g/m²時易發(fā)生橘皮結(jié)構(gòu)和細小顏料的飛濺。

刮刀涂布從20世紀50年代到目前為止，經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，車速從當初的200~300m/min已升至目前的2800m/min，涂布幅寬可達 10m。

4、刮輥涂布

刮輥涂布工作原理如圖所示，旋轉(zhuǎn)的金屬刮輥將多余的涂料刮下，以達到所需的涂布量。金屬刮輥的直徑為10mm左右，由微型電機帶動做主動運轉(zhuǎn)，通常以10~20r/min的固定速度旋轉(zhuǎn)其旋轉(zhuǎn)既可與被涂物料同一方向，也可以反向。當刮輥與被涂物料運行呈相反方向時，更有利于對涂層起裝飾作用。

刮輥涂布工作原理

另有一種稱為鋼絲刮輥，即在金屬刮輥上緊密纏繞直徑為0.1~0.15mm 的不銹鋼絲而成。實際操作中可根據(jù)不同涂料特性，不同涂層量要求及不同車速選用不同直徑纏繞的鋼絲刮輥。

鋼絲刮刀輥工作原理

刮輥涂布的車速適合于低黏度、低涂布量時選用，其車速范圍較廣，可以從每分鐘幾十米到每分鐘上千米。涂布厚度主要取決于繞線頂部之間的空間，即取決于纏繞不銹鋼絲的粗細涂布厚度為0.21r，此處r為繞線直徑。但是流體的流變性、涂布片幅速度和張力、刮輥轉(zhuǎn)動的方向和速度都影響平均厚度。

5、輥式涂布

輥式涂布是指至少由涂布輥和計量輥2個輥以上組成的自行定量涂布方法。根據(jù)不同輥數(shù)和組合方法不同，可以形成幾十種不同的輥涂方法。這里簡單介紹雙輥涂布、三輥涂布及逆轉(zhuǎn)輥涂布三種涂布方法。

雙輥涂布工作原理如下圖所示，涂布輥從涂料槽中帶上涂料，將部分涂料轉(zhuǎn)移給運行至涂布輥和背輥間隙處的被涂基材。被涂基材帶走的涂料以及涂層表面狀態(tài)取決于被涂基材和涂布輥的相對速度、涂布輥與背輥之間的間隙、涂料的黏度和潤濕特性等因素。

雙輥涂布工作原理

下圖所示為三輥涂布的一種形式，涂布輥將涂料從料盤中帶到轉(zhuǎn)移輥上，然后由轉(zhuǎn)移輥轉(zhuǎn)移到被涂基材的物體表面。通過調(diào)整各輥運轉(zhuǎn)的線速度及背棍與轉(zhuǎn)移輥之間的間隙（或壓力），即可調(diào)節(jié)涂布量。

逆轉(zhuǎn)輥涂布可以有三輥逆轉(zhuǎn)和四輥逆轉(zhuǎn)等多種方式。如圖所示為逆轉(zhuǎn)輥涂布的工作原理，帶上涂料的涂布料輥1與定量輥2及背輥3三個輥子表面均做逆向運動，故稱之為逆轉(zhuǎn)輥涂布。定量輥2將整飾定量的涂料轉(zhuǎn)移給經(jīng)由背輥3和涂布輥之間通過的被涂基材。定量涂布輥的帶料量既受定量輥與涂布輥之間間隙的影響，同時還受涂布輥與定量輥線速度的影響。而由涂布輥轉(zhuǎn)移到被涂基材上的實際涂布量還受到涂布輥線速度與被涂基材運行速度比的影響。逆轉(zhuǎn)輥涂布工藝調(diào)節(jié)范圍大，所以能適合水性及溶劑型各類涂料的涂布。涂料的黏度范圍100~1500MPa·s，涂布量也可從25g/m2至300g/m2，可應用領(lǐng)域較廣。

逆輥涂布工作原理

6、凹版涂布

凹版涂布是應用凹版膠印原理而設計的一種涂布方法，其也可有二輥、三輥、四輥凹版輥涂布方法。凹版輥的表面雕刻有各種凹形網(wǎng)紋，如下圖所示，用以容納一定量的涂料。涂布時，凹版輥1從涂料槽中帶上涂料，經(jīng)刮刀除去凹版輥表面多余的涂料后將剩余在凹紋內(nèi)的定量涂料轉(zhuǎn)移到繞經(jīng)背輥2的被涂基材3上。通常背輥表面均包覆有相當硬度的橡膠層。涂布時與涂布輥壓緊形成一定的線壓力，以使凹版網(wǎng)點內(nèi)的涂料能轉(zhuǎn)移到被涂基材上。顯然，涂布量取決于凹版輥網(wǎng)點的圖形及其雕刻深度。在涂料含固量固定的情況下，選用合適網(wǎng)點的凹版輥，就能得到所需的涂布量。涂膜層的表觀質(zhì)量，很大程度上取決于涂料的黏度及流變特性。

二輥凹版涂布工作原理

幾種凹版輥的網(wǎng)紋圖

凹版涂布可用于涂布膠黏帶、磁帶、硅膠帶等產(chǎn)品。典型的工藝條件是：1~50um的涂層厚度，15~1500MPa·s的黏度，車速可高達600m/min。凹版涂布的主要優(yōu)點是可在高車速下得到很薄的涂層，其主要缺點是有時難以消除凹版輥的網(wǎng)紋。涂層的均勻性很大程度上取決于凹版輥凹紋內(nèi)的容積，一般凹版輥的涂布轉(zhuǎn)移量約為其容積的60%。

7、條縫涂布和擠壓涂布

條縫涂布和擠壓涂布的基本工作原理如圖所示，涂料由專門的供料裝置送入涂布模頭的分液腔后經(jīng)阻流狹縫流出形成涂布液橋，然后轉(zhuǎn)移到移動的被涂支持體上。條縫涂布時涂液的黏度和毛細管力占主導因素，涂布模頭和支持體之間的間隙很小，通常為濕涂布厚度的2~10倍。而在擠壓涂布的情況下，涂布間隙為濕涂布厚度的100倍以上。條縫涂布與擠壓涂布流出液膜的彎月面狀態(tài)也各不相同。擠壓涂布更適合高黏度液體及高分子熔融體的涂布。

條縫涂布和擠壓涂布工作原理

條縫涂布和擠壓涂布不同工作狀態(tài)

條縫涂布和擠壓涂布的涂布量取決于供液量和支持體的運行速度。涂布間隙的大小在保證涂布液橋穩(wěn)定的前提下盡可能大些，以防止各種塵埃雜質(zhì)的滯留積累造成涂布條道弊病甚至撕斷運行的支持體。在涂布模頭下面設置真空負壓裝置有助于在適當擴大間隙的情況下，保持液橋的穩(wěn)定。條縫涂布和擠壓涂布既可以是單層涂布，也可以用于多層涂布。

條縫涂布還可以實現(xiàn)條幅型和間歇型特定的非連續(xù)性涂布，如下圖所示，以適應一些高附加值產(chǎn)品的特殊要求。例如應用于染料熱轉(zhuǎn)移打印的RGB(紅、綠、藍)的卷狀色帶，就是三種顏色以一定間距豎向并行排列，而燃料電池的隔膜以及薄膜電池的電極，則呈間歇型排列，以適應工業(yè)化組裝的要求。

實施條幅涂布方法，是在涂布模頭內(nèi)涂液流動通道中安置相應的阻塞片，阻止這部分涂液的流出，形成涂布空白區(qū)。間歇涂布則主要借助于涂液供料系統(tǒng)的開啟/關(guān)閉，以精確控制其涂布長度及間隔距離。

8、多層坡流涂布

多層坡流涂布工作原理如下圖所示。被涂液體從涂布模頭的條縫中流出后沿坡流面向下流動，然后在涂布輥與坡流涂布模頭間隙處形成液橋，并被運行的基材帶走。多層涂布時，從每個條縫中流出的液體流經(jīng)自身的坡流面后，就鋪展在下一層坡流面的液面上，層層疊加。顯然，保證多層疊加的液流處于穩(wěn)定的層流狀態(tài)而不產(chǎn)生紊流，是保證多層涂布質(zhì)量的必要條件。從模頭結(jié)構(gòu)設計來說，條縫前后隔板出口的倒角、涂布唇片的形態(tài)，對多層涂布的質(zhì)量十分重要。而從涂液物化性能來說，其表面張力、黏彈性、比重等參數(shù)，必須與涂布車速、涂布量、涂布層數(shù)、涂布間隙、負壓大小等工藝條件相適應。

多層坡流涂布工作原理

多層坡流涂布于20世紀50代由伊斯曼柯達公司申請專利，應用于多層彩色感光材料的生產(chǎn)。一次多層涂布的層數(shù)可多至10層，涂布總厚度可從幾μm至幾十μm，而其中最薄的干厚度可以薄至1μm左右。應該說，多層坡流涂布技術(shù)的開發(fā)與應用，對多層、薄層彩色感光材料的發(fā)展起了巨大的推動作用。

9、落簾涂布

落簾涂布技術(shù)最早曾應用于夾心巧克力生產(chǎn)和紙板加工領(lǐng)域，但多為單層涂布。直到1970年由伊斯曼柯達公司科研人員在多層坡流涂布基礎(chǔ)上發(fā)展成為多層落簾涂布技術(shù)。多層液流的疊加、鋪展流動與多層坡流涂布相同，不同的是液流離開涂布模頭唇口后，垂直自由落下形成幕簾。最后涂覆在移動的基材上。液簾落下時，寬度方向的兩側(cè)由導流板保持液簾寬幅方向的穩(wěn)定。為了防止支持體高速運行時所帶動的氣流影響液簾與支持體之間液橋的穩(wěn)定狀態(tài)，在支持體進入涂布區(qū)之前，需用隔板盡可能地阻止氣流進入涂布區(qū)形成干擾。

多層落簾涂布工作原理

落簾涂布為非接觸式涂布，因此可以在不規(guī)則表面的支持體上獲得均勻的涂層。由一定高度形成加速度下落到被涂支持體上的落簾涂布，為保持從模頭落下的液簾不斷流，必須保證足夠的涂液流量，這就要求實現(xiàn)足夠高的涂布速度。Hughes 最初在落簾涂布專利申請中提出的多層落簾涂布工藝條件為:

涂布速度0.75~10m/s；

總涂布量13.8~233.5g/m2；

最底層涂液黏度4~80MPa·s；

幕簾高度5~20cm。

近年來有資料推薦落簾涂布的適合工藝條件為涂布速度2~20m/s，濕膜總厚度5μm，濕膜單層厚度小于1μm，體積流量/涂布寬度>1.0cm3/s·cm，剪切黏度10~5000MPa·s，表面張力(動態(tài))<40mN/m，可一次同時涂布層數(shù)>10 層。這些數(shù)據(jù)主要是針對坡流式落簾涂布而言，對電子行業(yè)中印刷電路板和彩鋼板的涂布，則情況有所不同。

10、旋轉(zhuǎn)涂布

旋轉(zhuǎn)涂布是借助于高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，將加注于支持體表面的液料進行鋪展，形成所需厚度的涂層。支持體的旋轉(zhuǎn)速度可以從幾百轉(zhuǎn)/分至上萬轉(zhuǎn)/分內(nèi)進行調(diào)控。在應用較低黏度和固含量的涂液進行涂布時，其涂層厚度可從幾十納米至幾微米，厚度均勻性可達百米至幾微米，厚度均勻性可達百分之一。

旋轉(zhuǎn)涂布工作原理

旋轉(zhuǎn)涂布常用于各種聚合物溶液的涂布，涂層的厚度取決于涂液的黏度(固含量)、旋轉(zhuǎn)速度、涂液溶劑的揮發(fā)速度等因素。B.T.Chen提出了以下關(guān)系式:

從上述關(guān)系式中可以看出，在涂布液黏度、溶劑蒸發(fā)速度相同的情況下，旋轉(zhuǎn)速度越高，則涂層厚度越薄。而在旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，涂液黏度低和蒸發(fā)速度慢，與涂液黏度高和蒸發(fā)速度快相比較，前者易于得到較薄的涂層。

旋轉(zhuǎn)涂布在電子信息工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應用，如半導體集成電路光刻膠的涂布、平面顯示器玻璃基板的涂布、光盤的涂布等。

通常旋轉(zhuǎn)涂布主要用于科研及較小尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)。專用的大型旋轉(zhuǎn)涂布設備也可在第5代液晶玻璃基板(尺寸1000mmx1250mm)上涂布光刻膠。但近年來隨著平板顯示器的不斷發(fā)展，液晶面板的尺寸越來越大。進入第6代(尺寸1500mmx1800mm)，已改用條縫方式涂布光刻膠。

法國原子能委員會的Belleville，Philippe F.等人曾開發(fā)了一種大型旋轉(zhuǎn)涂布設備，可以對1000mmx1700mmx20mm的大尺寸屏蔽窗玻璃進行防反射層的涂布涂層均勻性良好，極少出現(xiàn)厚邊現(xiàn)象，單面涂層的可見光漫反射達到1%。這種大尺寸旋轉(zhuǎn)涂布機的成功開發(fā)，進一步擴展了旋轉(zhuǎn)涂布的應用范圍。

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