常用涂层制备工具与漆膜厚度关系的探讨(下)

发布日期:2021-07-28

标格达学术性文章荣登《涂料工业》杂志(二)

5月,由中海油常州涂料化工研究院主办的《涂料工业》杂志(2021年5月,第51卷,第5期)「应用研究」专栏,刊登我公司专业学术性文章,该文章由我公司王崇武总经理、苏纳工程师联合撰写。

常用涂层制备工具与漆膜厚度关系的探讨(中)

2 结果与讨论


2.2.2 精密机械加工型线棒涂布器对制备的干湿膜厚度的影响

目前市场上已出现不同品牌的挤压式线棒涂布器,但因缺乏统一的生产标准,各品牌所标识的规格型号有着比较大的差别,这主要是因为加工时的凹凸形状不同,具体表现为凹槽波峰与峰距的不同,而这2个参数恰恰是影响残留在凹槽里面涂布样品量大小的关键因素,从而直接影响最终制得的涂膜厚度。表4是使用型号为 BGD 214 的不同标号的精密机械加工型线棒涂布器所得到的实际湿膜厚度及干膜厚度。

表4 不同波峰和峰距对实际湿膜厚度及干膜厚度的影响

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从表4可以看出,精密机械加工型线棒涂布器的湿膜厚度与凹槽波峰、峰距有关,这2个值越大,所得到的湿膜厚度也越大;另外,结合表3分析可知,相同标号(即相同直径)的精密机械加工型线棒涂布器和缠绕钢丝型线棒涂布器,所得到的实际湿膜厚度也不一样,从实验数据来看,缠绕钢丝型线棒涂布器能得到更厚的湿膜。结合图2中2种线棒涂布器的投影图像分析,这可能是由同标号的缠绕钢丝型线棒涂布器丝线比精密机械加工型线棒涂布器的涂布间隙大导致的。


2.3 不挥发物体积固体含量

不挥发物体积固体含量(简称体积固含)是涂料重要的指标之一,它可为计算涂料的涂布率提供重要的依据。一般都简单认为,涂料的不挥发物体积固体含量为干膜厚度/湿膜厚度。图4为3种不同工作面结构的间隙式涂布器和线棒涂布器制备的涂膜的干膜厚度/湿膜厚度。

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图4 不同制备工具的规格对干膜厚度/湿膜厚度的影响

由图4可知,无论采用间隙式涂布器,还是线棒涂布器,干膜厚度与湿膜厚度的比值均随制备间隙(间隙深度或线径)的增大而减少。分析原因,可能是因为边缘效应,即在使用间隙式涂布工具涂布时,涂层干燥后会出现边缘厚、中间薄的现象,即厚边,有时也称“相框效应”。有研究认为[4]:产生厚边的原因是表面张力驱动下的物质迁移。开始时,湿膜的边缘处较薄,溶剂挥发速度较中间快,导致边缘固含量迅速升高,边缘的表面张力远大于中间湿膜的表面张力,边缘处较大的表面张力以及较快的溶剂挥发驱动内侧液体向边缘移动,烘干后形成厚边,见图5。

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图5 湿膜制备时厚边形成的机理

也有人认为[5-6],是因为湿膜边缘受到限制,故涂层干燥固化后边缘部分涂层厚度超过中间部位膜厚,形成外凸内凹的涂膜面。Park等[7]研究了水基阳极浆料SDC(狭缝式涂布)过程的边缘效应,通过测量涂布起始位置截面轮廓,发现涂布速度对边缘宽度和高度无显著影响,边缘梯度随着涂布速度增加而增大,减小间隙比(涂布间隙/膜层厚度),可以降低边缘效应。Schmitt 等[8]研究了间隙涂布过程的边缘效应,通过压力预调整可降低边缘厚边。Schmitt等[9]还通过数学模型和正交试验,研究了涂布方向厚度不均匀的影响因素,发现提高涂布速度和涂布间隙可以减小涂布方向干膜厚度不均情况。

另本次实验中,因采用齿距为5μm的梳规测量湿膜厚度,越薄的涂层,湿膜厚度误差越大,这也是薄涂层的干膜厚度与湿膜厚度比值高于厚涂层的主要原因之一。因此,如果按常规的由干/湿膜厚比得到样品的不挥发物体积固体含量,可能与实际值存在较大的偏差而失去应用价值[8]。


3 结 语


(1)样板涂布所得的湿膜厚度一般不等于涂布器间隙厚度或线棒涂布器所示标号。

(2)不同工作面结构的间隙式涂布器所制备的湿膜厚度/间隙深度不一样,在同一间隙深度下,扁平刃、圆弧刃、锋利刃涂布器制备的样品的湿膜厚度与间隙深度的比值依次增大;工作面结构相同的间隙涂布器,当间隙深度增加时,其制备的样品的湿膜厚度与间隙深度的比值也随之增大。

(3)缠绕钢丝型线棒涂布器同间隙式涂布器基本类似,当钢丝直径增大时,其制备样品的湿膜厚度与绕线钢丝直径的比值也随之增大,直至接近100%。

(4)精密机械加工型线棒涂布器所制得的湿膜厚度与凹槽结构,即波峰深度、相邻波峰距离有关,当凹槽波峰、峰距增大时,湿膜厚度随之增大,但湿膜厚度小于同型号的缠绕钢丝型线棒涂布器制备的样品。 

(5)对于同一种样品,干膜厚度与湿膜厚度的比值并不是固定值,而是随制备间隙的增大而变小,因此直接用干/湿膜厚比计算样品的体积固体含量并不可靠。


参考文献


[1]巴顿T C. 涂料流动和颜料分散--流变学方法探头涂料及油墨工艺学[M]. 2版. 北京:化学工业出版社,1988.

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[4]迟彩霞,张双虎,乔秀丽,等. 狭缝式涂布技术的研究进展[J]. 应用化工,2016,45(2): 360-363.

[5]刘学红,李丹,李静静,等. 干湿膜厚度比测定液体涂料体积固体含量计算方法[J]. 涂料工业,2019,49(12):47-53.

[6]刘学红. 一种测厚法测定涂料不挥发物体积固体分的计算方法:CN2019107156. 4[P]. 2019-07-25.

[7]PARK J, SHIN K, LEE C. Improvement of cross-machine directional thickness deviation for uniform pressure-sensitive adhesive layer in roll-to-roll slot-die coating process[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2015, 16(5): 937-943.

[8]SCHMITT M, DIEHM R, SCHARFER P, et al. An experimental and analytical study on intermittent slot die coating of viscoelastic battery slurries[J]. Journal of Coatings Technology and Research, 2015, 12(5): 927-938.

[9]SCHMITT M, SCHARFER P, SCHABEL W. Slot die coating of lithium-ion battery electrodes: investigations on edge effect issues for stripe and pattern coatings[J]. Journal of Coatings Technology and Research, 2013, 11(1): 57-63.





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