精密涂布技術的發展狀況

謝小英

摘要：精密涂布技術在現代工業制造中起著重要作用，從傳統工業到精密電子產業、功能性薄膜、柔性電路板及新能源產業都與精密涂布技術息息相關。本文簡述了當前精密涂布的發展概況，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用。

關鍵詞：精密涂布技術；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，以提高終產品的使用價值或利于后續加工。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，以及下游的涂布與干燥技術，涂布工程中所有的操作步驟均在一定的高標準下進行，即為精密涂布。

2 精密涂布技術及其應用

涂布技術最早用于感光工業、紙加工工業和包裝工程等領域[1-3]，早期的涂布基材主要為紙張和塑料薄膜，隨著材料科學和材料工程的飛速發展，被涂基材已從紙張、薄膜發展到各類高分子薄膜、鋁箔、銅箔及鋼板等[4-6]。自工業革命爆發以來，涂布技術就在傳統工業產品制造中占據著重要的地位，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展，精密電子產業的興起以及新能源產業的迅速崛起，現代工業產品的制造，如各種平面顯示器的光學膜、軟性印刷電路板以及新能源相關的鋰離子電池電極等，都對涂布技術和涂布環境提出了越來越高的要求，精密涂布技術的發展尤為重要，其應用領域也不斷擴大。精密涂布技術依據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，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]。化學氣相沉積法也是干式涂布的常見方式之一，其將含有構成薄膜元素的反應劑蒸汽及反應所需氣體，通入放有基材的反應室，通過空間化學反應在基材表面沉積薄膜[9-11]。日常生活中常見的金屬質感包裝膜、刀具材料、大規模集成電路技術的鐵電材料[12-14]等一般都是通過干式涂布技術制造而成。但是干式涂布成本高昂，限制了許多產品的大規模生產。

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產品的實際量產，一般做法就是將不同性能的成分組合成液態涂料，通過不同的加工方式涂布在基材上，再經干燥固化成膜。濕式涂布依據流體力學的差異，分為后計量式和預計量式兩大類型。后計量式涂布方式的涂膜厚度受涂料的流變性質和涂布條件所影響；預計量式涂布方式的涂膜厚度由輸液系統決定，不受涂料的流變性質或涂布速度的影響。本文主要討論濕式精密涂布技術的發展及應用。

2.2.1 浸沉式精密涂布

浸沉式精密涂布（Dip Coating）是工業界中最普遍使用的涂布技術之一，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，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。其原理為當基材與液體涂料接觸時，由于毛細壓力，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，導致液體內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，限制了其應用。

2.2.2 刮刀式精密涂布

刮刀涂布（Blade Coating）是世界各國生產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節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，在實際生產中，可選擇不同型號計量棒精準控制涂膜厚度。張梅春等人發明了一種可調計量刮棒涂布裝置，可有效克服涂層不均，涂布過程中出現氣泡的情況，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量，不適合涂布有色涂層。吳成業提出一種新型逗號刮刀組合裝置，通過調整刮刀所受力的大小來實時調節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，其原理是由空氣調節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。方偉慶詳細闡述了氣刀涂布在生產中如何節約涂料的辦法，對實際生產具有很強的指導意義[23]。

2.2.3 狹縫式精密涂布

狹縫涂布（Slot-Die Coating）為典型的預計量涂布方式，作為一種精密的濕式涂布技術，其目前被廣泛用于電子、光學薄膜、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，具有很多優點，如涂布速度快、精度高、膜厚均勻；涂布系統封閉，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。狹縫涂布技術已臻于成熟，應用領域不斷擴大，從傳統領域不斷走向新興產業。Dupont公司采用狹縫技術生產的結構簡化的OLED能大幅提高OLED的效率和穩定性，其生產成本約為由其它涂布技術生產的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，在實際生產中，當工藝參數超出操作窗口的范圍時，涂布缺陷便會產生。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生[27]。

2.2.4 落簾式精密涂布

落簾涂布也是采用預計量涂布方式進行精確涂布，不同于傳統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，因此其具有很多優勢，它可減少涂布模具與基材之間的摩擦，減緩涂布液向基材內部滲透，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域：幕簾形成區、幕簾流動區和幕簾沖擊區，每一個區域的工藝條件對產品的質量保證都至關重要，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生產的熱敏紙，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 結論

隨著材料科學和工程以及納米科技的高速發展，精密涂布技術也在不斷革新和組合，以滿足現代工業制造的日益增長的需求，但是不同的涂布技術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展，未來我們仍需加大力度對現有涂布技術進一步優化，以滿足經濟社會提出的低能耗、高環保的要求。

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