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全面了解涂布設(shè)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(shí)際應(yīng)用。這充分說(shuō)明沒(méi)有一種涂布方法是萬(wàn)能的，只有根據(jù)各行業(yè)各個(gè)產(chǎn)品特性及應(yīng)用要求各自選擇相應(yīng)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(yīng)用的一種涂布方法，由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。易于得到推廣應(yīng)用。早在19世紀(jì)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(shù)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(guò)程中涂料溶劑的揮發(fā)、涂膜的不均勻、液掛現(xiàn)象都會(huì)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(jìn)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(jì)50年代，勃·弗·杰良金等人，曾對(duì)浸漬涂布過(guò)程液體黏度、表面張力與被涂支持體運(yùn)動(dòng)速度等因素對(duì)涂布量的影響進(jìn)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(duì)特定涂布液料和涂層厚度要求的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，要通過(guò)提高車速來(lái)提高生產(chǎn)效率，無(wú)疑受到很大限制。早先照相行業(yè)應(yīng)用浸漬涂布方法時(shí)的涂布車速很難超過(guò)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(guò)背輥5處由氣刀6噴射出的氣流將過(guò)量的涂料吹落在收集槽7中?；亓鞯耐苛显谑占壑薪?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(shè)計(jì)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(shí)際操作中可適當(dāng)調(diào)控的工藝參數(shù)。

氣刀涂布工作原理

氣刀涂布的適應(yīng)范圍較廣，即在相對(duì)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(yùn)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(jī)的涂料固含量較低，對(duì)原紙的濕強(qiáng)度有較高的要求，干燥部的負(fù)荷也較大，同時(shí)限制了車速的進(jìn)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(jī)車速較高時(shí)，隨著氣刀風(fēng)壓增高、風(fēng)量增大，飛漿的問(wèn)題將會(huì)變得嚴(yán)重，因此回流槽設(shè)計(jì)應(yīng)合理。

氣刀涂布被廣泛應(yīng)用于高級(jí)美術(shù)印刷紙、無(wú)碳復(fù)寫紙、重氮鹽紙、壓敏記錄紙、熱敏記錄紙、靜電復(fù)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(shè)置的刮刀除去多余的涂布液，以達(dá)到所要求的涂布量。相對(duì)于氣刀無(wú)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(dá)到30~800m/min，涂料固含量可高達(dá)50%~60%。黏度也可高達(dá)1000MPa·s，涂布量可在6~30g/m2范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，工藝適應(yīng)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(jìn)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(shí)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(diǎn)是表面有良好的平滑度，但隨著車速的提高，刮刀對(duì)紙的應(yīng)力增大，運(yùn)行性能受到限制。薄膜涂布(輥涂)大大減少涂布應(yīng)力，缺點(diǎn)是涂布量大于9~10g/m²時(shí)易發(fā)生橘皮結(jié)構(gòu)和細(xì)小顏料的飛濺。

刮刀涂布從20世紀(jì)50年代到目前為止，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，車速?gòu)漠?dāng)初的200~300m/min已升至目前的2800m/min，涂布幅寬可達(dá) 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(dá)到所需的涂布量。金屬刮輥的直徑為10mm左右，由微型電機(jī)帶動(dòng)做主動(dòng)運(yùn)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(dāng)刮輥與被涂物料運(yùn)行呈相反方向時(shí)，更有利于對(duì)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(shí)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(shí)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(xì)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(dòng)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(jì)量輥2個(gè)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(jiǎn)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(yùn)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(duì)速度、涂布輥與背輥之間的間隙、涂料的黏度和潤(rùn)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(guò)調(diào)整各輥運(yùn)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(gè)輥?zhàn)颖砻婢瞿嫦蜻\(yùn)動(dòng)，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(guò)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(shí)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(shí)際涂布量還受到涂布輥線速度與被涂基材運(yùn)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(yīng)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(yīng)用凹版膠印原理而設(shè)計(jì)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(shí)，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(dāng)硬度的橡膠層。涂布時(shí)與涂布輥壓緊形成一定的線壓力，以使凹版網(wǎng)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(dá)600m/min。凹版涂布的主要優(yōu)點(diǎn)是可在高車速下得到很薄的涂層，其主要缺點(diǎn)是有時(shí)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(dòng)的被涂支持體上。條縫涂布時(shí)涂液的黏度和毛細(xì)管力占主導(dǎo)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(yùn)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(yùn)行的支持體。在涂布模頭下面設(shè)置真空負(fù)壓裝置有助于在適當(dāng)擴(kuò)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(shí)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(yīng)一些高附加值產(chǎn)品的特殊要求。例如應(yīng)用于染料熱轉(zhuǎn)移打印的RGB(紅、綠、藍(lán))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(yīng)工業(yè)化組裝的要求。

實(shí)施條幅涂布方法，是在涂布模頭內(nèi)涂液流動(dòng)通道中安置相應(yīng)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(kāi)啟/關(guān)閉，以精確控制其涂布長(zhǎng)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(dòng)，然后在涂布輥與坡流涂布模頭間隙處形成液橋，并被運(yùn)行的基材帶走。多層涂布時(shí)，從每個(gè)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(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，條縫前后隔板出口的倒角、涂布唇片的形態(tài)，對(duì)多層涂布的質(zhì)量十分重要。而從涂液物化性能來(lái)說(shuō)，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(fù)壓大小等工藝條件相適應(yīng)。

多層坡流涂布工作原理

多層坡流涂布于20世紀(jì)50代由伊斯曼柯達(dá)公司申請(qǐng)專利，應(yīng)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(yīng)該說(shuō)，多層坡流涂布技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，對(duì)多層、薄層彩色感光材料的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。

9、落簾涂布

落簾涂布技術(shù)最早曾應(yīng)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(dá)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(dòng)與多層坡流涂布相同，不同的是液流離開(kāi)涂布模頭唇口后，垂直自由落下形成幕簾。最后涂覆在移動(dòng)的基材上。液簾落下時(shí)，寬度方向的兩側(cè)由導(dǎo)流板保持液簾寬幅方向的穩(wěn)定。為了防止支持體高速運(yùn)行時(shí)所帶動(dòng)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(jìn)入涂布區(qū)之前，需用隔板盡可能地阻止氣流進(jìn)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(shí)現(xiàn)足夠高的涂布速度。Hughes 最初在落簾涂布專利申請(qǐng)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(lái)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(dòng)態(tài))<40mN/m，可一次同時(shí)涂布層數(shù)>10 層。這些數(shù)據(jù)主要是針對(duì)坡流式落簾涂布而言，對(duì)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(jìn)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(wàn)轉(zhuǎn)/分內(nèi)進(jìn)行調(diào)控。在應(yīng)用較低黏度和固含量的涂液進(jìn)行涂布時(shí)，其涂層厚度可從幾十納米至幾微米，厚度均勻性可達(dá)百米至幾微米，厚度均勻性可達(dá)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(yīng)用，如半導(dǎo)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(shè)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(lái)隨著平板顯示器的不斷發(fā)展，液晶面板的尺寸越來(lái)越大。進(jìn)入第6代(尺寸1500mmx1800mm)，已改用條縫方式涂布光刻膠。

法國(guó)原子能委員會(huì)的Belleville，Philippe F.等人曾開(kāi)發(fā)了一種大型旋轉(zhuǎn)涂布設(shè)備，可以對(duì)1000mmx1700mmx20mm的大尺寸屏蔽窗玻璃進(jìn)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(jiàn)光漫反射達(dá)到1%。這種大尺寸旋轉(zhuǎn)涂布機(jī)的成功開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)展了旋轉(zhuǎn)涂布的應(yīng)用范圍。

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大陽(yáng)

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