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1、现代涂布干燥技术 序言序 言定义什么是“涂布”和“涂布工业”是重要的。“涂布”这一术语用在许多地方，是处理材料的一种方法。我们定义的涂布是在支持体上用新的材料取代空气的一种方法。焦点范围是涂布工程的过程和进行取代的材料。它们一起被称为“涂布工业”。粗略地看这一迅速发展的工业可能会给人只见冰山之顶的感觉。比较熟悉的部分在水面上可以看到的只是冰山10，包括各种各样的涂料以及用于汽车、房屋、桥梁的保护和光亮的保护膜，在底层上涂覆一层使其保持完美和有用的膜。在美国，这一部分的涂布工业的产值达147亿美元。涂布工业的其余部分足很少能让人见到的。我们偶然地想想涂布的应用，它们在我们的日常生活中起着重要作用
2、。例如，整个出题工业，是以涂布为基础的。你阅读书的纸，经过涂布和压光，提高强度和改善上墨性能。在印刷工业中用的平版印刷Ps版由铝板和涂布在上面的感光涂层组成。感光胶片是用于曝光、定影、洗印的涂布产品。实际的印刷过程是在纸张上涂布油墨给出我们所需要的影像。在某种意义上讲，涂布技术也构成娱乐工业的基础。录音带和录像带是由分散在粘结剂中的磁粉涂布于聚酯膜上制成。基材本身已经涂布底层以改善与磁粉层的粘着能力。彩色胶片由许多涂层构成，被广泛地用在用照相机和电影摄影机制成的供人观赏的彩色影像。涂布技术是用于计算机的基础技术。涂磁结构件，如Winchester硬盘驱动器和软盘，储存由计算机处理的所有信息。费
3、用低廉并具有所必须的精度制造这些磁性装置的技术的发展有助于促进计算机工业的发展，诸如光刻胶的涂布产品，用于制造线路板、在板上涂覆连接元件的涂层。在计算机中用于储存和复制信息的涂布的光盘同样用于娱乐工业。粘胶剂涂布于各种各样的支持体上制成许多不同的涂布产品，如粘胶带、装饰带、包封带和标签等。钉子上涂布粘胶剂可以改进与木材的粘结能力。涂布技术也是静电复印机工业的核心技术之一。硒鼓的安全有效涂布并将硒鼓上曝光后的影像传递到纸上是复印过程的关键步骤。表1列出的部分涂布工业及其产值，显示出这一工业经济上的重要性。总产值达3400亿美元，远远超过了涂料和表面涂饰工业。涂布成为独立的单元操作早在1970年由
4、Minnesota大学L. E. Scriven教授组成研究组研究涂布流动开始。在1980年初这一小组首先发展建立统一标准方法所需要的流动可视化(visualization)方法和以计算机为基础的理论模型化技术。现在涂布研究在全球的几个大学和以涂布为核心技术的大公司中进行。在对涂布流动的理解和理论预测方面取得重要进展，在高速涂布中应用高精度涂布器研究方面同样都已经取得重要进展。在涂层的固化和干燥技术的研究方面也取得类似的发展。美国化学工程师学会方面在涂布研究发展方面同样起到了领导作用。两年一度的关于薄膜涂布机理的AIChE的学术会议，最初于1982年在佛罗里达的奥兰多举行，这个会议起到了在涂布
5、研究方面的国际聚焦的作用。出席1990年学术会议的代表增加到350人。在这个会议上发表了66篇论文。看一下派出工程师参加1990年学术会的将近100家公司和学校的名单，就可以去了解当今对涂布工业和研究感兴趣的领域。从表2可以发现其中不少的领域，表3提供了会议的议题和论文题目。对涂布技术重视的另一例子是1988年在明尼苏达大学组建的界面工程中心作为国家科学基金工程研究中心。涂布工程基本原理是其核心研究计划中的一部分，另外的一些研究领域直接和涂布中的界面现象有关。界面工程中心已经把涂布过程基本原理作为涂布的最基本教育和训练。涂布、流变和界面现象作为研究生和大学生的课程。另外还有两个涂布技术的短期课
6、程，入门课程为“涂布干燥技术概论”和高级课程“涂布过程原理”，以满足工业科学家的需要。因为本书的编者与两位作者和领导这个项目的L. E. Scriven教授有密切的联系，我们决定出版这本书作为界面工程中心系列教课书的一部分。本书是根据在两天的“薄膜涂布工艺”讨论会上发表的论文编写的。这个讨论会是由本书的编者之一Edgar B. Gutoff为AIchE组织的春季全国性会议，在1990年4月于佛罗里达的奥兰多举行。这个会议是和第五届两年一次的薄膜涂布技术讨论会接连召开的。各章分别由该领域中的有关方面的专家撰写。而以前涂布教课书的作者，例如Geore B00th(1970)，Herhen wels
7、s(1977)和Donatas satas(1984)他们从事造纸和纸加工工业。本书6个作者中5个从事与照相工业有关的工作。表1 涂布工业的部分产值注：1SIC是工业分类标准英文（standard industry classification）缩写。2所列数据是按1987年美元值估计的1990年产值。3为工业局撰写的美国工业展望报告，P. J. Reynolds，1990。4关于照相工业的报告，Wolfman，1989，纽约。5市场报告E1112，西欧无机涂料市场Frost和Sullivan，1989，纽约。6微机用软盘，Stambler，1986。7电子商业，Cohen，1998。在本书中
8、我们力图就连续片幅涂布的主要过程从流体的准备和输送到流体的涂布、干燥到成品论述过程的机理。我们集中注意于过程的全部，而不仅仅是应用的硬件，因为从片幅的振动到气泡的去除所有这些条件不用说都是为了生产出畅销的涂布产品。本书对于生产高性能产品所需要精细操作技术给予特别的注意，例如磁带和感光胶片的制造，因为自从以前的有关涂布的书出版发行以来，这一领域变得非常重要而且将会进一步发展。书中讨论了涂布厚度和涂布速度的极限，产生各种弊病的原因，片幅或支持体的处理，涂布片幅的干燥，涂布液和涂布支持体的表面化学对涂布过程影响的方式。尽管如此，本书也只能称为“片幅涂布和干燥的节选”，因为书中没有讨论所有的涂布操作。
9、流体的准备和处理、干燥过程章节可用于大多数涂布过程。辊涂一章只对逆转辊涂布、顺转辊(forward roll)涂布、凹版涂布方法发生的不稳定性进行详述。还有不少其他辊涂方法，如气刀涂布有单独章节，而浸涂、丝网涂布本书没有涉及。表2 出席1990AIchE薄膜学术会议的公司表3 化学工程在涂布领域活动的范围预定量涂布一章涉及了条缝、坡流、落帘涂布、表面化学对这些涂布方法的影响。详细时论了这些方法所能涂布的最高涂布速度和最小涂布厚度。然而静电涂布、真空涂布、离心涂布(spin coating)、喷雾涂布、粉末涂布在本书中没有涉及，也没有涉及如铜线的绝缘漆的涂布，光导纤维保护层涂布等线状材料的涂布。
10、整个过程中片幅的处理和传送，仅仅讨论了干燥，而对用紫外或电子束辐射不作讨论。- 188 -现代涂布干燥技术 第一章第一章 涂布方法的选择成功地制造涂布产品的关键之一是选择合适的涂布方法。大约有20多种主涂布技术可用于将溶液涂布于片幅上。这些技术中的每一种都有许多专门的配置。所以有许多涂布方法可供选择。后面的几章提供了主要技术的更详尽的过程，图ll展示了许多涂布液体的方法。本章列出了涂布某产品的最佳涂布方法的选择指南。图11 涂布方法11涂液的成分和结构有许多成分组成一独立的涂层：l 胶粘剂，在其中分散有有机或无机功能粒子，如彩色或阻光的颜料，感光的卤化银，磁性的铁或铬粒子。l 溶解或悬浮组分的
11、溶剂。l 补加物，如作为涂布助剂的表面活性剂、分散剂，为增加柔性的增塑剂，抑制细菌生长的防腐剂，增强韧性或不溶性的交联剂，减少静电产生的导电材料。l 在表面上的粒子，为了控制反射或为给出粗糙表面防止相邻涂层结联或粘结。最后的产品的构成可以是单层或9层甚至更多层。基本的粘胶涂布由一层构成。涂料（油漆）常由一层预涂层加上一到二层的上层构成。汽车的表面处理通常有三层：预涂层，彩色层，上层的光洁层。感光胶片有更复杂的结构层(Cohen，1990)。例如，一次成像的宝丽来(Po1aroid)胶片，包括顶层和底层的支持体。在其中间有感三原色(蓝，绿，红)感光层、定时层和通过透明顶部支持体的显示影像的接受层
12、。聚酯胶片支持体上涂布增加感光层粘着力的底层，底部支持体背面上的防止光透过进入到内部的墨色涂层。无论涂布层有一层或多层，有的会形成遮盖整个支持体的连续涂层，或形成只遮盖部分支持体不连续的涂层。我们可以把涂布液分为两种基本型式：l涂布的材料作为最终产品制造或销售。这类涂层的实例包括：l 汽车、房屋、机器的涂装l 专业或业余彩色胶卷l 医用x射线胶片l 印刷书报杂志用胶片l 复印纸涂布l 食品包装材料，如牛奶包装盒l 计算机、音响、录像用磁性储存材料l 数据储存和记录的光盘l 多种不干胶带l 壁纸2在产品制造过程中，涂布是需要制造某些装备或设备部件的核心技术的主要部分，或在制造过程中涂布产品是关键
13、的中间环节。此类产品的例子包括：l 制造计算机、收音机、电视机印刷线路板的此刻胶l 线路板中连接元件的涂布产品l 如飞机制造中，用于零件粘结的金属上的涂层l 纸的粘附，如3M的邮件标志l 光电摄影韵硒涂布层12涂布技术 虽然涂布产品有多种，但用几种同样的技术生产涂层或膜。各个化学品必须用有效安全的方法生产。必须设法减小其分散颗粒尺寸。所有的成分必须混合、溶解、分散，用一种或多种涂布技术将输送到涂布器的涂液涂布于支持体上，然后将热施加于涂布层蒸发溶剂，生产出最终所需要的膜，或用紫外线或电子束将涂层固化。这些通用技术代表了传统的化工单元操作(Badger和Banehero，1955)： 流体输送
14、粉碎和研磨 混合 过滤 传热和传质 蒸发 干燥 显然，涂布技术是包含化学、物理、机械工程、化学工程等交叉学科领域。13涂布方法 我们可以用几种方法将涂布方法分类。它们最基本的特征是每个涂布器涂布的层数。单层涂布一次只能涂布一层，如果需要涂布多层，则在涂布线上要有多个涂布器来完成。涂层也可以根据涂布均匀度和能获得的质量水平来区分。用涂布层数进行涂布分类。图1.1A到图1.1E说明了用哪些涂布方法可得到最均匀或虽精确的涂布。1.3.1单层涂布浸涂(dip coating) 浸涂和刷涂是最古老的涂布方法。在浸涂法中，连续涂布片幅浸入涂布液，然后拉出液体。单面或双面都可以被润湿。附着于片幅的液体决定了
15、涂布厚度，但是可以用称为调整法(doctering process)中的擦拭辊或挤压辊将多余液体去除。在涂量调整以前的涂布厚度由液体的粘度、密度、涂布车速和拉出角决定。有许多人研究了这一技术，在这方面工作突出的是John Tallmaddge，从1960年中到1970年初发表了他的研究成果。这些研究提供了影响涂布湿厚度主要因数的数学和理论基础。刮棒涂布(rod ooating)在刮棒涂布法中，绕线棒用于从运动片幅上刮除多余的液体。通常刮棒以和片幅运动方向相同或相反的方向转动，使得绕线均匀地磨损，或使带入片幅和刮棒间能引起条道的颗粒通过。究竟哪一个刮棒转动方向涂布最好，应该是转动的力向使绕线绕紧的方向最好(weiss，1977，p236)。如果涂布厚度只取决于绕线顶部之间的空间，涂布厚度为0.21r，此处r表示绕线直径(statas，1984，p71)。但是，流体的流变特性，片幅的速度和张力，转动的方向和速度都影响平均厚度。绕线刮棒会产生许多顺片幅方向对应于绕线棒轮廓细密凸起的条道。为了在涂布后获得光滑涂层，这些细道必须在干燥区或涂布和干燥之间的过渡区流平。刮板涂布(knife coating)在刮板涂布中，有一个固定的刚性板刮去多余的流体。如果在操作时片幅由辊筒支
