精密涂布工艺应用进展

涂布工艺是改变和完善材料表面特性的重要加工工艺, 而随着科学技术的不断发展, 涂布工艺更成为许多重要功能性材料研究开发所不可或缺的重要工艺技术手段。特别是精密涂布工艺技术可满足某些涂层的特殊要求, 从而增加材料的附加值并扩大其应用范围。一次多层坡流挤压涂布和落帘涂布曾是精密涂布工艺技术的典型代表。正是多层坡流挤压涂布技术的开发和应用, 使彩色感光材料的多功能层结构在性能上得以极大完善并实现工业大生产。可以说, 没有一次多层高速挤压涂布技术, 要实现多达10 余层而总厚度仅为20μm 左右的彩色胶卷工业化生产是不可想象的。目前照相感光材料工业虽已日趋衰微, 但挤压涂布和落帘涂布技术仍在轻工造纸, 膜材料加工, 包装材料等行业中得到了推广应用。

近年来, 平板显示产业以及一些新型光电子产品, 得到了迅猛发展。这些产品的涂层往往要求更薄、更均匀, 从而对精密涂布工艺技术又提出了新的要求。例如液晶显示器所用的防反射膜、防眩光膜的涂层厚度只有几十至100nm 左右;而用于新型充电锂电池电极的涂层要求实现带状涂布或间歇块状涂布。多层挤压涂布和落帘涂布显然已不能完全满足这方面的要求。有大量文献资料报导, 条缝涂布和微凹版辊涂布工艺在这些领域得到了广泛的应用。这类光学膜涂层传统上采用真空蒸镀、化学沉积、等离子聚合等方法, 这些方法是在真空条件下将固态组分气化蒸发沉积在特定的基体上。

由于必须采取真空密闭操作环境, 难以实现低成本、高效率的卷对卷式大规模生产。采用旋涂法虽也能得到均匀的薄层涂布效果, 但受到涂布面积和涂布效率的限制, 特别是其涂布液的利用率只有5 %左右, 造成巨大的浪费, 难以实现低成本的工业化生产。因此, 寻求新的精密涂布工艺技术, 适应低成本、高质量、大规模生产, 以适应市场竞争需要是必然的选择。如许多光电子产品中的透明电极导电层———铟錫氧化物(ITO) 就一直采用溅射法制备。而日立麦克赛尔公司于2008 年底宣布采用湿法涂布工艺制成透明I TO 导电膜 。该公司利用其水热法制备氧化铁磁粉的经验, 制备了纳米级的ITO 微粒子, 通过分散配制成I TO 涂布液, 再经微凹版辊涂布工艺将ITO 涂布液涂布在PET 基材上, 经干燥后就得到透明ITO 导电膜。而另一方面, 采用有机导电高分子聚合物, 通过溶液涂布手段、形成透明导电膜取代ITO 膜的工艺路线, 已开始得到愈来愈多的应用。

据此, 本文将着重介绍微凹版辊涂布工艺和条缝涂布工艺在平板显示、光电子产品、锂电池等领域中的应用状况。

2 微凹版辊涂布工艺

2.1

微凹版辊涂布工艺概述

微凹版辊涂布工艺技术是日本康井精机公司在普通逆向凹版辊涂布工艺基础上开发的专有技术。其基本原理相同, 都是一种自计量方式的涂布工艺:藉助于凹版辊网纹图案、线数以及深度确定带液量, 并通过一些工艺操作条件因素来决定转移涂布量的一种涂布方式。

微凹版辊与普通凹版辊涂布工艺的最大区别就在于“微” 。普通凹版辊的直径约为125 ～ 250mm ,而微凹版涂布辊的直径, 根据不同涂幅宽度分别为20mm (涂布宽幅为300mm) 和50mm (涂布宽幅为1600mm)。这样小直径的凹版辊在涂布时与被涂基材的接触面积要小得多。涂布过程中凹版辊凹槽中的涂液一部分被转移到被涂基材上, 一部分则仍留在凹版辊的凹槽内。这样进入和离开涂布点的前后会分别形成2 个液桥

在通常大直径凹版辊的情况下, 易产生较大的干扰液桥, 造成涂层弊病。特别当凹版辊还有压紧背辊工作时, 情况尤为严重, 而微凹版辊涂布工艺由于凹版的直径小, 而且又没有压紧背辊, 所以进入和离开涂布区的液桥量很小, 比较稳定, 从而有利于提高转移涂布的质量。

为除去凹版辊从料盘中带上的过多涂液, 微凹版辊所使用的刮刀要远比普通凹版辊所使用的更为柔软而且压力更小, 刮角近似于正切角, 主要起匀化和定量的作用, 而普通凹版辊的刮刀则更偏重于刮的作用。这样微凹版辊本身以及刮刀的寿命可延长许多。

在固定凹版辊型号和涂液物性的条件下, 微凹版辊的线速与被涂基材的运行速度比, 决定着涂布量。湿涂层厚度与微凹版辊线速度/基材速度比之间的相互关系

一般情况下, 当微凹版辊线速度/基材速度比达到0.6 时, 开始涂布带料, 速度比达到1.0 ～1.3 时, 即可达到表面光滑和均匀的涂布量;速度比为1.3 ～ 2.0 时, 涂布量进一步增加, 速度比超过2.0 时, 涂布呈不稳定状态, 涂布量反而会减少。

 直线部分的速度比为1.0 ～ 2.0之间, 但通常1.0 ～ 1.3 是最好的操作区间, 即可达到最好的表观, 而又可适当调节涂布量。微凹版涂布工艺既可适应水溶性涂液, 又可适应溶剂性涂液的涂布, 其粘度范围为1 ～ 1000cps , 在某些情况下甚至可以达到2000cps 。正因具有上述的特点, 微凹版涂布工艺已得到越来越广的实际应用。据日本康井精机公司介绍, 在过去20 年中, 该公司已向世界各大公司销售了100 台以上的微凹版辊涂布生产设备, 其中包括美国的伊斯曼柯达、杜邦、3M 、日本的JVC 、日立、东芝、松下、三菱化学、帝人以及韩国的SKC 等不同工业领域的顶尖企业。而众多有关功能性薄膜制备的专利文献中, 也列出了微凹版辊涂布工艺应用于不同功能性涂层制备的例子。

2.2

微凹版辊涂布工艺在功能性薄膜制备中的应用

2.2.1 在防反射、防昡光、抗划伤等功能性光学薄膜制备中的应用

防反射膜可以显著地改善各种光照条件下观看影像显示的效果。日本油脂公司在WO97/45207中提出了采用微凹版辊涂布工艺制备厚度为1μm以下超薄涂层防反射膜制备方法 。实例之一, 首先以全氟辛基甲乙基二丙烯酸乙二醇酯可聚合单体为固相组分, 分散于三氟甲苯溶剂中, 配制成8w t %含固量的涂布液, 然后用微凹版辊涂布设备将上述涂布液涂布在聚酯片基上。

工艺条件为:涂布车速20m/min , 凹版辊网纹密度为110 线/cm ,凹槽深度为70μm , 以线速度为10m/min 逆向运转, 得到湿涂层厚度为3.57μm 。经干燥、电子辐射聚合固化后, 即得到干膜平均厚度为0.104μm的防反射膜涂层。实例之二, 首先以聚(2-全氟辛基丙烯酸乙酯)作为固相组分, 分散在三氟甲苯溶剂中, 配制成含固量为2w t %的涂布液。然后用微凹版辊涂布设备将涂液涂布在聚酯片基上, 涂布工艺条件:涂布车速20m/min , 凹版辊网纹密度为90 线/cm , 凹槽深度为100μm , 以线速度为20m/min 逆向运转, 得到湿涂层厚度为6.49μm 。湿涂层在80 ℃热风下干燥, 得到干膜厚度为0.104μm的防反射膜涂层。例1 , 例2 制成的防反射膜均有良好的防反射效果。