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注:本文彩色配图不属于原文

涂布加工技术是完善材料物化特性以及以涂层为特征进行新产品开发的重要手段，现已广泛应用于轻工造纸等重要工业领域。塑料薄膜深加工、信息材料、图像显示器件生产等领域也有应用。众所周知，在造纸时对原纸进行涂料处理，能够提高纸张的白度和致密性，还能改善其机械强度以及印刷适应性。对高分子薄膜进行特殊涂层处理，能改善其抗静电性能和亲水特性，因为高分子薄膜具有高绝缘性和疏水性。在纸基上覆盖特殊涂层，就可以开发出无碳复写纸、喷墨打印纸以及各种热敏、光敏记录纸等产品。同样，在高分子薄膜上施加专门涂层，能够开发出各类胶带、光学滤光片以及磁记录材料、照相感光材料等产品。

这类专门加工的涂层，其厚度一般是几微米到几十微米。在平面显示器件中应用的防反射涂层、抗划伤涂层、导电氧化铟涂层，它们的厚度还不足 1 微米。因为性能和应用要求不一样，有的产品涂层是单层的，有的产品涂层是 2 到 3 层的复层结构，而彩色胶片的涂层结构多达十几层。

不同产品具有不同的性能和涂层结构，这必然会对涂布工艺技术提出不一样的要求。在造纸工业这个领域中，现代造纸设备都配备有机内涂布机，能够对抄纸之后的原纸进行涂料加工，通过这种方式可以全面提升纸张的物理机械特性以及印刷适应性，进而生产出高品质的印刷纸。这类机内涂布机的主要涂布工艺条件必须与主机抄纸设备的幅度以及车速等主要工艺参数保持一致。更多涂层加工类产品的涂布工序由独立的涂布机完成。这样做能对设备结构进行专门设计，能让其工艺条件有更大的调节范围，从而满足不同产品对其涂层结构特性的特定要求。

涂布加工工艺的核心在于涂布方法的选择。目前，在工业领域有上百种不同的涂布方法被实际应用。这表明没有一种涂布方法是万能的。只有依据各行业以及各个产品的特性和应用要求，分别选择相应的最佳涂布方法。按最终涂布量（或涂层厚度）的控制类型进行区分的话，涂布方法通常可以分为四种类型。

计量涂布方式有浸渍涂布、正向辊涂、反向辊涂等。在这些方式里，涂布量是由涂布液与涂布设备共同作用所形成的条件决定的，比如黏度、车速、间隙、涂布弯月面在不同辊轴的速度比等。

计量用于修饰涂布方式，像刮刀涂布、气刀涂布和计量涂布等。在这些涂布方式里，是先在物体上涂上液膜，然后再对涂布量进行控制。

预计量涂布方式有多种，比如条缝涂布、坡流涂布、落帘涂布等。在这些涂布方式里，涂布液是经过精确供料计量之后，才被涂布到支持体上的。

(4)混合涂布方法，如凹版涂布等，即将上述方法混合使用。

下面将集中介绍一些目前得到比较广泛应用且具有代表性的涂布方法。其中有浸渍涂布。还有气刀涂布。以及刮刀涂布。各类辊式涂布也包含在内。凹版涂布同样属于其中。条缝涂布也在介绍之列。坡流挤压涂布也不能遗漏。落帘涂布也属于这些涂布方法之中。

01

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浸渍涂布法在早期曾被较为广泛地应用。这种涂布方法的设备结构较为简单，所以容易得到推广应用。早在 19 世纪末，浸渍涂布与吊挂干燥就被用于连续生产照相纸。浸渍涂布的方法较为简单，其原理如图 1 所示。

图1 浸渍涂布工作原理图

涂料在被涂支持体 1 表面形成涂层。

02

气刀涂布法

气刀涂布法的原理如下：被涂支持体 1 经过压纸辊 2 ，接着由涂布辊 3 带上涂料槽 4 中的料液。料液在经过背辊 5 处时，气刀 6 喷射出气流，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过气液分离后，能够送回涂料槽中进行循环使用。气刀涂布的涂布质量和气刀喷射气流的分布均匀性以及稳定性有直接关联，也就是和气刀的结构设计以及加工精度紧密相关。气刀涂布的涂布量，与气刀射出的气流的压力、喷射的角度以及和原纸之间的距离有关，这些在实际操作中都是可以适当进行调控的工艺参数。

图2 气刀涂布工作原理图

气刀涂布的适应范围较为广泛。它在涂料含固量相对宽广、涂料黏度适宜以及涂布车速合适的情况下，能够获得较高的涂层质量。典型的气刀涂布运行参数条件如下：

涂料含固量

涂布车速 30~500m/min 涂布量 2

气刀涂布在工业化生产中应用广泛。它被应用于高级美术印刷纸的生产。它也被应用于无碳复写纸的生产。它还被应用于重氮盐纸的生产。它同样被应用于压敏记录纸的生产。它也用于热敏记录纸的生产。它还用于静电复印纸的生产。它同样用于喷墨打印纸的生产。它也用于涂布板纸的生产。

03

刮刀涂布法

刮刀涂布的方式是通过专门设置的刮刀来除去多余的涂布液，从而达到所需要的涂布量。一种斜角钢片柔性刮刀涂布工作原理图如图 3 所示。与气刀无接触涂布相比，它属于一种直接接触涂布方法，这种涂布方法能使涂层具有较高的平整度，并且其涂层表面不会受到被涂支持体原有表面粗糙度的影响。

图3 一种斜角钢片柔性刮刀涂布工作原理图

柔性刮刀涂布时，车速能够达到 30 到 800 米每分钟；涂料的固含量可以高达 50%到 60%；黏度也能够高达某个数值；涂布量可以在 6 到 30 克每平方米的范围内进行调节；其工艺适应的范围比较广。

柔性刮刀的材质是优质弹簧钢，其厚度在 0.3 到 0.6mm 之间，宽度大概在某个范围。刮力以及它与背辊的接触角和接触压力都能够进行调节控制。因为刮刀在高速运转的情况下会与被涂物料直接接触，所以很容易出现磨损的情况，这就需要适时进行更换。此外，刮刀和涂布物料之间容易有异物积累，从而形成涂布条道的弊病，所以必须时常保持刮刀处的清洁。

目前刮刀涂布的车速已经从当初的 200 到 300 米每分钟提升了。车速提升后达到了每分钟的某个数值。幅宽能够达到 10 米。这些变化大大提高了生产效率。

04

刮辊涂布法

刮辊涂布的工作原理如图 4 所示。旋转的金属刮可以把多余的涂料刮掉，从而达到所需的涂布量。金属刮辊的直径大概是 10mm 。它由微型电机带动进行主动运转，通常是以 10 到 20 转/分的固定速度旋转。其旋转方向既可以与被涂物料相同，也可以相反。当刮辊与被涂物料运行方向相反时，更利于对涂层起到整饰作用。

图4 刮辊涂布工作原理图

有一种刮辊叫钢丝刮辊，它是在金属刮辊上紧密缠绕直径为 0.1 到 0.15 毫米的不锈钢丝制成的。其工作状态如图片 5 所展示。在实际操作里，能够依据不同的涂料特性、不同的涂层量要求以及不同的车速，来选用不同直径缠绕的钢丝刮辊。

图5 钢丝刮刀工作原理图

刮辊涂布的车速适合在低黏度、低涂布量的情况下选用。其车速范围比较广，能够从每分钟几十米一直到每分钟上千米。涂布厚度主要是由绕线顶部之间的空间所决定的，涂布厚度为 0.21r，这里的 r 指的是绕线直径。然而，流体的流变性、片幅的速度和张力、转动的方向以及速度都会对平均厚度产生影响。

05

辊式涂布法

辊式涂布指的是由涂布辊和计量辊这两个及以上的辊所组成的自行定量涂布方式。因为辊数不同以及组合方法各异，所以能够形成几十种不同的辊涂方法。在此，对双辊涂布、三辊涂布以及逆转辊涂布这三种涂布方法进行简单介绍。

图6 双辊涂布工作原理图

双辊涂布的工作原理如图 6 展现。涂布会从涂料槽获取涂料，接着把部分涂料转移给运行到涂布辊和背辊间隙处的被涂物体。被涂物体带走的涂料以及涂层的表面状态，是由被涂物体与涂布辊的相对速度、涂布辊与背辊之间的间隙、涂料的黏度以及润湿特性等因素所决定的。

图 7 三辊涂布工作原理图

图 7 展示了三辊涂布的一种形式。涂布辊把涂料从料盘中带到转移辊上，接着转移辊将涂料转移到被涂物体的表面。只要调整各辊运转的线速度以及背辊与转移辊之间的间隙（或者压力），就能够调节涂布量。

图8 逆转辊涂布工作原理图

逆转辊涂布存在多种方式，其中包括三辊逆转和四辊逆转等。图 1-8 展示的是逆转辊涂布的工作原理图。

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凹版涂布法

凹版涂布是依据凹版胶印原理而设计的一种涂布方式。它存在二辊、三辊、四辊凹版辊涂布方法。图 9 是典型的二辊凹版涂布工作原理的示意图。凹版辊的表面雕刻着各种凹纹网点，像图 10 所展示的那样，其作用是容纳一定量的涂料。通常情况下，背辊表面都包覆着硬度相当高的橡胶层。涂布时与涂布辊压紧，从而形成一定的线压力，这样凹版网点内的涂料就能转移到被涂支持体上。很明显，涂布量是由凹版辊网点的图形以及雕刻深度所决定的。在涂料含固量固定不变时，选用合适网点的凹版辊，就可以获得所需的涂布量。涂膜层的表观质量，在很大程度上是由涂料的黏度和流变特性所决定的。

图9 二辊凹版涂布工作原理图

图10 几种凹版辊的网纹图

凹版涂布能够应用于涂布胶黏带、磁带、硅胶带等产品。其典型的工艺条件如下：涂层厚度为 1 至 50μm，黏度为 15 至·s，车速最高能达到 600m/min。凹版涂布的主要优势在于能够在高车速的情况下获得很薄的涂层，而其主要缺点是有时难以消除凹版辊的网纹。涂层的均匀性在很大程度上依赖于凹版纹的设计以及涂料的流变特性。涂布量与凹版辊凹纹内的容积呈正比关系。通常情况下，凹版辊的涂布转移量大概为其凹纹内容积的 60%。

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条缝涂布法和挤压涂布法

条缝涂布和挤压涂布的基本工作原理如图 11 所示。涂料经专门的供料装置送入涂布模头的分液腔，接着从条缝流出形成涂布液桥，随后转移到移动的被涂支持体上。在条缝涂布时，涂液的黏度和毛细管力起主导作用，并且涂布模头和支持体之间的间隙很小，一般是涂布厚度的 2 到 10 倍。而在挤压涂布的情形下，涂布间隙为湿厚度的 100 倍以上。条缝涂布流出液膜的弯月面状态与挤压涂布流出液膜的弯月面状态不同，如图 12 所示。挤压涂布对于高黏度液体以及高分子熔融体的涂布更为适合。

图11条缝涂布和挤压涂布工作原理图

图12 条缝涂布和挤压涂布不同工作状态

条缝涂布的涂布量取决于供液量和支持体的运行速度。挤压涂布的涂布量也取决于供液量和支持体的运行速度。涂布间隙的大小要在保证涂布液桥稳定的前提下尽可能大些。这样可以防止各种尘埃杂质滞留积累，从而避免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时保持液桥的稳定。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。

图13 特定涂层要求产品示意图

条缝涂布能够实现条幅型和间歇型特定的非连续性涂布。如图 13 所示，它可适应一些高附加值产品的特殊要求。比如应用于染料热转移打印的 RGB（红、绿、蓝）卷状色带，其三种颜色是以一定间距竖向并行排列的。而燃料电池的隔膜以及薄膜电池的电极，是呈间歇型排列的，以适应工业化组装的要求。

实施条幅涂布方法时，要在涂布模头内涂液流动通道中安置相应的阻塞片，通过这种方式阻止这部分涂液流出，从而形成涂布空白区。间歇涂布主要是借助涂液供料系统的开启或关闭来实现，以此精确控制其涂布长度以及间隔距离。

08

多层坡流涂布法

多层坡流涂布的工作原理如图 14 呈现。被涂液体从涂布模头的条缝流出后，顺着坡流面向下流动。接着，在涂布间隙处形成液桥，随后被运行的支持体带走。在进行多层涂布时，从每个条缝流出的液体，流经自身的坡流面后，便铺展在下层坡流面的液面上，从而实现层层叠加。显然，要保证多层叠加的液流处于稳定的层流状态而不产生紊流，这是保证多层涂布质量的必要条件。从模头结构设计方面来看，条缝前后隔板出口的倒角以及涂布唇片的形态，对多层涂布的质量有着十分重要的作用。从涂液的物化性能方面来说，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匹配。

图14 多层坡流涂布工作原理图

20 世纪 50 年代，伊斯曼柯达公司申请专利将多层坡流涂布应用于多层彩色感光材料的生产。一次多层涂布的层数能多达 10 层，涂布总厚度可在几微米至几十微米之间，其中最薄的干厚度能薄到 1 微米左右。可以说，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到了巨大的推动作用。

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落帘涂布法

落帘涂布技术起初应用于夹心巧克力生产和纸板加工领域，且多为单层涂布。1970 年，柯达公司科研人员在多层坡流基础上，将其发展成了多层落帘涂布技术，其工作原理如图 15 所示。多层液流的叠加、铺展流动与多层坡流涂布是相同的，不同之处在于液流离开涂布模头唇口后，垂直自由落下形成幕帘，最终涂覆在移动的支持体上。液帘落下时，其宽度方向的两侧由导流板来保持宽幅方向的稳定。因为要防止支持体高速运行时所带动的气流对液帘与支持体之间液桥的稳定状态产生影响，所以在支持体进入涂布区之前，需要用隔板尽可能地阻止气流进入涂布区从而形成干扰。

图15 多层落帘涂布原理图

落帘涂布属于非接触式涂布。所以，它能够在不规则表面的支持体上获得均匀的涂层。在一定高度形成加速度并落至被涂支持体上的落帘涂布，为了让从模头落下的液帘保持不断流，就必须保证有足够的涂液流量。而这也就要求能够实现足够高的涂布速度。

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旋转涂布法

旋转涂布借助高速旋转产生的离心力，能将加注在支持体表面的液料进行铺展，从而形成所需厚度的涂层。支持体的旋转速度可调控在几百转/分至上万转/分之间。其工作原理如图 16 所示。当应用较低黏度和固含量的涂液进行涂布时，涂层厚度能从几十纳米到几微米，且厚度均匀性可达百分之一。

旋转涂布常被用于各类聚合物溶液的涂布。涂层的厚度会受到涂液的黏度（固含量）影响，也会受到旋转速度的影响，还会受到涂液溶剂的挥发速度等因素的影响。

旋转涂布在电子信息工业领域应用广泛。例如，在半导体集成电路光刻胶的涂布方面有应用。在平面显示器玻璃基板的涂布方面有应用。在光盘的涂布方面有应用。

图16 旋转涂布工作原理图

通常旋转涂布主要被用于科研以及较小尺寸产品的生产。专门的大型旋转涂布设备能够在第 5 代液晶玻璃基板（其尺寸方面）上涂布光刻胶。然而近些年随着平板显示器持续发展，液晶面板的尺寸变得越来越大。到了第 6 代（其尺寸方面），已经改用条缝方式来涂布光刻胶。