精密涂布技术的发展状况

谢小英

摘要：精密涂布技术在现代工业制造中起着重要作用，从传统工业到精密电子产业、功能性薄膜、柔性电路板及新能源产业都与精密涂布技术息息相关。本文简述了当前精密涂布的发展概况，阐述了浸沾涂布、刮刀涂布、狭缝涂布和落帘涂布的工作原理和应用。

关键词：精密涂布技术；浸沾涂布；刮刀涂布；狭缝涂布；落帘涂布

中图分类号：TQ573+.3 文献标识码：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

廣义而言，涂布是将具备特定功能的材料附着在目的基材表面，取代原有基材的固气界面，以保护基材，或改善基材的表面功能，以赋予基材新的功能特性，或直接利用涂层的表面特性，以提高终产品的使用价值或利于后续加工。一个完整的涂布工程包括上游的涂料合成、分散与流变特性分析，中游的涂料与基材界面技术，以及下游的涂布与干燥技术，涂布工程中所有的操作步骤均在一定的高标准下进行，即为精密涂布。

2 精密涂布技术及其应用

涂布技术最早用于感光工业、纸加工工业和包装工程等领域[1-3]，早期的涂布基材主要为纸张和塑料薄膜，随着材料科学和材料工程的飞速发展，被涂基材已从纸张、薄膜发展到各类高分子薄膜、铝箔、铜箔及钢板等[4-6]。自工业革命爆发以来，涂布技术就在传统工业产品制造中占据着重要的地位，如纲印制版、民生组件的喷漆、胶带、合成皮等，随着涂布基材的高速发展，精密电子产业的兴起以及新能源产业的迅速崛起，现代工业产品的制造，如各种平面显示器的光学膜、软性印刷电路板以及新能源相关的锂离子电池电极等，都对涂布技术和涂布环境提出了越来越高的要求，精密涂布技术的发展尤为重要，其应用领域也不断扩大。精密涂布技术依据涂料加工方式的不同，可以分为干式精密涂布和湿式精密涂布两大类。

2.1 干式涂布

从字面上理解，干式精密涂布是指在整个涂布过程中没有液体出现，常见的干式精密涂布方式有真空蒸镀法，其原理为在真空环境中，通过电能等高能方式加热固体原料，待其升华成气体后附着在某一固体基材[7，8]。化学气相沉积法也是干式涂布的常见方式之一，其将含有构成薄膜元素的反应剂蒸汽及反应所需气体，通入放有基材的反应室，通过空间化学反应在基材表面沉积薄膜[9-11]。日常生活中常见的金属质感包装膜、刀具材料、大规模集成电路技术的铁电材料[12-14]等一般都是通过干式涂布技术制造而成。但是干式涂布成本高昂，限制了许多产品的大规模生产。

2.2 湿式涂布

相对干式精密涂布，湿式精密涂布更适合诸多工业产品的实际量产，一般做法就是将不同性能的成分组合成液态涂料，通过不同的加工方式涂布在基材上，再经干燥固化成膜。湿式涂布依据流体力学的差异，分为后计量式和预计量式两大类型。后计量式涂布方式的涂膜厚度受涂料的流变性质和涂布条件所影响；预计量式涂布方式的涂膜厚度由输液系统决定，不受涂料的流变性质或涂布速度的影响。本文主要讨论湿式精密涂布技术的发展及应用。

2.2.1 浸沉式精密涂布

浸沉式精密涂布（Dip Coating）是工业界中最普遍使用的涂布技术之一，为典型的后计量式涂布方式。在典型的浸沉涂布过程中，先将基材以固定的速度浸沉在含有涂料的容器内，一段时间后以一定速度取出含有涂料的基材，最后将溶剂干燥蒸出，涂料便形成薄膜附着在基材上[15，16]。在浸沉涂布的整个过程中，涂膜厚度随涂布速度增加而变厚，但不成线性关系，待厚度增大到一定值后，涂膜厚度反而随涂布速度增加而降低。其原理为当基材与液体涂料接触时，由于毛细压力，在基材接触处的涂料会沿基材升高，并形成凹形表面，在此凹形处，表面张力的合力指向液体的外部，导致液体内部压强小于外部压强，涂液便附着在基材表面[17]。浸沉涂布最早用于在织布塑料表面形成薄膜[18]，Li等人采用浸沉法制备了具有疏水性能和光致发光性的棉纺织物[19]。但是浸沉涂布的均匀度较差，车速较低，限制了其应用。

2.2.2 刮刀式精密涂布

刮刀涂布（Blade Coating）是世界各国生产含有涂层的纸和纸板的一种常用涂布方式，也为后计量式涂布方式之一，其采用强度和硬度较好的合金钢刀片来调节涂布量和涂布层的平滑度，这种涂布方式能够使纸张具有较高的平滑度和光泽度。其原理是涂布辊将过量的涂料涂在原纸表面上，在纸幅通过背辊与刮刀之间时，刮刀与纸幅之间的距离决定了涂膜厚度，同时将多余的涂料刮掉，并由此在原纸表面形成一层均匀的涂层[20]。根据所用刮刀类型的不同，刮刀主要包括刮棒、逗号刮刀、气流刮刀等。

刮棒通常由强度硬度较好的圆棒精加工做成，圆棒上面缠绕精密的不锈钢拉丝做成计量棒，其原理是利用计量棒控制涂布量，其可精确地将多余涂料刮掉，在实际生产中，可选择不同型号计量棒精准控制涂膜厚度。张梅春等人发明了一种可调计量刮棒涂布装置，可有效克服涂层不均，涂布过程中出现气泡的情况，并且解决了涂料流失的情况[21]。逗号刮刀为刮刀涂布中一种新的涂布方式，其为涂布头中的关键部件之一，一般在圆辊表面沿母线加工成形似逗号的刃口，这种刮刀具有高的强度和硬度，易于控制涂布量和涂布精度，适用于高固含量和高黏度的涂布液，但是逗号刮刀的刮刀條痕会影响涂层的表观质量，不适合涂布有色涂层。吴成业提出一种新型逗号刮刀组合装置，通过调整刮刀所受力的大小来实时调节或者消除逗号刮刀的挠曲变形量，能有效提高逗号刮刀的高精度特性[22]。与刮棒和逗号刮刀相比，气刀涂布比较特殊，其原理是由空气调节涂布量和涂膜平滑度，在基材通过背辊与气刀之间时，由气刀喷嘴所喷射的气体将过量涂布液吹掉，以此在基材表面形成一层厚薄均匀的涂层。从其工作原理可知，在涂布过程中，气刀不直接与基材接触，其适用于固含量低的涂布液和压敏性涂料的涂布。方伟庆详细阐述了气刀涂布在生产中如何节约涂料的办法，对实际生产具有很强的指导意义[23]。

2.2.3 狹缝式精密涂布

狭缝涂布（Slot-Die Coating）为典型的预计量涂布方式，作为一种精密的湿式涂布技术，其目前被广泛用于电子、光学薄膜、印刷以及新能源如太阳能电池锂离子电池电极涂布等众多领域。狭缝涂布的工作原理为涂布液在一定压力下沿着涂布模具的缝隙压出而转移到基材上的一种涂布方式[24，25]。相比其它涂布方式，具有很多优点，如涂布速度快、精度高、膜厚均匀；涂布系统封闭，在涂布过程中能防止污染物进入，涂布效率高，可同时进行多层涂布。狭缝涂布技术已臻于成熟，应用领域不断扩大，从传统领域不断走向新兴产业。Dupont公司采用狭缝技术生产的结构简化的OLED能大幅提高OLED的效率和稳定性，其生产成本约为由其它涂布技术生产的OLED的一半[26]。操作窗口（Operating Window）是狭缝涂布一个重要的工艺参数，在实际生产中，当工艺参数超出操作窗口的范围时，涂布缺陷便会产生。Liu等人通过在PVA涂布液中加入无机粒子如TiO2及SiO2，可有效增大PVA涂布液的操作窗口，同时降低涂布缺陷的产生[27]。

2.2.4 落帘式精密涂布

落帘涂布也是采用预计量涂布方式进行精确涂布，不同于传统刮刀涂布直接接触基材的涂布方式，落帘涂布是一种非接触式涂布技术，因此其具有很多优势，它可减少涂布模具与基材之间的摩擦，减缓涂布液向基材内部渗透，涂布量由供料泵的流量控制，能耗低[29]，涂层薄以及涂布速度快是落帘涂布最显著的两个特点。其工作原理为涂料从喷嘴中流出后，以自由下落的方式形成连续性的液体幕帘沉积在喷嘴下面的基材上，对基材表面的覆盖性好，整个涂布过程可以分成三个区域：幕帘形成区、幕帘流动区和幕帘冲击区，每一个区域的工艺条件对产品的质量保证都至关重要，如图3所示[30]。帘式涂布目前被广泛用在热敏纸、低量涂布纸、印刷纸和防护涂层纸中，Koehler公司采用落帘式涂布技术生产的热敏纸，其涂布速度最高可达1500m/min，且涂布液的固含量范围宽，约为25%-75%[31]。

3 结论

随着材料科学和工程以及纳米科技的高速发展，精密涂布技术也在不断革新和组合，以满足现代工业制造的日益增长的需求，但是不同的涂布技术仍然存在一定的缺陷，随着其向高精度、涂层薄和多功能层集成的方向不断发展，未来我们仍需加大力度对现有涂布技术进一步优化，以满足经济社会提出的低能耗、高环保的要求。

参考文献：

[1]秦睿睿，许文才，陈邦设等.涂布技术研究进展[J].包装工[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，孙红旗.耐水改性聚乙烯醇涂布膜的研究[1]进展及发展前景[J].包装工程，2010（1）：108-110.

[4]丁建民.一种能提高安全性能的锂离子电池负极材料及其[1]制备方法：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]刘灿楼，刘昕，江社明等.一种冷镀锌层的耐腐蚀性能[J].[1]材料保护，2015（9）：8，71-72.

[7]张凯，白红美，程方益等.真空蒸镀法制备锡薄膜及其嵌锂[1]电化学性能[J].应用化学，2011（8）：918-923.

[8]彭晓光，汪洋，曹开斌等.大规模真空蒸镀二氧化钛薄膜及[1]其表征[J].功能材料，2008（11）：1770-1773.

[9]杨西，杨玉华.化学气相沉积技术的研究与应用进展[J].[1]甘肃水利水电技术，2008（3）：211-213.

[10]张迎光，白雪峰，张洪林等.化学气相沉积技术的进展[J].[10]中国科技信息，2005（12）：82，84.

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

[12]胡昌义，李靖华.化学气相沉积技术与材料制备[J].稀有[10]金属，2001（5）：364-368.

[13]王丽敏，李晓峰，侯鹤岚等.刀具涂层技术的应用与发展[10][J].真空，2000（2）：5-6.

[14]高丽萍.超大规模集成电路中的CVD薄膜淀积技术[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]谢宗扬.乳剂弯月面的形态及其涂布特性[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]李景刚.自动刮刀涂布头的特性及原理[J].湖南造纸，[10]1995（3）：12-14.

[21]张梅春，元华利，元荣寅.一种可调计量刮棒涂布装置： [10]CN， CN 203061361U[P].2013.

[22]吴成业.涂布机用新型逗号刮刀组合装置研究[M].合肥[10]工业大学，2010.

[23]方伟庆.气刀涂布节约涂料的办法[J].工艺技术，2002[10]（6）：28.

[24]迟彩霞，张双虎，乔秀丽等.狹缝式涂布技术的研究进展[10][J].应用化工，2016（2）：360-363，366.

[25]徐方超，李增辉，兰红波.狭缝涂布理论建模与数值模拟[10][J].青岛理工大学学报，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]謝宜风.精密涂布工艺应用新进展[J].信息记录材料，[10]2010（1）：28-37.

[29]张正健，董荣业，周军峰.非接触式落帘涂布技术[J].中[10]华纸业，2005（9）：38-41.

[30]Charles P K. Updated on Coated Papers， Coating Processes [10]and Materials[A].2005中国造纸学会学术报告会[C].2005.

[31]宋微，董荣业，刘洪斌.帘式涂布技术的研究进展[J].中[10]华纸业，2008（3）：62-65.