精密涂布工藝應用進展

涂布工藝是改變和完善材料表面特性的重要加工工藝, 而隨著科學技術的不斷發展, 涂布工藝更成為許多重要功能性材料研究開發所不可或缺的重要工藝技術手段。特別是精密涂布工藝技術可滿足某些涂層的特殊要求, 從而增加材料的附加值并擴大其應用范圍。一次多層坡流擠壓涂布和落簾涂布曾是精密涂布工藝技術的典型代表。正是多層坡流擠壓涂布技術的開發和應用, 使彩色感光材料的多功能層結構在性能上得以極大完善并實現工業大生產?？梢哉f, 沒有一次多層高速擠壓涂布技術, 要實現多達10 余層而總厚度僅為20μm 左右的彩色膠卷工業化生產是不可想象的。目前照相感光材料工業雖已日趨衰微, 但擠壓涂布和落簾涂布技術仍在輕工造紙, 膜材料加工, 包裝材料等行業中得到了推廣應用。

近年來, 平板顯示產業以及一些新型光電子產品, 得到了迅猛發展。這些產品的涂層往往要求更薄、更均勻, 從而對精密涂布工藝技術又提出了新的要求。例如液晶顯示器所用的防反射膜、防眩光膜的涂層厚度只有幾十至100nm 左右;而用于新型充電鋰電池電極的涂層要求實現帶狀涂布或間歇塊狀涂布。多層擠壓涂布和落簾涂布顯然已不能完全滿足這方面的要求。有大量文獻資料報導, 條縫涂布和微凹版輥涂布工藝在這些領域得到了廣泛的應用。這類光學膜涂層傳統上采用真空蒸鍍、化學沉積、等離子聚合等方法, 這些方法是在真空條件下將固態組分氣化蒸發沉積在特定的基體上。

由于必須采取真空密閉操作環境, 難以實現低成本、高效率的卷對卷式大規模生產。采用旋涂法雖也能得到均勻的薄層涂布效果, 但受到涂布面積和涂布效率的限制, 特別是其涂布液的利用率只有5 %左右, 造成巨大的浪費, 難以實現低成本的工業化生產。因此, 尋求新的精密涂布工藝技術, 適應低成本、高質量、大規模生產, 以適應市場競爭需要是必然的選擇。如許多光電子產品中的透明電極導電層———銦錫氧化物(ITO) 就一直采用濺射法制備。而日立麥克賽爾公司于2008 年底宣布采用濕法涂布工藝制成透明I TO 導電膜 。該公司利用其水熱法制備氧化鐵磁粉的經驗, 制備了納米級的ITO 微粒子, 通過分散配制成I TO 涂布液, 再經微凹版輥涂布工藝將ITO 涂布液涂布在PET 基材上, 經干燥后就得到透明ITO 導電膜。而另一方面, 采用有機導電高分子聚合物, 通過溶液涂布手段、形成透明導電膜取代ITO 膜的工藝路線, 已開始得到愈來愈多的應用。

據此, 本文將著重介紹微凹版輥涂布工藝和條縫涂布工藝在平板顯示、光電子產品、鋰電池等領域中的應用狀況。

2 微凹版輥涂布工藝

2.1

微凹版輥涂布工藝概述

微凹版輥涂布工藝技術是日本康井精機公司在普通逆向凹版輥涂布工藝基礎上開發的專有技術。其基本原理相同, 都是一種自計量方式的涂布工藝:藉助于凹版輥網紋圖案、線數以及深度確定帶液量, 并通過一些工藝操作條件因素來決定轉移涂布量的一種涂布方式。

微凹版輥與普通凹版輥涂布工藝的最大區別就在于“微” 。普通凹版輥的直徑約為125 ～ 250mm ,而微凹版涂布輥的直徑, 根據不同涂幅寬度分別為20mm (涂布寬幅為300mm) 和50mm (涂布寬幅為1600mm)。這樣小直徑的凹版輥在涂布時與被涂基材的接觸面積要小得多。涂布過程中凹版輥凹槽中的涂液一部分被轉移到被涂基材上, 一部分則仍留在凹版輥的凹槽內。這樣進入和離開涂布點的前后會分別形成2 個液橋

在通常大直徑凹版輥的情況下, 易產生較大的干擾液橋, 造成涂層弊病。特別當凹版輥還有壓緊背輥工作時, 情況尤為嚴重, 而微凹版輥涂布工藝由于凹版的直徑小, 而且又沒有壓緊背輥, 所以進入和離開涂布區的液橋量很小, 比較穩定, 從而有利于提高轉移涂布的質量。

為除去凹版輥從料盤中帶上的過多涂液, 微凹版輥所使用的刮刀要遠比普通凹版輥所使用的更為柔軟而且壓力更小, 刮角近似于正切角, 主要起勻化和定量的作用, 而普通凹版輥的刮刀則更偏重于刮的作用。這樣微凹版輥本身以及刮刀的壽命可延長許多。

在固定凹版輥型號和涂液物性的條件下, 微凹版輥的線速與被涂基材的運行速度比, 決定著涂布量。濕涂層厚度與微凹版輥線速度/基材速度比之間的相互關系

一般情況下, 當微凹版輥線速度/基材速度比達到0.6 時, 開始涂布帶料, 速度比達到1.0 ～1.3 時, 即可達到表面光滑和均勻的涂布量;速度比為1.3 ～ 2.0 時, 涂布量進一步增加, 速度比超過2.0 時, 涂布呈不穩定狀態, 涂布量反而會減少。

 直線部分的速度比為1.0 ～ 2.0之間, 但通常1.0 ～ 1.3 是最好的操作區間, 即可達到最好的表觀, 而又可適當調節涂布量。微凹版涂布工藝既可適應水溶性涂液, 又可適應溶劑性涂液的涂布, 其粘度范圍為1 ～ 1000cps , 在某些情況下甚至可以達到2000cps 。正因具有上述的特點, 微凹版涂布工藝已得到越來越廣的實際應用。據日本康井精機公司介紹, 在過去20 年中, 該公司已向世界各大公司銷售了100 臺以上的微凹版輥涂布生產設備, 其中包括美國的伊斯曼柯達、杜邦、3M 、日本的JVC 、日立、東芝、松下、三菱化學、帝人以及韓國的SKC 等不同工業領域的頂尖企業。而眾多有關功能性薄膜制備的專利文獻中, 也列出了微凹版輥涂布工藝應用于不同功能性涂層制備的例子。

2.2

微凹版輥涂布工藝在功能性薄膜制備中的應用

2.2.1 在防反射、防昡光、抗劃傷等功能性光學薄膜制備中的應用

防反射膜可以顯著地改善各種光照條件下觀看影像顯示的效果。日本油脂公司在WO97/45207中提出了采用微凹版輥涂布工藝制備厚度為1μm以下超薄涂層防反射膜制備方法 。實例之一, 首先以全氟辛基甲乙基二丙烯酸乙二醇酯可聚合單體為固相組分, 分散于三氟甲苯溶劑中, 配制成8w t %含固量的涂布液, 然后用微凹版輥涂布設備將上述涂布液涂布在聚酯片基上。

工藝條件為:涂布車速20m/min , 凹版輥網紋密度為110 線/cm ,凹槽深度為70μm , 以線速度為10m/min 逆向運轉, 得到濕涂層厚度為3.57μm 。經干燥、電子輻射聚合固化后, 即得到干膜平均厚度為0.104μm的防反射膜涂層。實例之二, 首先以聚(2-全氟辛基丙烯酸乙酯)作為固相組分, 分散在三氟甲苯溶劑中, 配制成含固量為2w t %的涂布液。然后用微凹版輥涂布設備將涂液涂布在聚酯片基上, 涂布工藝條件:涂布車速20m/min , 凹版輥網紋密度為90 線/cm , 凹槽深度為100μm , 以線速度為20m/min 逆向運轉, 得到濕涂層厚度為6.49μm 。濕涂層在80 ℃熱風下干燥, 得到干膜厚度為0.104μm的防反射膜涂層。例1 , 例2 制成的防反射膜均有良好的防反射效果。