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一文解析狭缝涂布特性

 专业讲师解读《精密涂布技术解决方案(华陀方案)》

本文主要介绍了狭缝挤压式涂布预计量式的特点与涂布量的预估方法;流体的受力情况、流场无量纲参数的含义;以及流体力学有限元对涂布流场的分析。

狭缝挤压涂布技术能获得较高精度的涂层,同时也可以用于较高粘度流体涂布,被广泛应用于柔性电子、功能薄膜、平板显示器、微纳米制造、印刷等众多领域。

实际工艺过程中,涂布液的均匀性、稳定性、边缘和表面效应受到涂布液的流变特性影响,从而直接决定涂层的质量。

采用理论分析、涂布实验技术、流体力学有限元技术等研究手段可以进行涂布窗口的研究,涂布窗口就是可以进行稳定涂布,得到均匀涂层的工艺操作范围,其受到三类因素的影响:

  • 流体特性,如粘度μ、表面张力σ、密度ρ。

  • 挤压模头几何参数,如涂布间距H,模头狭缝尺寸w。

  • 涂布工艺参数,如涂布速度v,浆料送料流量Q等。

  • 对于挤压式涂布,在固定的流量下,存在一个涂布速度上限和一个涂布速度下限,介于涂布速度上下限之间的范围即为涂布窗口。

    涂布窗口上限主要受到涂布液稳定性的影响,如当流量不足,或者涂布速度太快时,涂布液珠开始不稳定,容易产生空气渗入、横向波等缺陷。涂布窗口下限发生时,如流量过大或者涂布速度过慢,流体无法及时被带走,涂布液珠大量累积,容易形成水窒或者垂流。

    图1 狭缝挤压式涂布示意图

    狭缝挤压式涂布示意图如图1所示,一定流量的浆料从挤压头上料口进入模头内部型腔,并形成稳定的压力,浆料最后在模头狭缝出口喷出,涂覆在箔材上,涂层经过烘箱进行干燥。

    图2 涂布外流场示意图

    图2为涂布稳定后挤压模头到箔材之间的流场示意图,如图2所示,基本参数主要包括挤压模头到涂辊的间隙H、狭缝尺寸w、基材走带速度v,上料流量Q、涂布湿厚h、以及涂层宽度B。

     专业讲师解读《精密涂布技术解决方案(华陀方案)》

    狭缝挤压涂布技术是一种先进的预计量涂布技术。涂布时,送入挤压模头的流体全部在基材上形成涂层, 因而涂层湿厚h可以根据式(1)计算:

    涂层干燥之后,浆料中溶剂去除,干涂层的面密度可由式(2)计算:

    其中,N为浆料中固体物质含量,ρ为浆料的密度,Scoat 为涂层的面密度,将式(1)代入式(2)中,可得式(3):

    由式(3)可见,对于密度ρ和固含量N一定的某一特定浆料,给定上料速度Q、涂层宽度B、以及基材速度v时,可以精确预估涂层涂布量,而与浆料流体的流变特性无关。基于这一特性,涂布机可以提高自动化程度,实现智能化自动控制。

    根据式(2)可知,对于密度ρ和固含量N一定的某一特定浆料,涂层的湿厚与涂层面密度具有线性关系,在涂布生产线上安装在线厚度检测系统,实时检测涂层的湿厚,同时将厚度信息反馈给涂布机,再对螺杆泵上料速度进行控制,从而调节涂布量。将浆料的密度ρ和固含量N等特性录入系统中,涂布速度v确定后,根据式(3)可以对上料速度参数实现智能调节。

    如图2所示,涂布时在狭缝外流场的浆料流动过程中,由于基材移动使浆料沿着涂布方向流动,浆料内部相对运动产生相互的剪切力作用,同时形成一个速度梯度,称剪切速率。

    剪切应力与剪切速率的比例系数即为浆料的剪切粘度。锂离子负极浆料属于具有剪切稀释现象的非牛顿流体,粘度随着剪切速率的增加而降低。实际涂布工艺中,剪切速率γ可由式(4)估算:

    其中,v为涂布速度,取值为0.15 m/s;H为模头与涂辊的间距,取值200×10-6 m时,则γ=750 s-1。涂布时,假定剪切速率基本不发生变化,涂布浆料是剪切稀释的非牛顿流体,粘度μ满足指数粘弹性规律,即可由式(5)表达:

    其中,k为常数系数,n为指数因子,文献[7]报道,对于锂离子负极浆料,k =59.4 Pa•sn,n =0.37。在涂布工艺条件的剪切速率下,锂离子负极浆料粘度μ约为1Pa•s。

    浆料在狭缝外流场流动过程中,受到相互影响的作用力,包括由于基材移动在流体内部产生的粘性力Fv、流体表面力Fσ、流体从挤压模头流出冲击到移动的基材减速过程所形成的惯性力Fi、流体所受到的重力Fg,单位质量流体所受到的各种作用力分别由式(6)(7)(8)(9)表示:

    其中,μ为浆料粘度,取值1Pa•s;ρ为浆料密度,取值1450 kg/m3;;σ为浆料表面张力,0.0417 N•m;v为涂布速度,0.15m/s;U为浆料在挤压模头出口速度;h为涂层湿厚。

    无量纲物理参数雷若数Re、弗劳德数Fr可分别由式(10)和式(11)定义。假定h≈H时,毛细管数Ca可由式(12)定义:

    其中,雷若数Re表示流体从挤压模头流出冲击到移动的基材减速过程所形成的惯性力Fi与基材移动在流体内部产生的粘性力Fv之比。

    雷诺数较小时,粘性力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因粘性力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于粘性力力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的紊流流场。

     专业讲师解读《精密涂布技术解决方案(华陀方案)》

    本文中,当计算域入口速度v=0.035m/s时,雷诺数Re=0.0024,其值远小于1,这表明浆料冲击基材形成的惯性力影响不大,浆料流动状态稳定,为层流过程。

    弗劳德数Fr是流体的惯性力与重力之比,是用来确定流体动态如急流、缓流的一个无量纲数。当Fr=1时,即流体的惯性力等于重力,流体为临界流;当Fr>1时,流体为急流,代表流速大、流体湍急的流动状态。当Fr<1时,重力起主导作用,流体为缓流。本文所示涂布参数下,Fr=0.97,浆料在流场中的状态接近为临界流。

    毛细管数Ca表示由于基材移动在流体内部产生的粘性力与流体表面力之比,本文中Ca=3.597,由于涂布浆料粘度高,涂布过程中粘性力对流动过程的影响大,但是在涂层边缘,表面张力的影响也显著,容易引起涂层厚边缘现象。

    根据流体力学理论,通过对涂布过程的流场的受力情况和流场表征参数进行计算,我们可以初步判定流场的基本特性,理解涂布过程的现象,及涂布缺陷的产生原因。

    来源:精密涂布技术

    精密涂布与哪些产业密切相关?

    精密涂布技术未来的需求方向在哪?

    狭缝式精密涂布技术之核心关键是什么?

    11月23日,在上海举办的“势银产业大学”-台湾清华大学专场上, 台湾清华大学化工系 罗少轩 博士,将为我们解读《精密涂布技术解决方案(华陀方案)》。

    罗少轩

    博士

    除罗少轩 博士外,本次共有5位讲师为我们揭示前言新兴材料产品技术与市场,详情请见下文↓

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    师资介绍

    ◤ 关于台湾清华大学

    台湾清华大学(National Tsing Hua University,NTHU),简称“清大”,或清华大学(台湾),为中国顶尖级研究型大学之一,环太平洋大学联盟、东亚研究型大学协会成员。

    台湾清华大学前身为1911年在北京设立的清华学堂。1925年设大学部。对日抗战期间,西迁至云南昆明,与国立北京大学、私立南开大学合组国立西南联合大学。国共内战后,清华大学被分成两个,北京的清华大学由中华人民共和国政府接管,而台湾当局则于1955年于台湾省新竹市让清华大学复校,复校之初首设原子科学研究所,1964年恢复大学部。

    台湾清华大学在2009年QS世界大学排名位居第163名,台湾第2名。截至2016年11月,台湾清华大学共设有理、工、原子科学、人文社会、生命科学、电机资讯及科技管理等10个学院  。在台已造就英才超过五万人,校友包括诺贝尔奖得主李远哲、“中央研究院”院士12人。

    ◤ 培训讲师 

    刘大佼

    博士

    • 培训主题

      新型生医产品“微针贴片(Microneedle Patch)”发展之现状与未来

    • 学历

      1973年  台湾大学化工系学士

      1979年  美国纽约大学(NYU) 化工博士

    • 经历

      -Eastman Kodak Co. New York 资深研究员 (1979-1983)

      -Colgate-Palmolive Co. New York 高级研发工程师 (1983-1984)

      -台湾清华大学化学工程系 副教授、教授、系主任(1985-1998, 2002-2017)

      -中华先进涂布科技股份有限公司 创办人兼总经理(1998-2002)

    罗少轩

    博士

    • 培训主题

      精密涂布技术解决方案(华陀方案)

    • 学历

      2015年 台湾清华大学化工系 博士

    • 经历

      -怡定兴科技股份有限公司 研发部 高级专员(2016/9-2018/1)

      -怡定兴科技股份有限公司 技术部 资深研究专员(2018/1-2018/8)

      -怡定兴科技股份有限公司 工程部 经理(2018/8~至今)

    叶修锋

    博士

    • 培训主题

      有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode, OLED)照明组件之制作

    • 学历

      2013年 台湾清华大学化学工程学系 博士

    • 经历

      -怡定兴科技股份有限公司 研发部 高级专员 (2014/11)

      -怡定兴科技股份有限公司 研发部 经理 (2016/10)

      -怡定兴科技股份有限公司 研发部 资深经理 (2018/07)

    王洁博士

    • 培训主题

      PGX - 新一代的生物分解膜

    • 学历

      2008–2013 麻省理工学院 博士    

      2004-2007 伊利诺伊州立大学香槟分校 学士    

    • 经历

      -麻省理工学院,剑桥,麻萨诸塞州 (2007–2013)

      -博士学位,材料工程系  GPA:4.10/5.00

      -教学助教,材料工程系  (2007–2008, 2011)

      -伊利诺伊州立大学香槟分校,香槟,伊利诺 (2003–2007)

      -学士学位,化学系  GPA: 3.76/4.00

      -教学助教,化学系 (2007)

    唐蔚波

    先生

    • 培训主题

      新兴产业领域投资机会(功能膜、光学显示、新能源)

      1. 具有发展潜力的功能膜和光学显示的产品有哪些?

      2. 行业竞争情况与企业分析

      3. 投资机会与风险把握

    • 简介

      材料学硕士,从事过实业以及风险投资业,拥有多年新材料产业从业经历。TrendBank创始人兼产业分析师

    项目背景

    《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出对“十三五”期间我国战略性新兴产业发展目标、重点任务、政策措施等作出全面部署安排。

    《规划》提出,到2020年,战略性新兴产业增加值占国内生产总值比重要由2015年的8%达到15%。同时,要形成新一代信息技术、高端制造、生物、绿色低碳、数字创意等5个产值规模10万亿元级的新支柱,并在更广领域形成大批跨界融合的新增长点,平均每年带动新增就业100万人以上。产业结构进一步优化,产业创新能力和竞争力明显提高,形成全球产业发展新高地。

    伴随着2018年全球新兴产业的蓬勃发展,重大项目的投资、建设和投产,柔性、印刷OLED、新型材料、工艺以及越来越广泛的应用场景的新突破,势银产业大学携手台湾清华大学刘大佼博士、罗少轩博士、叶修锋博士、王洁博士等人,创立了国内一个针对新兴产业企业高管、满足其认知与个人提升需求的产业培训机构。