精密涂布技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

謝小英

摘要：精密涂布技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)制造中起著重要作用，從傳統(tǒng)工業(yè)到精密電子產(chǎn)業(yè)、功能性薄膜、柔性電路板及新能源產(chǎn)業(yè)都與精密涂布技術(shù)息息相關(guān)。本文簡述了當(dāng)前精密涂布的發(fā)展概況，闡述了浸沾涂布、刮刀涂布、狹縫涂布和落簾涂布的工作原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：精密涂布技術(shù)；浸沾涂布；刮刀涂布；狹縫涂布；落簾涂布

中圖分類號：TQ573+.3 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1001-0270.2017.01.01

Abstract： Precision Coating Technology plays an important role in industrial manufacturing ranging from traditional industry to precision electronic industry， functional films， flexible PCB and new energy industry. The development of the current main precision coating technology is reviewed. The principles and application status of dip coating， blade coating， slot-die coating and curtain coating are illustrated.

Key Words： Precision Coating Technology； Dip Coating； Blade Coating； Slot-die Coating； Curtain Coating

1 前言

廣義而言，涂布是將具備特定功能的材料附著在目的基材表面，取代原有基材的固氣界面，以保護基材，或改善基材的表面功能，以賦予基材新的功能特性，或直接利用涂層的表面特性，以提高終產(chǎn)品的使用價值或利于后續(xù)加工。一個完整的涂布工程包括上游的涂料合成、分散與流變特性分析，中游的涂料與基材界面技術(shù)，以及下游的涂布與干燥技術(shù)，涂布工程中所有的操作步驟均在一定的高標(biāo)準(zhǔn)下進行，即為精密涂布。

2 精密涂布技術(shù)及其應(yīng)用

涂布技術(shù)最早用于感光工業(yè)、紙加工工業(yè)和包裝工程等領(lǐng)域[1-3]，早期的涂布基材主要為紙張和塑料薄膜，隨著材料科學(xué)和材料工程的飛速發(fā)展，被涂基材已從紙張、薄膜發(fā)展到各類高分子薄膜、鋁箔、銅箔及鋼板等[4-6]。自工業(yè)革命爆發(fā)以來，涂布技術(shù)就在傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品制造中占據(jù)著重要的地位，如綱印制版、民生組件的噴漆、膠帶、合成皮等，隨著涂布基材的高速發(fā)展，精密電子產(chǎn)業(yè)的興起以及新能源產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的制造，如各種平面顯示器的光學(xué)膜、軟性印刷電路板以及新能源相關(guān)的鋰離子電池電極等，都對涂布技術(shù)和涂布環(huán)境提出了越來越高的要求，精密涂布技術(shù)的發(fā)展尤為重要，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。精密涂布技術(shù)依據(jù)涂料加工方式的不同，可以分為干式精密涂布和濕式精密涂布兩大類。

2.1 干式涂布

從字面上理解，干式精密涂布是指在整個涂布過程中沒有液體出現(xiàn)，常見的干式精密涂布方式有真空蒸鍍法，其原理為在真空環(huán)境中，通過電能等高能方式加熱固體原料，待其升華成氣體后附著在某一固體基材[7，8]?；瘜W(xué)氣相沉積法也是干式涂布的常見方式之一，其將含有構(gòu)成薄膜元素的反應(yīng)劑蒸汽及反應(yīng)所需氣體，通入放有基材的反應(yīng)室，通過空間化學(xué)反應(yīng)在基材表面沉積薄膜[9-11]。日常生活中常見的金屬質(zhì)感包裝膜、刀具材料、大規(guī)模集成電路技術(shù)的鐵電材料[12-14]等一般都是通過干式涂布技術(shù)制造而成。但是干式涂布成本高昂，限制了許多產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2 濕式涂布

相對干式精密涂布，濕式精密涂布更適合諸多工業(yè)產(chǎn)品的實際量產(chǎn)，一般做法就是將不同性能的成分組合成液態(tài)涂料，通過不同的加工方式涂布在基材上，再經(jīng)干燥固化成膜。濕式涂布依據(jù)流體力學(xué)的差異，分為后計量式和預(yù)計量式兩大類型。后計量式涂布方式的涂膜厚度受涂料的流變性質(zhì)和涂布條件所影響；預(yù)計量式涂布方式的涂膜厚度由輸液系統(tǒng)決定，不受涂料的流變性質(zhì)或涂布速度的影響。本文主要討論濕式精密涂布技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

2.2.1 浸沉式精密涂布

浸沉式精密涂布（Dip Coating）是工業(yè)界中最普遍使用的涂布技術(shù)之一，為典型的后計量式涂布方式。在典型的浸沉涂布過程中，先將基材以固定的速度浸沉在含有涂料的容器內(nèi)，一段時間后以一定速度取出含有涂料的基材，最后將溶劑干燥蒸出，涂料便形成薄膜附著在基材上[15，16]。在浸沉涂布的整個過程中，涂膜厚度隨涂布速度增加而變厚，但不成線性關(guān)系，待厚度增大到一定值后，涂膜厚度反而隨涂布速度增加而降低。其原理為當(dāng)基材與液體涂料接觸時，由于毛細(xì)壓力，在基材接觸處的涂料會沿基材升高，并形成凹形表面，在此凹形處，表面張力的合力指向液體的外部，導(dǎo)致液體內(nèi)部壓強小于外部壓強，涂液便附著在基材表面[17]。浸沉涂布最早用于在織布塑料表面形成薄膜[18]，Li等人采用浸沉法制備了具有疏水性能和光致發(fā)光性的棉紡織物[19]。但是浸沉涂布的均勻度較差，車速較低，限制了其應(yīng)用。

2.2.2 刮刀式精密涂布

刮刀涂布（Blade Coating）是世界各國生產(chǎn)含有涂層的紙和紙板的一種常用涂布方式，也為后計量式涂布方式之一，其采用強度和硬度較好的合金鋼刀片來調(diào)節(jié)涂布量和涂布層的平滑度，這種涂布方式能夠使紙張具有較高的平滑度和光澤度。其原理是涂布輥將過量的涂料涂在原紙表面上，在紙幅通過背輥與刮刀之間時，刮刀與紙幅之間的距離決定了涂膜厚度，同時將多余的涂料刮掉，并由此在原紙表面形成一層均勻的涂層[20]。根據(jù)所用刮刀類型的不同，刮刀主要包括刮棒、逗號刮刀、氣流刮刀等。

刮棒通常由強度硬度較好的圓棒精加工做成，圓棒上面纏繞精密的不銹鋼拉絲做成計量棒，其原理是利用計量棒控制涂布量，其可精確地將多余涂料刮掉，在實際生產(chǎn)中，可選擇不同型號計量棒精準(zhǔn)控制涂膜厚度。張梅春等人發(fā)明了一種可調(diào)計量刮棒涂布裝置，可有效克服涂層不均，涂布過程中出現(xiàn)氣泡的情況，并且解決了涂料流失的情況[21]。逗號刮刀為刮刀涂布中一種新的涂布方式，其為涂布頭中的關(guān)鍵部件之一，一般在圓輥表面沿母線加工成形似逗號的刃口，這種刮刀具有高的強度和硬度，易于控制涂布量和涂布精度，適用于高固含量和高黏度的涂布液，但是逗號刮刀的刮刀條痕會影響涂層的表觀質(zhì)量，不適合涂布有色涂層。吳成業(yè)提出一種新型逗號刮刀組合裝置，通過調(diào)整刮刀所受力的大小來實時調(diào)節(jié)或者消除逗號刮刀的撓曲變形量，能有效提高逗號刮刀的高精度特性[22]。與刮棒和逗號刮刀相比，氣刀涂布比較特殊，其原理是由空氣調(diào)節(jié)涂布量和涂膜平滑度，在基材通過背輥與氣刀之間時，由氣刀噴嘴所噴射的氣體將過量涂布液吹掉，以此在基材表面形成一層厚薄均勻的涂層。從其工作原理可知，在涂布過程中，氣刀不直接與基材接觸，其適用于固含量低的涂布液和壓敏性涂料的涂布。方偉慶詳細(xì)闡述了氣刀涂布在生產(chǎn)中如何節(jié)約涂料的辦法，對實際生產(chǎn)具有很強的指導(dǎo)意義[23]。

2.2.3 狹縫式精密涂布

狹縫涂布（Slot-Die Coating）為典型的預(yù)計量涂布方式，作為一種精密的濕式涂布技術(shù)，其目前被廣泛用于電子、光學(xué)薄膜、印刷以及新能源如太陽能電池鋰離子電池電極涂布等眾多領(lǐng)域。狹縫涂布的工作原理為涂布液在一定壓力下沿著涂布模具的縫隙壓出而轉(zhuǎn)移到基材上的一種涂布方式[24，25]。相比其它涂布方式，具有很多優(yōu)點，如涂布速度快、精度高、膜厚均勻；涂布系統(tǒng)封閉，在涂布過程中能防止污染物進入，涂布效率高，可同時進行多層涂布。狹縫涂布技術(shù)已臻于成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，從傳統(tǒng)領(lǐng)域不斷走向新興產(chǎn)業(yè)。Dupont公司采用狹縫技術(shù)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)簡化的OLED能大幅提高OLED的效率和穩(wěn)定性，其生產(chǎn)成本約為由其它涂布技術(shù)生產(chǎn)的OLED的一半[26]。操作窗口（Operating Window）是狹縫涂布一個重要的工藝參數(shù)，在實際生產(chǎn)中，當(dāng)工藝參數(shù)超出操作窗口的范圍時，涂布缺陷便會產(chǎn)生。Liu等人通過在PVA涂布液中加入無機粒子如TiO2及SiO2，可有效增大PVA涂布液的操作窗口，同時降低涂布缺陷的產(chǎn)生[27]。

2.2.4 落簾式精密涂布

落簾涂布也是采用預(yù)計量涂布方式進行精確涂布，不同于傳統(tǒng)刮刀涂布直接接觸基材的涂布方式，落簾涂布是一種非接觸式涂布技術(shù)，因此其具有很多優(yōu)勢，它可減少涂布模具與基材之間的摩擦，減緩?fù)坎家合蚧膬?nèi)部滲透，涂布量由供料泵的流量控制，能耗低[29]，涂層薄以及涂布速度快是落簾涂布最顯著的兩個特點。其工作原理為涂料從噴嘴中流出后，以自由下落的方式形成連續(xù)性的液體幕簾沉積在噴嘴下面的基材上，對基材表面的覆蓋性好，整個涂布過程可以分成三個區(qū)域：幕簾形成區(qū)、幕簾流動區(qū)和幕簾沖擊區(qū)，每一個區(qū)域的工藝條件對產(chǎn)品的質(zhì)量保證都至關(guān)重要，如圖3所示[30]。簾式涂布目前被廣泛用在熱敏紙、低量涂布紙、印刷紙和防護涂層紙中，Koehler公司采用落簾式涂布技術(shù)生產(chǎn)的熱敏紙，其涂布速度最高可達1500m/min，且涂布液的固含量范圍寬，約為25%-75%[31]。

3 結(jié)論

隨著材料科學(xué)和工程以及納米科技的高速發(fā)展，精密涂布技術(shù)也在不斷革新和組合，以滿足現(xiàn)代工業(yè)制造的日益增長的需求，但是不同的涂布技術(shù)仍然存在一定的缺陷，隨著其向高精度、涂層薄和多功能層集成的方向不斷發(fā)展，未來我們?nèi)孕杓哟罅Χ葘ΜF(xiàn)有涂布技術(shù)進一步優(yōu)化，以滿足經(jīng)濟社會提出的低能耗、高環(huán)保的要求。

參考文獻：

[1]秦睿睿，許文才，陳邦設(shè)等.涂布技術(shù)研究進展[J].包裝工[1]程，2012（2）：132-136.

[2]Samyn P， Schoukens G， Van den Abbeele H. Application of [1]Polymer Nanoparticles Coating for Tuning the Hydrophobicity [1]of Cellulosic Substrates[J]. Journal of Coatings Technology[1]and Research， 2011（3）：363-373.

[3]胡焱清，李子繁，孫紅旗.耐水改性聚乙烯醇涂布膜的研究[1]進展及發(fā)展前景[J].包裝工程，2010（1）：108-110.

[4]丁建民.一種能提高安全性能的鋰離子電池負(fù)極材料及其[1]制備方法：CN， CN 103117382 A[P].2013.

[5]Lei H， Xu T， Gao C T. Characterization of the Dispersion of [1]Tetrapod-like Nano-ZnO Whiskers in Acrylic Resin and [1]Properties of the Nano-composite Coating System[J]. Journal [1]of Coatings Technology and Research， 2010（1）：91-97.

[6]劉燦樓，劉昕，江社明等.一種冷鍍鋅層的耐腐蝕性能[J].[1]材料保護，2015（9）：8，71-72.

[7]張凱，白紅美，程方益等.真空蒸鍍法制備錫薄膜及其嵌鋰[1]電化學(xué)性能[J].應(yīng)用化學(xué)，2011（8）：918-923.

[8]彭曉光，汪洋，曹開斌等.大規(guī)模真空蒸鍍二氧化鈦薄膜及[1]其表征[J].功能材料，2008（11）：1770-1773.

[9]楊西，楊玉華.化學(xué)氣相沉積技術(shù)的研究與應(yīng)用進展[J].[1]甘肅水利水電技術(shù)，2008（3）：211-213.

[10]張迎光，白雪峰，張洪林等.化學(xué)氣相沉積技術(shù)的進展[J].[10]中國科技信息，2005（12）：82，84.

[11]Blocher J M. Vapor-Deposited Materials[J]. Chapter 1 in[11]Vapor Deposition，1961.

[12]胡昌義，李靖華.化學(xué)氣相沉積技術(shù)與材料制備[J].稀有[10]金屬，2001（5）：364-368.

[13]王麗敏，李曉峰，侯鶴嵐等.刀具涂層技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[10][J].真空，2000（2）：5-6.

[14]高麗萍.超大規(guī)模集成電路中的CVD薄膜淀積技術(shù)[J].信[10]息化研究，2000（7）：40-42.

[15]Rahaman M N. Ceramic Processing， Boca Raton： CRC [10]Press，2007： 242-244.

[16]Quéré D. Fluid Coating on A Fiber[J]. Annual Review of[10]Fluid Mechanics，31（1）：347-384.

[17]謝宗揚.乳劑彎月面的形態(tài)及其涂布特性[J].感光材料，[10]1980（2）：3-7.

[18]Scriven L E. Physics and Applications of Dip Coating and [10]Spin Coating[J].Better Ceramics Through Chemistry III，

[10]1988：717-729.

[19]Li J， Zhao Y， Ge M Q et al. Superhydrophobic and [10]Luminescent Cotton Fabrics Prepared by Dip-coating of [10]APTMS Modified SrAl2O4：Eu2+，Dy3+ Particles of SU8 [10]and Fluorinated Alkyl Silane[J].Journal of Rare Earths， [10]2016（7）：653-660.

[20]李景剛.自動刮刀涂布頭的特性及原理[J].湖南造紙，[10]1995（3）：12-14.

[21]張梅春，元華利，元榮寅.一種可調(diào)計量刮棒涂布裝置： [10]CN， CN 203061361U[P].2013.

[22]吳成業(yè).涂布機用新型逗號刮刀組合裝置研究[M].合肥[10]工業(yè)大學(xué)，2010.

[23]方偉慶.氣刀涂布節(jié)約涂料的辦法[J].工藝技術(shù)，2002[10]（6）：28.

[24]遲彩霞，張雙虎，喬秀麗等.狹縫式涂布技術(shù)的研究進展[10][J].應(yīng)用化工，2016（2）：360-363，366.

[25]徐方超，李增輝，蘭紅波.狹縫涂布理論建模與數(shù)值模擬[10][J].青島理工大學(xué)學(xué)報，2014（5）：110-114，130.

[26]Xu S B， Xu W C. Printed Electronics based on Precision [10]Coating[A]. Selected， Peer Reviewed Papers from the

[10]International Conference on Electrical Information and [10]Mechatronics，（ICEIM 2012）[C].2012.

[27]Liu T J， Wang Y C， Tiu C. The Effect of Inorganic Particles [10]on Slot Die Coating of Poly（Vinyl Alcohol） Solutions[A]. [10]Proceedings of the 4th Pacific Rim Conference on Rheology[10][C].2005.

[28]謝宜風(fēng).精密涂布工藝應(yīng)用新進展[J].信息記錄材料，[10]2010（1）：28-37.

[29]張正健，董榮業(yè)，周軍峰.非接觸式落簾涂布技術(shù)[J].中[10]華紙業(yè)，2005（9）：38-41.

[30]Charles P K. Updated on Coated Papers， Coating Processes [10]and Materials[A].2005中國造紙學(xué)會學(xué)術(shù)報告會[C].2005.

[31]宋微，董榮業(yè)，劉洪斌.簾式涂布技術(shù)的研究進展[J].中[10]華紙業(yè)，2008（3）：62-65.