摘
要 : 目前 , 随着平面显示器尤其是液晶显示器 ( L CD) 工 业的飞 速发 展 , 每一 个液 晶显示 器的 面板都
包括了如下部分 : 彩色过滤器 、 偏光片 、 背光单元和 IC 驱动 。 这些部件的很多 部分是通 过不同的涂 布方法来生 产的 。 例如 , 光学薄膜防反射 、 防眩光和硬涂层保护 薄膜 。 这 些功能 薄膜都需 要非常 高的涂 层均匀 性 , 譬如细 竖道 、 竖条道 、 肋骨棱 、 空气夹带等等这些涂层缺陷 是不允 许的 , 并 且涂层湿 厚度必 须在几 个微米 之间 , 干厚 在几百个纳米之间 , 能够生产出涂层厚度在微米大小的 功能薄 膜的常 规方法 包括了 凹版和微 凹版涂 布方法 。 本 文介绍了微凹版涂布原理以及涂布工艺 , 结合实践总结 微凹版 涂布弊 病现象 , 分 析了微 凹版涂 布过程 中易出现 的涂布弊病原因 , 并提出了解决微凹版涂布弊病的 方法 , 在微 凹版涂 布试验 和放量 生产过程 中 , 采用 这些方法 来解决出现的微凹版涂布弊病问题 , 具有良好效果 。 关键词 : 微凹版涂布 ; 涂布弊病 ; 比率 ; 逆流分界线 ; 顺流分界线 中图分类号 : 文献标识码 : 文章编号 : 1009 5624 ( 2009) 05 0034 06
微凹版涂布技术理论研究起始上世纪 60 年代,
1
前言
微凹版涂布方式最初是从凹版印刷工艺发展起
技术成熟的有英国、日本等。由于日本制造业水平 精湛 , 在微凹版涂布设备上处于绝对领先水平 , 其 设备应用领域包括电子 , 医疗、光学、电池、图像 等等。随着高功能薄膜市场需求日益增长和湿法涂 布工艺普及, 微凹版涂布将在高端功能薄膜深加工 行业中得到广泛应用。
来的。随着激光雕刻技术出现 , 各种图案和容积的 辊都能精密制造出 来, 使凹版涂 布方式变成了 现 实。微凹版涂布是凹版涂布的一种 , 也属于辊式涂 布。微凹版涂布与凹版涂布的区别主要在于凹版辊 径、背辊以及凹版辊与基材的运动方向 , 如图 1、 2 所示。凹 版涂 布 方式 的涂 布 湿厚 度 最薄 ( 1 ~ 50 m) , 涂布 精度 最高 ( 2% ) , 涂布 粘 度在 1 ~ 1500mPa s 之间, 适合于溶剂型低粘度单层涂布。
收稿日期 : 2009 03 24
2
微凹版涂布原理及涂布工艺
微型凹版涂布方式应光滑、均匀、薄层涂布工
艺要求而产生 , 提供简单、可靠和具有重复性生产 的涂布。微型凹版涂布方式使用一个凹版辊, 凹版 辊表面雕刻有图案或槽穴, 以提供特殊的涂布量, 凹版辊安装在轴承上, 部分浸在供料盘里 , 旋转的 轴带起涂料, 经过一个柔性钢刮刀定量后 , 由反向 运动基材带走涂布液, 实现均匀薄层涂布。
作者简介 : 刘云剑 ( 1979 ) , 男 , 重 庆合川 人 , 工 程师 , 主 要从事 薄层 涂布技术和伺服控制系统研究。
34
标准凹版刮刀迎向辊表面的角度较陡 , 由于微型凹 版刮刀和辊的温柔接触 , 刮刀和辊的使用寿命会延 长。
3
涂布弊病及解决方法
图 1 凹版涂布原理 Fig 1 the principle o f g ravure coat ing
F ig2
图 2 微凹版涂布原理 the pr inciple of microg rav ur e coating
微凹版涂布是一种反转、吻合涂布方式。反转 就是凹版辊的旋转方向和片基的运行方向相反, 吻 合表示不用背辊将片基压到凹版辊上。如果片基的 运行方向和凹版辊的方向一致 , 物料就会分离, 一 部分到片基, 一部分停留在凹版辊上。这种情形 , 通常叫做 膜分离 。根据涂料内力的强度 , 膜分 离可能会很不平整, 一般都认为剪切涂布比膜分离 涂布要平整; 另一 方面, 微 型凹版辊 的直径是 从 20~ 50mm, 由涂布宽度要求决定 , 20mm 用于涂 布宽度 300m m, 50mm 用于涂布宽度 1600m m 。小 直径产生了片基和凹版辊接触的小接触线, 大接触 区出现涂布弊病的机率要比小接触区大很多 , 在使 用背辊时 , 接触的区域还会增加。 凹版涂布的物料取出是一个十分复杂的过程 , 普 遍 认 为 需 要 3 个 基 本 的 过 程; 接 触 ( T o uchdow n) 、 剪切 ( Shear) 、取出 ( Pickout ) 。 取出的数量和稳定性与凹版辊本身的结构、基材负 载、刮刀负载、片基的速度与凹版辊的线速度的比 率 S 和物料粘度、表面张力有关。用在微型凹 版 的刮刀和用在大多凹版涂布的刮刀是不同的 , 主要 的区别在于硬度和刮刀迎向辊表面的角度。微型凹 版刮刀很薄并且柔 软, 刮刀顶向 辊表面的压力 很 小, 刮刀的延长线靠近辊中心 , 基本上和辊正切 ,
微凹版涂布弊病产生原因与其他涂布方式相同 之处在于 : 涂布环境洁净度、涂布系统稳定性、设 备制造安装精度、车速和张力控制精度、物料均一 性、基材均一性 等。微凹版涂 布还涉及到一些其 他的影响因素如: 凹版辊本身结构、毛细准数 Ca、 片基的速度与凹版辊的线速度的比率 S ( Us/ U g) 、 刮刀负载、包角 、凹版辊清洗程度等等。微凹版 涂布过程中常见的涂布弊病有横纹 ( chatt er) 、细 竖道 ( st reaks) 、竖 条 道 或 则 肋骨 棱 ( ribbing ) 、 空气夹带 ( air ent rainm ent ) 、脱涂、涂层不 均或 厚度难以控制、点子、流平性差等。 3 1 横纹 和众多涂布方式一样, 横纹的产生主要来自设 备震动和基材张力变化。比如驱动不合理、共振现 象、驱动连轴节 , 张力控 制等偏差 都可能带 来震 动, 微凹版涂布过程是一种十分敏感涂布方式 , 要 求设备制造和安装精度非常苛刻 , 所以任何的闪失 都可能带来涂层横纹弊病。 3 2 细竖道 微凹版涂布产生细竖道或竖条道是很常见的现 象。对于具有良好结构的凹版辊 , 操作参数也将影 响取出的稳定性。通常采取控制逆流分界线 ( up st ream) 的储液量来调节取出的稳定性, 涉及的工 艺参数有比率 S ( U s/ U g) 、刮刀负载、包角 , 另 一方面, 通过调整物料粘度和表面张力也可以改变 逆流分界线的 储液量大 小。当辊 速不变 , 车 速增 加、比率 S 变 大, 逆 流 分 界 线 和 顺 流 分 界 线 ( dow nst ream ) 位移就会分别减小 , 涂珠变小, 逆 流分界线减小的幅度较大, 当高出临界比率后 , 首 先逆流分界线先 与基材与凹版辊接触的 中心线接 触, 中心线上的部分涂珠就会与顺流分界线的涂珠 重叠 , 形成细竖道, 如图 3 、4 所示。当比率 S 达 到 3 0 左右或者更高时 , 会发生严重脱涂现象。当 比率 S 达到 0 2 左右, 还会产生 V 字型不稳定点, 从而形成单线脱涂现象或者大面积脱涂现象。包角 也会影响细竖道的形成 , 包角越大 , 逆流分界线和 顺流分界线越宽, 涂珠越大 , 稳定区域越大, 形成 细竖道可能性越小。物料里含有气泡也是出现细竖 道的一个因素 , 虽然刮刀能刮去一部份大气泡 , 但 仍然有许多小气泡有可能留在凹版辊里面 , 形成细 35
竖道。其次, 由于空气夹带在顺流分界线较大气泡 也会生产细竖道。
图 6 多线取出 F ig 6 mult iple line pickout
图 3 涂珠稳定及空气夹带 s= 0 67 Fig 3 a stable coating bead and air entrainment s= 0. 67
图 7 肋骨棱 Fig7 ribbing 图 4 不稳定涂珠及细竖道 s= 1 33 an unstable co ating bead and str eaks s= 1 33
Fig 4
竖条道或则肋骨棱 当毛细准数超过临界 点时, 就会 出现单线 取 出, 形成闪斑 ( f lashing ) 弊病 , 当高出临界比率 许多后, 就会造成多线取出从而形成竖条道弊病 , 产生竖条道频率与凹版辊的目数、基材与凹版辊接 触之间的间隙有直接关系。如图 5、 6、7 所示。当 毛细准数达到 2 4 以上, 产生竖条道频率就会与比 率 S 、流体雷诺数、包角无关。高毛细准数都会发 生竖条道弊病 , 由 Ca= U g/ 可知 , 高粘度容易 出现竖条道, 水性物料在微凹版涂布中容易出现竖 条道的最主要原因是粘度比溶剂性物料高。 3 3
涂层不均或厚度难以控制 微凹版涂布不属于预定量涂布, 有别与坡流和 条缝 , 其涂布量要根据物 料和涂布工艺 条件来确 定。微凹版涂布涂布量主要由凹版辊的网孔容积决 定。凹版辊传墨量的影响要素有 : 网纹辊线数 , 开 口与网墙比、网穴形状、网穴深度、网穴表面光洁 度、网线角度、网点形状, 这些都直接跟凹版辊制 作有关。网穴里的涂布液根据流体力学的速度梯度 原理 , 靠近网穴壁液体的速 度为 0, 即静止不动, 所以一般释墨量是网穴容积的 2/ 3~ 4/ 5, 对于不 同特性的物料其转移率大概在 40~ 80% 。国际上 传墨标准各不相同 , 英美传墨标准为 BCM , 即 10 3 4 亿立方微米/ 英寸 2 , 西欧为 cm 3 / m 2 , 两者的换算 关系 为 1BCM = 1 55 cm / m 。对于密 度为 1g / cm 3 的物料来说, 1 cm 3 / m 2 就等于 1 m, 计算 200 目 ( 线) 的凹版辊涂布湿厚方法 : 200 目表示每英 寸长度里有 200 个网穴 ( 80 个网穴 / 厘米) , 200 目 传墨量为 8 7BCM, 设转移到基材上的涂布液是网 孔容 积 的 60% , 湿 厚 度 = 1 55 8 7 60% = 4 m 。当然 , 影响涂层厚度还与涂布液本身性质有 关。其固含量、粘度、表面张力将影响涂布厚度。 N Kapur, 等研究发现在其他 条件不变的情况下 H / R= 1 34 ( v/ ) 2/ 3 H : 涂层湿厚 R: 涂珠弯月
3 2
图 5 单线取出 Fig 5 sing le line pickout
36
面半径 : 粘度 v : 流体速度 : 表面张力。由上 面的公式可知, 其他条件一定 , 涂层厚度与粘度成 正比 , 与表面张力成反比。除了上述影响因素, 涂 布工艺也很重要。 对于给定螺旋线型结构的凹版辊, 其网线大小 和涂布物料性质已经决定涂布厚度的主体范围, 这 个范围可以通过改变某些工艺参数来调节以达到希 望获得的涂层厚度 , 这些参数主 要包括凹版辊 速 Ug 、包角 、刮刀 负载等 等。车 速不变 , 加大 辊 速, 比率 S 越小 , 物料到达 基材上的 就越多 , 涂 层越厚。但是物料从 孔穴里取 出百分数 与比率 S 的关系, 如图 8 所示, 0~ 1 5 之间时 , 辊速越大 , 比率 S 越小 , 取出百分数越小, 从空穴取出越少 , 涂层越薄 , 所以这两者对涂层厚度影响是矛盾的 , 我们发现比率 S 在某一区间时 , 涂层的厚度不 会 发生变化或者说不成直线性关系, 在稳定取出区间 通过调整比率来改变厚度是可以实现, 但范围是有 限的 , 虽然在低比率和高比率涂层厚度会发生较大 幅度变化 , 但在这时会发生涂层不均匀和条道等问 题, 其实最后能运用的范围只能限制在 0 5~ 1 5 之间 , 对于不同形状凹版辊, 其涂布操作窗口会有 所变化, 有的甚至在 0 6~ 1 1 之间 , 所以 , 不同 的凹版辊的涂布操作窗口各不一样 , 其自身的操作 窗口要根据涂布工 艺条件和物料性 质来确定 , 日 本、韩国通常使用的是凹版辊线速度与车速之比 , 那么涂布操作窗口 0 67~ 2。具有连续的螺旋线型 结构的凹版辊具有最高的取出百分数, 比率调整空 间较大并且稳定 , 这就是现在各国微凹版涂布都使 用具有螺旋结构凹版辊涂布的原因。 包角 也对涂层 厚度有一 定的影 响, 比率 在 0 5~ 1 5 时 , 包角大小对厚度影响不明显 , 但比 率小于 0 5 时, 对于 0 度包角 , 出现涂布厚度急剧 减少的情况, 而大于 0 度包角时, 会发生涂布厚度 急剧增加现象, 如图 9 所示。 刮刀负载对涂层的厚度也是不能忽视的 , 在低 负载时刮刀是平直的 , 大部分力集中于端部 , 加大 负载会急剧地减薄涂层厚度, 在中等负载时 , 刮刀 被弯曲, 力通过液体分布到刮刀的一大片面积上 , 加大刮刀的负载力 , 会使刀 尖上翘 , 涂布厚度 变 厚, 在高负载时 , 刮刀被剧烈的弯曲, 加大负载会
逐渐地减薄涂层厚度。
图 8 在 3 种不同几何形状凹 版辊情况下速率对取出 百分数的影响 F ig8 the effect o f speed ratio on picko ut fo r thr ee differ ent gr oov e geometr ies
图 9 在两种不同包 角情况下速率对涂布厚度的影响 Fig 9 the effect of speed rat io o n pickout for tw o different w rap angles
3 5
点子 点子产生的原因是多方面的 , 由于基材某处的
表面张力不同而产生不润湿点; 脏点由于物料里含 有杂质或析出物, 气泡来自物料本身和空气夹带以 及由于基材的多孔性影响孔穴转移而产生气泡。凹 版辊的损伤是致命的, 任何地方的损坏直接清晰地 发现周期性弊病, 当然空穴里存在固体离子堆积以 及部分取出形成赤裸癍。 3 6 流平性差 流平性问题属于干燥问题, 但直接与物料性质 有关。影响流动及流平性能的因素比较多 , 主要影 响因素有基材的临界表面张力、物料表面张力、粘 37
度、物料所用溶剂挥发速度、湿膜厚度。最重要的 影响因素是物料的表面张力和在成膜过程中湿膜产 生的表面张力梯度以及湿膜表层的表面张力均匀化 能力。溶剂型 涂布液的使用的表 面活性剂分类 如 下: 有机硅氧烷或改性有机硅氧烷流平剂; 聚丙烯 酸流平剂 ; 氟流平剂或含氟改性流平剂 , 这类流平
表1 T ab1 序号 弊病
剂以高沸点溶剂为主要成分 , 如 : 芳烃、醋 , 酮、 醇醚等, 有些品种还添加少量的其它表面活性剂, 这类流平剂可以调节溶剂对树脂的溶解性及挥发速 度, 避免因粘度大 , 溶剂挥发过快而影响涂层流动 所造成的流平问题, 在干 燥物料中还可 以防止气 泡、针孔现象的产生。
微凹版涂布弊病及解决方法
the defects o f micro gr avure coat ing are so lved 产生原因 解决方法
1
横纹
凹版辊跳动误差 电机震动 其他机械震动 凹版 辊、联 轴 器、 轴 承、电 机 轴 不 同 心 ; 轴承磨损厉害。 车速辊速不稳定 片路张力不均 车速太快 , 辊太慢 , 比率 S 大 刮刀压力大或者刀片安装不平整 基材张力小和控制精度差 包角小 凹版辊带上 物料 气泡 和 空气 夹带 形 成比 较 大的气泡 高粘度 高辊速、高车速 间隙和涂 层湿 厚 度比 率 ( Ho/ t) 太 大 , 涂 层较薄 刮刀磨损 , 或压力不均 车速辊速不稳定 车速与凹版辊旋转速度不匹配 包角大小不合适 凹版辊或者湿润辊发生形变 凹版辊目数选择错误 物料粘度、表面张力、固含量发生变化 基材某处的表面张力不同而产生不润湿点 物料里含有杂质或析出物 网孔里存在 固体 离子 堆 积以 及部 分 取出 形 成赤裸癍 基材的多孔性
正确安装凹 版辊和刮刀系统 消除由于电 机和环境引起的震动 按时更换轴 承 提高整个涂 布传动系统精度 合适的张力 控制精度
2
细竖道
调整合适比 率 调节刮刀起 始压力和正确安装刀片 调节张力大 小 合适包角
3
竖条道
供料盘安装 合适挡板 , 消除物料存在气泡 低粘度 低辊速、低车速 厚的湿遮盖 厚度
4
涂层不均 或厚度 难以控制
更换新刀片 , 调节合 适压力 提高整个涂 布传动系统精度 调整比率 调整包角 凹版辊垂直 放置更换湿润辊 选择合适凹 版辊目数 物料统一性
5
点子
基材统一性 真空过滤 物料分散不 均或者凹版辊清洗程不彻底 基材统一性
6
流平性差
物料粘度、表面张力不合适 选择溶剂太单一挥发速率太快 基材与物料表面张力不匹配 涂层太薄
调整粘度表 面张力 使用多种混 合溶剂 提高基材的 表面张力 , 降低物料表面张力 更换高目数 凹版辊
38
ing [ J] Chemica l Eng ineering Science, 2006, 61: 5487
4
总结
5499. [ 2] N K apur A par ametric study of dir ect g rav ur e co ating [ J ] chemical Eng ineering Science , 2003, 58: 2875 2882. [ 3] X iuyan Yin, Satish Kumar F low v isua lizatio n of the liq uid - empty ing pr ocess in scaled - up g rav ur e gr oov es and cells[ J] Chemical Eng ineering Science , 2006, 61: 1146 1156. [ 4] Benkr eira H , Co hu O Direct fo rwa rd gr avure co at ing o n unsuppo rted web 53( 6) : 1223 1231. [ 5] 林 逢 铭 2004 1. [ 6] 赵伯元 . 现代涂布干 燥技术 [ W ] . 北京 : 中国 轻工 业出版 参 考 文 献 社 , 1999 10. 影 响 网纹 辊 传递 油 墨的 要 素 [ J] . 今日 印 刷 , Chemical Eng ineering Science, 1998,
微凹版涂布是一种新型涂布方式, 其关键技术 包括凹版辊的制作和涂布工艺技术 , 对于这种特殊 的涂布形式, 涉及到流体弹性动力学、三维润湿模 型、三维几何学、自由表面、有限元等多学科, 理 论较为复杂, 到目前为止 , 已经清楚知道倒空 ( 取 出) 的全过程。影响微凹版涂布各类因素都已经得 到了深入研究, 获得了涂布操作窗口曲线, 为实际 应用提供了合适工艺条件 , 随着高功能薄膜市场需 求日益增长和湿法涂布工艺普及, 微凹版涂布将在 高端功能薄膜深加工行业中得到广泛应用。
[ 1] R W Hew son, N K apur , P H G askell A theor etical and ex per iment al investig atio n o f tri helical g r avure r oll coat-
Coating Deffects Analysis for Microgravure coating of LCD components and correcting methods
L IU Y un - jian, XI NG Cheng - jun, PENG Chao - li , L U O X iao - hong
( China L ucky f il m Gr oup co , Baod ing 071054 , China)
Abstract: T he flat panel display, par ticularly t he liquid cryst al display ( L CD) , is a f ast gro w ing indust ry. Each L CD panel consist s o f component s such as co lor f ilt er, po larizer, backlit unit, and drive IC. Many of t hese com po nent s are pro duced by various coating m et hods. F or ex ample, opt ical film s such as anti ref lect ion, anti glare, and hard coat f ilms requir e hig h coat ing unif ormi t y, w ith no t olerance of coat ing def ect s such as st reaks, ribbing , air entr ainment et c. , and very thin coating t hickness. In w hich t he w et coat ed thickness m ust be in t he range of several microm et er s, and several hundred nanomet er s af t er drying. Conv ent ional met ho ds f or thin liquid film coat ing , including the principle and process of microg rav ure coat ing w ere int roduced Combined w it h t he pract ice, t he coat ing def ect s, possible reasons and m et hods o f solv ing co at ing defect s w ere int roduced. Key words: microg rav ure coat ing ; coat ing malady ; rat e; upst ream; dow nst ream
39
