



涂布技术分为两大类:干法涂布有真空蒸镀法和化学蒸镀法等;湿法涂布是将液态物质经加工附着到基材上,再经干燥固化成膜的过程。
湿法涂布的基本方式有很多,如凹版涂布(正转、逆转)、微凹版、柔性版、辊涂、迈耶棒、挤出嘴、刮刀辊、逗号刮刀、气刀、落帘、喷涂等。
根据涂布量及涂布液流体力学差异,涂布方式又可分为自计量涂布、计量修饰涂布、预计量涂布和混合涂布。
(1)自计量涂布方式,如浸渍涂布、正向或反向辊涂等。在这些方式中,涂布量取决于涂布液与涂布设备共同作用所形成的条件,如黏度、车速、间隙、涂布弯月面在不同辊轴的速度比等。
(2)计量修饰涂布,如刮棒涂布、刮板涂布、刮刀涂布、气刀涂布等。这些涂布技术是先涂布上液膜后再控制其涂布量。
(3)预计量涂布,如条缝涂布、坡流涂布、落帘涂布、挤出薄膜涂布(MSP)等。在这些方法中,涂布液是经过精确供料计量后再被涂布到支持体上的。
(4)混合涂布,如凹版转移涂布和微凹版涂布等,即将上述方法混合使用。
不同涂布方式,在涂布液黏度、可实现的涂布速度及涂布厚度、涂布均一性和一次涂层数量及涂布基材的影响方面,各不相同(表 1-1)。
表 1-1 涂布方式与涂布范围
涂布技术是综合性、多学科综合交叉性的应用技术。随着功能材料的快速发展以及高效能轻量化卷对卷(R2R)生产技术的应用,适用于制备大面积功能材料的廉价和快速处理的精密涂布技术,丛书之《涂布复合技术》第一章介绍了涂布技术在一系列战略性新兴产业的广泛应用。
(1)功能性光学膜
功能性光学膜是平面显示器的重要构件。功能性光学膜有扩散膜、增亮膜、偏光膜、配向膜、抗静电保护膜、防眩膜、抗反射膜等。光学膜要求厚薄均匀,光学、机械、性质均一,表面无尘、少晶点,透光率适应多种功能性要求。主要采用微凹版涂布和狭缝涂布方式制造。微凹版涂布表面平滑有光泽。狭缝涂布涂层均匀,可实现大尺寸及超薄层涂布。
(2)大面积有机太阳能电池
有机太阳能电池是由电极、空穴传输层、光吸收层、电极传输层和透明电极等多层结构组成的。理想工艺是在柔性基板上,用尽可能少的涂布和印刷步骤制造所有涂层。丝网印刷用于处理背电极。空穴/电子有源层和阻挡层,则广泛使用狭缝涂布。
(3)有机薄膜晶体管(OTFTs)
机薄膜晶体管(OTFTs),在制造工艺、成本、节能环保、柔性挠曲及原料来源方面均有显著优势。有人用R2R凹版方式制备有机薄膜晶体管,采用底电极/顶栅极结构,样品开关比 10 4 以上、迁移率 0.04cm 2 V -1 s-1。
(4)高分子发光二极管(PLED)
高分子发光二极管的层型结构与有机太阳能电池相似,只是将吸光层替换为发光层。高分子聚合物分散液,有可能用多种涂布印刷工艺进行大面积制造。目前已有R2R方式的生产制造技术研究,包括狭缝涂布、刮刀涂布、凹版印刷,有可能制作大面积光源。
(5)燃料电池
聚合物质子交换膜(PEM)是聚合物电解质燃料电池的核心部分之一,是一种选择性透过的功能高分子膜。有人用刮刀涂布和狭缝涂布方式制备 40µm厚聚苯并咪唑薄膜。将 9%(w/w)PBI的二甲基乙酰胺溶液,涂布到纸张或塑料基板,140℃烘干,在第一层预备膜表面再次涂布,复合膜产品与传统方式性能一致,生产效率大幅提高。
为了获得理想的涂布质量,在涂布基材和涂层构成确定的前提下,涂布方式的选择就显得十分重要。成熟产品的生产线建设,是放大产能的过程。通常,新产线没有产品性能、工艺过程及后期加工的详尽工艺参数,即设备设计制造方无法得到完整的技术要求。因此,新产品必然出现涂布质量不符、缺陷问题频发现象。以上过程,如图 1-1 所示。
图 1-1 新产品生产线设计制作与涂布缺陷
理想状态下,需方和供方对生产线的机械部分及工艺技术要求,具有明确共识,此时,安装调试后的设备,才能保证尽可能少地出现涂布质量缺陷(图 1-2)。
图 1-2 新产品生产线设计制作与涂布缺陷规避
为此,需要双方对建生产线以及涂布技术要有很好的把握,才能结合实际评估交流,选定涂布方式。表 1-2 是最优化涂布方式选择的参考途径。
表 1-2 涂布方式选择依据
由表 1-2 可见,涂布方式的选取,要从产品涂层要求出发,综合考虑设备硬件构成、软件应用、制造周期及制造成本,结合生产能力及安全环保要求等条件,才能形成最优化方案。
涂布生产线软件技术和硬件技术构成,大致如表 1-3 所示。
表 1-3 涂布生产线构成之软硬件技术
并非高精度涂布机就能制造出高品质产品,必须同时了解各种涂布方式的缺点,所选涂布方式要符合商品特性、生产量等的涂布设备设计。
机械振动对不同方式涂布不匀的影响不同(图 1-3)。允许的振动强度,可以涂珠(根据频率、涂布液而变化)范围表征。模头挤压涂布对各种振动都非常敏感,易发生缺陷。
图 1-3 振动对涂布不匀强度的影响
振动率ΔB/B和不匀强度ΔD/D的关系如下公式所示,C2 涂布方式因涂布机不同而不同,所以振动容许度也在不断变化。
计算结果为:
狭缝式:0.2 ~ 1μm
坡流式:0.5 ~ 2μm
落帘:1 ~ 5μm
刮棒式:10 ~ 100μm
微凹版涂布 0 ~ 10μm,由刮刀振动引发的不匀,幅度强于微振动导致的棒式不匀。
涂布过程中,容许振动具备频率特性,在 10 ~ 70Hz时,涂珠振动易发生。振动有变位、速度、加速度三种形式,对应的宽容度也不同,低频率时通过变位、高频率时通过加速度决定宽容度。
搬运过程不规范,机械基础、压缩机、冷冻机、风扇等的振动,以及配管振动引起的机械振动,都会导致狭缝式挤压涂布涂珠振动。刮棒涂布也有诸多因素影响涂珠振动,导致涂布不匀(图 1-4)。
图 1-4 棒式涂布(左)及狭缝涂布(右)涂珠振动
不同涂布方式,有不同程度的振动宽容度。在设备安装过程中,需要注意:
(1)正确进行基础施工。
(2)机械、干燥等单元框架和涂布基础明确分离。
(3)较大的振动源,如燃气燃烧设备、冷冻机、各种空调机,应尽可能远离涂布站。