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全面了解涂布设备的涂布方式

NEWS | 2024/08/30 作者：未知分享

涂布加工工艺的核心是涂布方法的选择，而且目前有上百种不同的涂布方法在工业领域得到实际应用。这充分说明没有一种涂布方法是万能的，只有根据各行业各个产品特性及应用要求各自选择相应的最佳涂布方法。

1、浸渍涂布法

浸渍涂布法是早期得到较为广泛应用的一种涂布方法，由于其设备结构简单。易于得到推广应用。早在19世纪末，浸渍涂布和挂杆干燥就用于连续生产照相纸。浸渍涂布法用不同涂料生产可不同的涂布纸，如浸渍沥青生产油毡纸；浸渍树脂生产容器纸板、印刷线路用纸板；浸渍偏二氯乙烯乳液生产防潮纸等。浸渍涂布过程中涂料溶剂的挥发、涂膜的不均匀、液挂现象都会影响产品的质量。

浸渍涂布方法的原理如图所示。被涂基材1绕经涂布辊3进入涂布液槽4与涂布液2接触，涂料就随着向上拉出而附着于其表面形成涂层。

浸渍涂布工作原理

早在20世纪50年代，勃·弗·杰良金等人，曾对浸渍涂布过程液体黏度、表面张力与被涂支持体运动速度等因素对涂布量的影响进行了深入研究，最后建立了以下关系式：

杰良金等人的研究为浸渍涂布奠定了理论基础。从上述关系式中可以看出，涂层厚度与涂料的黏度和被涂支持体拉出的速度成正比，即涂布车速越快、涂液黏度越大，则涂层越厚。显然，对特定涂布液料和涂层厚度要求的产品来说，要通过提高车速来提高生产效率，无疑受到很大限制。早先照相行业应用浸渍涂布方法时的涂布车速很难超过20m/min。

2、气刀涂布法

气刀涂布法的原理如图所示。被涂支持体1经压纸辊2后由涂布辊3带上涂料槽4中的料液，经过背辊5处由气刀6喷射出的气流将过量的涂料吹落在收集槽7中。回流的涂料在收集槽中经气液分离后，可送回涂料槽中循环使用。气刀涂布的涂布质量与气刀喷射气流分布均匀性及稳定性直接有关，即与气刀的结构设计及加工精度密切相关。气刀涂布的涂布量，与气刀射出的气流压力、喷射角度及与原纸之间的距离有关，这些也是实际操作中可适当调控的工艺参数。

气刀涂布工作原理

气刀涂布的适应范围较广，即在相对宽广的涂料固含量、涂料黏度以及涂布车速下，获得较高的涂层质量。典型的气刀涂布运行参数条件为:
涂料固含量<50%;
涂料黏度50~500MPa·s;
涂布车速30~500m/min;

涂布量<30g/m。

用于气刀涂布机的涂料固含量较低，对原纸的湿强度有较高的要求，干燥部的负荷也较大，同时限制了车速的进一步提高。气刀涂布纸的涂层保留原基材表面的轮廓，因此要求原纸的平滑度不能太低。气刀涂布机车速较高时，随着气刀风压增高、风量增大，飞浆的问题将会变得严重，因此回流槽设计应合理。

气刀涂布被广泛应用于高级美术印刷纸、无碳复写纸、重氮盐纸、压敏记录纸、热敏记录纸、静电复印纸、喷墨打印纸以及涂布板纸等多类产品的工业化生产中。

3、刮刀涂布

刮刀涂布是用专门设置的刮刀除去多余的涂布液，以达到所要求的涂布量。相对于气刀无接触涂布。这是一种直接接触涂布方法，涂层有较高的平整度，其涂层表面不受被涂支持体原有表面粗糙度的影响。

一种斜角钢片柔性刮刀涂布工作原理

柔性刮刀涂布的车速可以达到30~800m/min，涂料固含量可高达50%~60%。黏度也可高达1000MPa·s，涂布量可在6~30g/m2范围内调节，工艺适应范围较广。

柔性刮刀材质为优质弹簧钢，厚度为0.3~0.6mm，宽度为100mm左右。刮刀与背辊的接触角及接触压力均可进行调节控制。由于刮刀在高车速下与被涂物料直接接触，因此很容易造成磨损，而必须适时更换。另外，刮刀与涂布物料间易有异物积累，形成涂布条道弊病，因此必须经常保持刮刀处的清洁。

刮刀涂布的最大优点是表面有良好的平滑度，但随着车速的提高，刮刀对纸的应力增大，运行性能受到限制。薄膜涂布(辊涂)大大减少涂布应力，缺点是涂布量大于9~10g/m²时易发生橘皮结构和细小颜料的飞溅。

刮刀涂布从20世纪50年代到目前为止，经历了半个多世纪的发展，车速从当初的200~300m/min已升至目前的2800m/min，涂布幅宽可达 10m。

4、刮辊涂布

刮辊涂布工作原理如图所示，旋转的金属刮辊将多余的涂料刮下，以达到所需的涂布量。金属刮辊的直径为10mm左右，由微型电机带动做主动运转，通常以10~20r/min的固定速度旋转其旋转既可与被涂物料同一方向，也可以反向。当刮辊与被涂物料运行呈相反方向时，更有利于对涂层起装饰作用。

刮辊涂布工作原理

另有一种称为钢丝刮辊，即在金属刮辊上紧密缠绕直径为0.1~0.15mm 的不锈钢丝而成。实际操作中可根据不同涂料特性，不同涂层量要求及不同车速选用不同直径缠绕的钢丝刮辊。

钢丝刮刀辊工作原理

刮辊涂布的车速适合于低黏度、低涂布量时选用，其车速范围较广，可以从每分钟几十米到每分钟上千米。涂布厚度主要取决于绕线顶部之间的空间，即取决于缠绕不锈钢丝的粗细涂布厚度为0.21r，此处r为绕线直径。但是流体的流变性、涂布片幅速度和张力、刮辊转动的方向和速度都影响平均厚度。

5、辊式涂布

辊式涂布是指至少由涂布辊和计量辊2个辊以上组成的自行定量涂布方法。根据不同辊数和组合方法不同，可以形成几十种不同的辊涂方法。这里简单介绍双辊涂布、三辊涂布及逆转辊涂布三种涂布方法。

双辊涂布工作原理如下图所示，涂布辊从涂料槽中带上涂料，将部分涂料转移给运行至涂布辊和背辊间隙处的被涂基材。被涂基材带走的涂料以及涂层表面状态取决于被涂基材和涂布辊的相对速度、涂布辊与背辊之间的间隙、涂料的黏度和润湿特性等因素。

双辊涂布工作原理

下图所示为三辊涂布的一种形式，涂布辊将涂料从料盘中带到转移辊上，然后由转移辊转移到被涂基材的物体表面。通过调整各辊运转的线速度及背棍与转移辊之间的间隙（或压力），即可调节涂布量。

逆转辊涂布可以有三辊逆转和四辊逆转等多种方式。如图所示为逆转辊涂布的工作原理，带上涂料的涂布料辊1与定量辊2及背辊3三个辊子表面均做逆向运动，故称之为逆转辊涂布。定量辊2将整饰定量的涂料转移给经由背辊3和涂布辊之间通过的被涂基材。定量涂布辊的带料量既受定量辊与涂布辊之间间隙的影响，同时还受涂布辊与定量辊线速度的影响。而由涂布辊转移到被涂基材上的实际涂布量还受到涂布辊线速度与被涂基材运行速度比的影响。逆转辊涂布工艺调节范围大，所以能适合水性及溶剂型各类涂料的涂布。涂料的黏度范围100~1500MPa·s，涂布量也可从25g/m2至300g/m2，可应用领域较广。

逆辊涂布工作原理

6、凹版涂布

凹版涂布是应用凹版胶印原理而设计的一种涂布方法，其也可有二辊、三辊、四辊凹版辊涂布方法。凹版辊的表面雕刻有各种凹形网纹，如下图所示，用以容纳一定量的涂料。涂布时，凹版辊1从涂料槽中带上涂料，经刮刀除去凹版辊表面多余的涂料后将剩余在凹纹内的定量涂料转移到绕经背辊2的被涂基材3上。通常背辊表面均包覆有相当硬度的橡胶层。涂布时与涂布辊压紧形成一定的线压力，以使凹版网点内的涂料能转移到被涂基材上。显然，涂布量取决于凹版辊网点的图形及其雕刻深度。在涂料含固量固定的情况下，选用合适网点的凹版辊，就能得到所需的涂布量。涂膜层的表观质量，很大程度上取决于涂料的黏度及流变特性。

二辊凹版涂布工作原理

几种凹版辊的网纹图

凹版涂布可用于涂布胶黏带、磁带、硅胶带等产品。典型的工艺条件是：1~50um的涂层厚度，15~1500MPa·s的黏度，车速可高达600m/min。凹版涂布的主要优点是可在高车速下得到很薄的涂层，其主要缺点是有时难以消除凹版辊的网纹。涂层的均匀性很大程度上取决于凹版辊凹纹内的容积，一般凹版辊的涂布转移量约为其容积的60%。

7、条缝涂布和挤压涂布

条缝涂布和挤压涂布的基本工作原理如图所示，涂料由专门的供料装置送入涂布模头的分液腔后经阻流狭缝流出形成涂布液桥，然后转移到移动的被涂支持体上。条缝涂布时涂液的黏度和毛细管力占主导因素，涂布模头和支持体之间的间隙很小，通常为湿涂布厚度的2~10倍。而在挤压涂布的情况下，涂布间隙为湿涂布厚度的100倍以上。条缝涂布与挤压涂布流出液膜的弯月面状态也各不相同。挤压涂布更适合高黏度液体及高分子熔融体的涂布。

条缝涂布和挤压涂布工作原理

条缝涂布和挤压涂布不同工作状态

条缝涂布和挤压涂布的涂布量取决于供液量和支持体的运行速度。涂布间隙的大小在保证涂布液桥稳定的前提下尽可能大些，以防止各种尘埃杂质的滞留积累造成涂布条道弊病甚至撕断运行的支持体。在涂布模头下面设置真空负压装置有助于在适当扩大间隙的情况下，保持液桥的稳定。条缝涂布和挤压涂布既可以是单层涂布，也可以用于多层涂布。

条缝涂布还可以实现条幅型和间歇型特定的非连续性涂布，如下图所示，以适应一些高附加值产品的特殊要求。例如应用于染料热转移打印的RGB(红、绿、蓝)的卷状色带，就是三种颜色以一定间距竖向并行排列，而燃料电池的隔膜以及薄膜电池的电极，则呈间歇型排列，以适应工业化组装的要求。

实施条幅涂布方法，是在涂布模头内涂液流动通道中安置相应的阻塞片，阻止这部分涂液的流出，形成涂布空白区。间歇涂布则主要借助于涂液供料系统的开启/关闭，以精确控制其涂布长度及间隔距离。

8、多层坡流涂布

多层坡流涂布工作原理如下图所示。被涂液体从涂布模头的条缝中流出后沿坡流面向下流动，然后在涂布辊与坡流涂布模头间隙处形成液桥，并被运行的基材带走。多层涂布时，从每个条缝中流出的液体流经自身的坡流面后，就铺展在下一层坡流面的液面上，层层叠加。显然，保证多层叠加的液流处于稳定的层流状态而不产生紊流，是保证多层涂布质量的必要条件。从模头结构设计来说，条缝前后隔板出口的倒角、涂布唇片的形态，对多层涂布的质量十分重要。而从涂液物化性能来说，其表面张力、黏弹性、比重等参数，必须与涂布车速、涂布量、涂布层数、涂布间隙、负压大小等工艺条件相适应。

多层坡流涂布工作原理

多层坡流涂布于20世纪50代由伊斯曼柯达公司申请专利，应用于多层彩色感光材料的生产。一次多层涂布的层数可多至10层，涂布总厚度可从几μm至几十μm，而其中最薄的干厚度可以薄至1μm左右。应该说，多层坡流涂布技术的开发与应用，对多层、薄层彩色感光材料的发展起了巨大的推动作用。

9、落帘涂布

落帘涂布技术最早曾应用于夹心巧克力生产和纸板加工领域，但多为单层涂布。直到1970年由伊斯曼柯达公司科研人员在多层坡流涂布基础上发展成为多层落帘涂布技术。多层液流的叠加、铺展流动与多层坡流涂布相同，不同的是液流离开涂布模头唇口后，垂直自由落下形成幕帘。最后涂覆在移动的基材上。液帘落下时，宽度方向的两侧由导流板保持液帘宽幅方向的稳定。为了防止支持体高速运行时所带动的气流影响液帘与支持体之间液桥的稳定状态，在支持体进入涂布区之前，需用隔板尽可能地阻止气流进入涂布区形成干扰。

多层落帘涂布工作原理

落帘涂布为非接触式涂布，因此可以在不规则表面的支持体上获得均匀的涂层。由一定高度形成加速度下落到被涂支持体上的落帘涂布，为保持从模头落下的液帘不断流，必须保证足够的涂液流量，这就要求实现足够高的涂布速度。Hughes 最初在落帘涂布专利申请中提出的多层落帘涂布工艺条件为:

涂布速度0.75~10m/s；

总涂布量13.8~233.5g/m2；

最底层涂液黏度4~80MPa·s；

幕帘高度5~20cm。

近年来有资料推荐落帘涂布的适合工艺条件为涂布速度2~20m/s，湿膜总厚度5μm，湿膜单层厚度小于1μm，体积流量/涂布宽度>1.0cm3/s·cm，剪切黏度10~5000MPa·s，表面张力(动态)<40mN/m，可一次同时涂布层数>10 层。这些数据主要是针对坡流式落帘涂布而言，对电子行业中印刷电路板和彩钢板的涂布，则情况有所不同。

10、旋转涂布

旋转涂布是借助于高速旋转所产生的离心力，将加注于支持体表面的液料进行铺展，形成所需厚度的涂层。支持体的旋转速度可以从几百转/分至上万转/分内进行调控。在应用较低黏度和固含量的涂液进行涂布时，其涂层厚度可从几十纳米至几微米，厚度均匀性可达百米至几微米，厚度均匀性可达百分之一。

旋转涂布工作原理

旋转涂布常用于各种聚合物溶液的涂布，涂层的厚度取决于涂液的黏度(固含量)、旋转速度、涂液溶剂的挥发速度等因素。B.T.Chen提出了以下关系式:

从上述关系式中可以看出，在涂布液黏度、溶剂蒸发速度相同的情况下，旋转速度越高，则涂层厚度越薄。而在旋转速度不变的情况下，涂液黏度低和蒸发速度慢，与涂液黏度高和蒸发速度快相比较，前者易于得到较薄的涂层。

旋转涂布在电子信息工业领域有着广泛的应用，如半导体集成电路光刻胶的涂布、平面显示器玻璃基板的涂布、光盘的涂布等。

通常旋转涂布主要用于科研及较小尺寸产品的生产。专用的大型旋转涂布设备也可在第5代液晶玻璃基板(尺寸1000mmx1250mm)上涂布光刻胶。但近年来随着平板显示器的不断发展，液晶面板的尺寸越来越大。进入第6代(尺寸1500mmx1800mm)，已改用条缝方式涂布光刻胶。

法国原子能委员会的Belleville，Philippe F.等人曾开发了一种大型旋转涂布设备，可以对1000mmx1700mmx20mm的大尺寸屏蔽窗玻璃进行防反射层的涂布涂层均匀性良好，极少出现厚边现象，单面涂层的可见光漫反射达到1%。这种大尺寸旋转涂布机的成功开发，进一步扩展了旋转涂布的应用范围。