封閉刮刀涂布量的影響因素研究

卞澤鋒，張大鵬

（樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

筆者所在部門使用封閉刮刀涂布方式進行生產(chǎn)，實現(xiàn)復(fù)合產(chǎn)品提車速，但在實際使用過程中出現(xiàn)了涂布量在配方上限運行的問題，該問題一方面增加了表觀橘皮紋的質(zhì)量隱患，一方面增加了生產(chǎn)成本。為了更好地控制封閉刮刀涂布方式的涂布量，保證產(chǎn)品質(zhì)量降低成本，因此對涂布量的控制方法進行研究。

2 封閉式刮刀的涂布原理及特點

2.1 涂布原理

封閉式刮刀系統(tǒng)的刮膠方式見圖1所示，整個封閉式刮刀系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：腔體、上刮刀、下刮刀、網(wǎng)紋輥、腔室。其工作原理是：通過供液系統(tǒng)，使腔室內(nèi)充滿待涂的涂布液；在壓力和網(wǎng)紋輥旋轉(zhuǎn)作用下，涂布液注滿網(wǎng)紋輥，當網(wǎng)紋輥離開物料后，其表面多余的涂布液由刮刀刮去；充滿涂布液的網(wǎng)紋輥與涂布基材相接觸時，在基材包角壓力下，涂布液轉(zhuǎn)移到基材上。刮刀系統(tǒng)的上、下刮刀和兩端的密封擋板保證了系統(tǒng)的密封性[2]。

圖1 封閉刮刀結(jié)構(gòu)涂布Figure 1 blade coating machine

2.2 特點

封閉刮刀系統(tǒng)具有以下幾方面的特性：封閉式刮刀系統(tǒng)采用的腔體結(jié)構(gòu)和雙刮刀設(shè)計，更節(jié)省物料；涂布液所在的區(qū)域都是密封的，只有與網(wǎng)紋輥接觸的部分暴露在外，減少了溶劑的揮發(fā)量；涂布速度的適應(yīng)性好，無論涂布速度如何，涂布液的轉(zhuǎn)移量都是固定的，涂布質(zhì)量穩(wěn)定[3]。

封閉式刮刀系統(tǒng)也存在一些不足：封閉式刮刀的接觸角度以及壓力的可調(diào)度很小，對涂布基材要求較高；刮膠的均勻性要求很高，且要求密封性好，否則易涂布不勻和發(fā)生漏膠；涂布后的清洗比較麻煩，尤其是殘留在腔室內(nèi)部死角處的物料更是難以清除。

3 涂布量影響因素的研究

在封閉刮刀涂布工藝中，影響涂布量精度的因素有很多，綜合國內(nèi)外相關(guān)報道和資料，結(jié)合我廠十多年微凹版涂布技術(shù)和近幾年的封閉刮刀涂布技術(shù)，本節(jié)將從涂布主體設(shè)備（網(wǎng)紋輥）的選取[4]生產(chǎn)工藝（轉(zhuǎn)速比、刮刀、車速等）的控制、物料的特性等方面進行研究說明。

3.1 網(wǎng)紋輥

網(wǎng)紋輥是將涂布液轉(zhuǎn)移至基膜的最關(guān)鍵設(shè)備，它的主要參數(shù)有：網(wǎng)紋輥線數(shù)、網(wǎng)紋輥材質(zhì)、網(wǎng)線角度，這些參數(shù)都跟網(wǎng)紋輥制作工藝有關(guān)，不同廠家參數(shù)各不相同[5]。

理論上，網(wǎng)紋輥涂布量=網(wǎng)孔容積（廠家提供）*轉(zhuǎn)移到基材上的轉(zhuǎn)移率（廠家提供，實際數(shù)據(jù)與物料特性相關(guān)）[6]。

3.1.1 網(wǎng)紋輥材質(zhì)

涂布液性質(zhì)一定的情況下，通過試驗對比兩種材質(zhì)的涂布輥發(fā)現(xiàn)：陶瓷輥涂布量隨涂布長度變化如圖2；鍍鉻金屬輥涂布量隨時間變化如圖3。

圖2 70線陶瓷輥與涂布量關(guān)系圖Figure 2 Relationship between 70-wire ceramic roll and coating amount

圖3 70線鍍鉻輥與涂布量關(guān)系圖Figure 3 Relationship between 70-line chromium plating roll and coating amount

由圖2可看出，現(xiàn)有的涂布液在使用陶瓷輥時，涂布量隨時間變化沒有穩(wěn)定的涂布量區(qū)間，不適用于現(xiàn)有的涂布液；由圖3可看出，現(xiàn)有的涂布液在使用金屬鍍鉻輥時，涂布量隨時間變化較少，有穩(wěn)定的涂布量區(qū)間，適用于現(xiàn)有的涂布液。因此生產(chǎn)線在后期選輥時均選用金屬鍍鉻輥。

通過了解兩種輥的生產(chǎn)工藝，陶瓷輥表面的網(wǎng)紋上有類似針孔點，使用一段時間后通過微觀觀察發(fā)現(xiàn)陶瓷輥網(wǎng)紋內(nèi)涂布液殘留多，因此造成取出的涂布液減少，故涂布量會快速下降；而鍍鉻輥表面的網(wǎng)紋為光滑的斜坡，涂布液易于取出、轉(zhuǎn)移，涂布量穩(wěn)定[7]。

總結(jié)：根據(jù)涂布液性質(zhì)選擇網(wǎng)紋輥材質(zhì)，本篇論文選用鍍鉻金屬輥。

3.1.2 網(wǎng)紋輥線數(shù)

在涂布液與網(wǎng)紋輥制作工藝一定的條件下，只變化網(wǎng)紋輥線數(shù)，可得出如圖4的涂布量變化曲線。

圖4 網(wǎng)紋輥線數(shù)與涂布量關(guān)系圖Figure 4 Relationship between the number of anilox rolls and coating amount

表1 涂布輥涂布量對照表Table 1 Comparison table between coating roll and coating amount

從圖4和表1可看出，當涂布液固定的情況下，網(wǎng)紋輥線數(shù)增加時，涂布量呈下降的趨勢。由對照表和涂布量圖可看出，實際涂布量與廠家提供的涂布量有一定的差距，所以網(wǎng)紋輥一般的使用都需要經(jīng)過一定量的試驗后，方可找出穩(wěn)定的涂布量和穩(wěn)定的涂布區(qū)間。

總結(jié)：不同型號的網(wǎng)紋輥對應(yīng)不同的涂布量，線數(shù)越多，涂布量越低。

3.1.3 小結(jié)

涂布輥是封閉刮刀涂布的最重要設(shè)備，生產(chǎn)上需要根據(jù)涂布液性質(zhì)選擇適合的網(wǎng)紋輥材質(zhì)（本篇論文選用鍍鉻金屬輥），進而根據(jù)所需要的涂布量選擇適合的網(wǎng)紋輥，根據(jù)相關(guān)資料和試驗，網(wǎng)紋輥的線數(shù)越多，涂布量越低。

3.2 涂布參數(shù)

當涂布輥、涂布液固定后，在生產(chǎn)過程中，因刮刀磨損和網(wǎng)紋輥積液等原因，涂布量一般隨著涂布時間的延長呈下降的趨勢，為了保持涂布量穩(wěn)定在需要的區(qū)段，在生產(chǎn)過程中通過調(diào)整一些工藝參數(shù)以實現(xiàn)該目的。通過生產(chǎn)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的積累，發(fā)現(xiàn)有以下幾個方面的工藝參數(shù)調(diào)整會對涂布量控制有作用。

3.2.1 涂布液粘度

選取合適的涂布輥，固定以下參數(shù)：轉(zhuǎn)速比、涂布車速、涂布輥型號，刮刀采用新刮刀，刮刀位置為0位，通過試驗多組不同粘度的涂布液，得出如圖5的數(shù)據(jù)。

圖5 粘度變化與涂布量的關(guān)系圖Figure 5 Relationship between viscosity change and coating amount

因使用過的膠液粘度均在10～22 cp范圍內(nèi)，故只對此范圍內(nèi)的粘度變化進行統(tǒng)計分析。從圖5可看出當粘度上升時，涂布量呈反向下降趨勢。

通過微觀觀察，發(fā)現(xiàn)粘度上升后網(wǎng)紋輥內(nèi)涂布液的殘留增加，造成取出量減少，涂布量下降。

總結(jié)：物料粘度上升，涂布量下降，最大影響涂布量27%。

3.2.2 刮刀使用時間

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，在首次使用一把新刮刀之后，涂布量會在一個比較高的水平，并且下降速率較慢，需要涂布120 km左右，才可從初始涂布量降低4 g/m2，導(dǎo)致涂布量偏高成本上升如圖6。

圖6 新刮刀涂布長度與涂布量關(guān)系圖Figure 6 Relationship between coating length and coating amount of new scraper

新刮刀涂布量偏高的原因是新刀初始與涂布輥均勻接觸，接觸面積大，壓強?。S著涂布米數(shù)增多，磨損增多，接觸涂布輥的刮刀面積逐漸減少，壓強增大）[8]，涂布量偏高。因此通過多次生產(chǎn)經(jīng)驗的積累，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，生產(chǎn)過程中通過合理使用舊刮刀的方法，降低涂布量和成本。

總結(jié)：刮刀使用時間增加，涂布量下降，最大影響涂布量11%。

3.2.3 刮刀壓力

涂布輥使用的刮刀為鋼制撓性刮刀，作用是將涂布輥上多余的物料刮掉，起到均流定厚的作用[9]。刮刀在涂布輥上作用力的大小，對涂布量有很大的影響，當涂布液與涂布輥固定的情況下，研究刮刀壓力對涂布量的影響因素如圖7。

圖7 刮刀位置與涂布量的關(guān)系圖Figure 7 Relationship between scraper position and coating amount

由圖7可看出，當刮刀位置在-30～-10（1/25 mm）之間正向調(diào)整時，涂布量變化明顯，主要是因為在此范圍內(nèi)調(diào)整時，刮刀位置與輥間距大不能起到均流定厚的作用；當刮刀位置在-10～20之間正向調(diào)整時，涂布量隨之減少，即刮刀將涂布輥表面的物料刮下；當刮刀位置在20～25之間正向調(diào)整時，涂布量不再產(chǎn)生變化，主要是因為此階段涂布輥表面已經(jīng)沒有多余的物料，物料均在網(wǎng)紋內(nèi)存儲，刮刀不能將網(wǎng)紋內(nèi)的膠液刮下。

總結(jié)：刮刀壓力增加，涂布量一定范圍內(nèi)下降，后趨于穩(wěn)定，最大影響涂布量影響11%。

3.2.4 速度比率

速度比率是指涂布輥線速度與生產(chǎn)車速的比率，隨著比率的增加，單位時間內(nèi)從網(wǎng)穴里取出的液體也增加，但涂布液的取出量有上限，即涂布輥的帶料總量。因此，轉(zhuǎn)速比在一定范圍內(nèi)提高，涂布量會有快速上升的趨勢，提高到一定范圍后涂布量不再變化[10]。

圖8 速度比率與涂布量的關(guān)系圖Figure 8 Relationship between speed ratio and coating amount

因速度比率低于100%時，涂布輥轉(zhuǎn)速低于車速，轉(zhuǎn)移到基材上的涂布液過少，會出現(xiàn)發(fā)花甚至脫涂現(xiàn)象，影響涂布表觀，故速度比率從100%開始進行研究。

從圖8可看出，當速度比率在100%～160%范圍內(nèi)增加時，涂布量會有向上的趨勢，但當速度比率繼續(xù)增加至170%～200%時涂布量不再發(fā)生變化，主要是因為涂布輥帶料量和轉(zhuǎn)移率一定，故轉(zhuǎn)速比的控制在一定范圍內(nèi)有效。

總結(jié)：速度比率在一定范圍（100%～170%）內(nèi)增加，涂布量上升，最大可影響涂布量變化7%。

3.2.5 物料輸送速率

涂布咀的物料由供料泵將物料從物料槽內(nèi)供應(yīng)至涂布咀腔體內(nèi)，生產(chǎn)中通過控制泵速的大小來調(diào)整物料輸送速率的快慢。當長時間的循環(huán)使用后，網(wǎng)紋輥的紋路內(nèi)會有少量的膠液殘留，造成網(wǎng)紋輥帶料量減少。理論上可通過增加物料的輸送速率即泵速，使涂布液在較高速度下沖擊網(wǎng)紋輥，在一定程度上減少膠液殘留，實現(xiàn)涂布量一定程度的控制效果[11]。泵速對涂布量的控制效果如圖9。

圖9 泵速與涂布量的關(guān)系圖Figure 9 Relationship between pump speed and coating amount

從圖9可看出，泵速在24 HZ～26 Hz之間變化時，涂布量變化較小，且泵速在低于26 Hz時會出現(xiàn)涂布液供應(yīng)不足的問題，故此區(qū)間不能采用；泵速在26 HZ～30 Hz之間變化時，涂布量與泵速呈正向變化，且此區(qū)間內(nèi)涂布量變化滿足生產(chǎn)過程控制要求，故生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中采用此區(qū)間的泵速進行控制；泵速在30 HZ～34 HZ之間變化時，涂布量變化小，主要是受網(wǎng)紋輥帶料量限制，通過泵速繼續(xù)調(diào)整已不能實現(xiàn)涂布量的控制,且泵速在更高速運行時，涂布液容易產(chǎn)生氣泡，會造成表觀拉絲情況的加劇，故涂布液的輸送速率應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi)。

總結(jié)：物料輸送速率在合理范圍內(nèi)增加，涂布量增加，可影響涂布量變化5%。

3.2.6 小結(jié)

選取合適的涂布輥后，逐一對各工藝參數(shù)進行試驗及研究，發(fā)現(xiàn)物料粘度影響最大，其余依次為刮刀磨損度、刮刀壓力、速度比率、物料輸送速率等。

根據(jù)生產(chǎn)情況，在涂布液固定的前提下，為保證過程中涂布量穩(wěn)定，首先需要保證涂布液的粘度穩(wěn)定；另外，隨著涂布生產(chǎn)時間的延長，通過調(diào)整刮刀壓力、速度比率、物料輸送速率等參數(shù)，保證涂布量穩(wěn)定在需求的涂布量范圍，既滿足產(chǎn)品性能的要求，又實現(xiàn)成本的最優(yōu)。

4 結(jié)語

文中首先對封閉刮刀的原理、優(yōu)缺點進行了簡單的說明，最后著重研究了該涂布方式涂布量的影響因素。詳細講解了涂布輥、速度比率、刮刀磨損度、刮刀壓力、涂布液粘度等對涂布量的影響趨勢，為后續(xù)生產(chǎn)控制提供了第一手的技術(shù)資料。