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标格达学术性文章荣登《涂料工业》杂志

发表时间：2023-11-24

5月，由中海油常州涂料化工研究院主办的《涂料工业》杂志（2021年5月，第51卷，第5期）「应用研究」专栏，刊登我公司专业学术性文章，该文章由我公司王崇武总经理、苏纳工程师联合撰写。

关于《涂料工业》

《涂料工业》杂志于1959年创刊，是中海油常州涂料化工研究院主管的国家重点学术期刊，被公认为中国涂料行业的第一品牌杂志。该杂志作为中国科技论文统计用刊，刊登的文章已被美国化学文摘（CA）、美国工程索引（EI）及科学引文索引（SCI）摘录，在世界涂料界具有广泛影响。

该刊物重视论文的原创性、科学性和新颖性，标格达专业学术性文章能被收录发表是对我公司资深工程师专业能力的一种认可，同时我们深感责任重大，将进一步提升自身的综合专业素质和竞争力，共同推进涂料检测行业朝着标准化的方向贡献力量。

本文重点研究了不同规格间隙式涂布器和线棒涂布器与制得的湿膜厚度及干膜厚度之间的关系。采用不同结构或规格的间隙式涂布器和线棒涂布器，在聚酯薄膜上用自动涂膜机制备一系列厚度的湿膜，并测量制得的湿膜厚度及干膜厚度，分析其中关系。结果表明：工作面结构不同的间隙涂布器，在同一间隙深度下制备的样品的湿膜厚度各有差异；工作面结构相同的间隙涂布器，其制备的样品的湿膜厚度与间隙深度之比，随间隙深度的增加而增大；标识相同的缠绕钢丝的线棒涂布器与精密机械加工型线棒涂布器制备的湿膜厚度不同；对于同一种样品，干膜厚度与湿膜厚度之比是可变的，随制备间隙的增大而变小。

关键词：漆膜制备器；间隙式涂布器；间隙深度；线棒涂布器；湿膜厚度；干膜厚度

在涂料研究中，涂层厚度对涂层性能测试的结果影响重大，如，耐盐雾测试，不均匀的涂层会导致最终试验结果的重现性和可比性差，不仅降低了研发生产效率，而且有可能误导研发人员的研发方向，从而造成产品在最终应用中失效。因此制备均匀一致的涂层，是准确评估涂层各种性能的首要因素。

目前，实验室制备涂层的主要工具有间隙式涂布器、线棒涂布器、喷枪及各种自动涂膜机器，其中间隙式涂布器与线棒涂布器具有相对直观、稳定的涂布量。

间隙式涂布器按工作面的形状可分为3种：扁平刃、圆弧刃与锋利刃，如图 1 所示。间隙式涂布器目前作为制备涂层最常用的一种工具，不仅可以用于快速手工涂布，还可以配合自动涂膜机器进行自动涂膜，具有价格低廉、操作简单、清洗方便等特点。其工作原理为：以两端的工作面为零基准面，中间部位为一精密加工的一条固定深度的凹槽，根据凹槽深度的不同可以制备不同厚度的湿膜。巴顿[1]提出对间隙式涂布器而言，不同工作面的形状，制得的湿膜厚度 d 与涂布器间隙深度 H 之间存在近似关系。扁平刃涂布器：d=1/2H，圆弧刃涂布器：d=2/3H，锋利刃涂布器：d=H。这3个近似关系均与涂布速度、样品黏度或样品颜料含量无关。也曾有研究表明：基料和涂料的密度以及涂料黏度对所制得的湿膜厚度没有影响[2]。

线棒涂布器按加工方式可分2种：缠绕钢丝型 （简称绕线型）与精密机械加工型。线棒涂布器的工作原理为：用不同直径的不锈钢丝缠绕在一定直径和长度的不锈钢棒上，利用钢丝之间的间隙制备不同厚度的涂层；或者直接在一条直径均匀的不锈钢棒上，精密加工一定深度的圆环凹槽。缠绕钢丝型线棒涂布器的钢丝，尤其是直径非常小的钢丝，在涂布或清洗时容易松脱破断。另一方面，在加工这些线棒涂布器时，需将钢丝绷紧后绕棒体紧密排列，这种工艺往往会造成钢丝本身发生形变，从而造成涂布的湿膜不均匀。得益于现代精密机械加工技术的发展，可以直接在一不锈钢棒体表面上利用数控精密模具和冷挤压加工技术，加工出类似钢丝缠绕的凹凸波状曲线，从而起到同样的涂布效果。这种工艺的线棒涂布器也称挤压式线棒涂布器，这种线棒涂布器无钢丝松脱破断的问题，使用寿命更长，而且表面纹路润滑流畅，清洗更加容易，对超薄涂布优势特别明显。2种线棒涂布器在投影仪下的结构如图2所示。

实际应用研究发现，间隙深度相同但工作面结构不同的间隙式涂布器、标称型号相同但加工不同的线棒涂布器，制备出来的湿膜厚度各不相同。本文重点研究了扁平刃、圆弧刃与锋利刃这3种间隙式涂布器的间隙深度、缠绕钢丝型线棒涂布器的线径以及精密机械加工型线棒涂布器的波峰-峰距，与实际制备的湿膜厚度之间的关系，并讨论了湿膜厚度与干膜厚度的比例关系及影响因素。

实验部分

1.1 主要原料与仪器

RS 003净味内墙乳胶漆：市售，黏度为88.5KU，体积固体含量为43.2%。

BGD 218自动涂膜机、BGD 206四面制备器（扁平刃涂布器）、BGD 208刀口形八面制备器（锋利刃涂布器）、BGD 212线棒涂布器（缠绕钢丝型线棒涂布器）、BGD 214挤压式线棒涂布器（精密机械加工型线棒涂布器）、BGD 531/S湿膜厚度梳规（齿间距5μm）、BGD 542涂层测厚仪、BGD 2610/S聚酯薄膜（430mm×150mm×50μm）：标格达精密仪器（广州）有限公司；SZQ四面制备器（圆弧刃）：上海现代环境工程技术有限公司。

1.2 实验过程

用不同结构或规格的间隙式涂布器和线棒涂布器，在聚酯薄膜上用自动涂膜机制膜，然后立即用湿膜厚度梳规测试所制备的湿膜厚度（测试5个点并取平均值）。在标准的实验室条件下养护7d，待涂膜完全干燥后，再次用涂层测厚仪测量干膜厚度（聚酯薄膜放置在一块大面积、厚度为1mm的铝板上）。

结果与讨论

2.1 间隙式涂布器

2.1.1 间隙深度对制备的干湿膜厚度的影响

从间隙式涂布器工作原理上看，很多试验人员会误以为其间隙深度会等于所制备的湿膜厚度，但实际上，因为所涂布样品的黏度、密度、颜料细度大小及涂布的速度均会影响样品在涂布过程中所受到的剪切力大小，从而可能影响最终所获得的湿膜厚度。表1列出了同一类型、不同间隙深度的扁平刃涂布器所得到的实际湿膜厚度及干膜厚度。

从表1可以看出，采用扁平刃间隙式涂布器制备涂膜时，湿膜厚度与间隙深度的比例随间隙深度的增大而增加，干膜厚度与间隙深度的比例则在0.30左右变动。其原因可能是，湿膜制备过程与牛顿黏性定律经典模型[3]类似，即流体状的涂膜样品下端底材静止不动，上端受到制备器的拖曳力平行于底材移动，中间层的样品受到剪切应力。在这过程中，由于扁平刃制备器的工作面有一定宽度，而最上层的样品相对工作面没有位移，即部分样品黏着在制备器工作面上，因此扁平刃制备器制备的湿膜小于其间隙深度标称值；而且制备湿膜时，样品受到的剪切应力相似，即制备器工作面带走的样品的量相近，因此当制备器间隙深度增大时，湿膜厚度与间隙深度的比例随之增大。

表1 不同间隙深度对实际湿膜厚度及干膜厚度的影响

2.1.2 工作面结构对制备的干湿膜厚度的影响

从理论上分析，不同结构的工作面，在涂膜过程中对样品所产生的剪切力（也可理解为拖曳力）不同，从而在缝隙里残留的样品量也不同，会造成不同的湿膜厚度。实验采用扁平刃、圆弧刃、锋利刃这3种不同工作面结构的间隙式涂布器制备涂膜，所得到的实际湿膜厚度及干膜厚度如表2所示。

表2 不同工作面结构对实际湿膜厚度及干膜厚度的影响

由表2可以看出，不同工作面结构的间隙式涂布器制备的湿膜厚度和深度并不严格满足巴顿所提出的对应关系，无论哪种结构的工作面，其湿膜厚度与间隙深度的比例均随间隙深度的增大而增加。另外，当间隙式涂布器的间隙深度相同时，不同工作面结构制得的湿膜厚度大小依次为：锋利刃>圆弧刃>扁平刃。

2.2 线棒涂布器

2.2.1 缠绕钢丝型线棒涂布器对制备的干湿膜厚度的影响

图3 缠绕钢丝型线棒涂布器模型

由图3可知，一定直径大小的钢丝紧密缠绕，相邻的钢丝会形成一定空间的缝隙面积，钢丝直径越大，形成的缝隙面积越大，涂膜时所残留的样品量就越多，从而形成的涂膜厚度就越厚。目前尚无专门的标准或规程对缠绕钢丝型线棒涂布器进行规定，仅在GB/T 9756—2018及GB/T 9755—2014能查阅到相关线棒规格，分为 80、100、120，对应的缠绕钢丝直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm。行业内已经习惯直接认为规格为80的线棒涂布器涂布的湿膜厚度为80 μm，而大部分涂料工程师或检测人员也根据行业习惯，误认为其制备得到的湿膜厚度能达到80μm；很多制造商将缠绕钢丝线直径为0.8mm的线棒涂布器标示为 80μm，但实际上，缠绕钢丝的直径与涂布的湿膜厚度没有直接关系。

从这种紧密缠绕钢丝结构的线棒涂布器原理来分析：涂膜时，假设液体样品全部充满图3中间阴影部分，其面积为 S，根据钢丝直径（D）可按照式（1）计算S。

之后阴影部分上端的液体样品开始往两边流平，最终在底边的区域内流平，得到的湿膜厚度d满足式（2）。

因此从理论上分析所得到的湿膜厚度与钢丝直径的对应关系大概是0.1倍，即若钢丝直径为1mm，则可制得的湿膜厚度为100μm。但实际应用中，同间隙式涂布器一样，最终得到的湿膜厚度可能还与所涂布样品的黏度、密度、颜料细度及涂布的速度相关。表3列出了用不同直径的缠绕钢丝的线棒涂布器所得到的实际湿膜厚度及干膜厚度。

表3 钢丝直径对实际湿膜厚度及干膜厚度的影响

从表3可以看出，缠绕钢丝型线棒涂布器也同间隙式涂布器一样，所得到的湿膜厚度与钢丝直径的比例随钢丝直径的增大而增加，其比例接近圆弧刃的间隙式涂布器。

结果与讨论

2.2.2 精密机械加工型线棒涂布器对制备的干湿膜厚度的影响

目前市场上已出现不同品牌的挤压式线棒涂布器，但因缺乏统一的生产标准，各品牌所标识的规格型号有着比较大的差别，这主要是因为加工时的凹凸形状不同，具体表现为凹槽波峰与峰距的不同，而这2个参数恰恰是影响残留在凹槽里面涂布样品量大小的关键因素，从而直接影响最终制得的涂膜厚度。表4是使用型号为 BGD 214 的不同标号的精密机械加工型线棒涂布器所得到的实际湿膜厚度及干膜厚度。

表4 不同波峰和峰距对实际湿膜厚度及干膜厚度的影响

从表4可以看出，精密机械加工型线棒涂布器的湿膜厚度与凹槽波峰、峰距有关，这2个值越大，所得到的湿膜厚度也越大；另外，结合表3分析可知，相同标号（即相同直径）的精密机械加工型线棒涂布器和缠绕钢丝型线棒涂布器，所得到的实际湿膜厚度也不一样，从实验数据来看，缠绕钢丝型线棒涂布器能得到更厚的湿膜。结合图2中2种线棒涂布器的投影图像分析，这可能是由同标号的缠绕钢丝型线棒涂布器丝线比精密机械加工型线棒涂布器的涂布间隙大导致的。

2.3 不挥发物体积固体含量

不挥发物体积固体含量（简称体积固含）是涂料重要的指标之一，它可为计算涂料的涂布率提供重要的依据。一般都简单认为，涂料的不挥发物体积固体含量为干膜厚度/湿膜厚度。图4为3种不同工作面结构的间隙式涂布器和线棒涂布器制备的涂膜的干膜厚度/湿膜厚度。

图4 不同制备工具的规格对干膜厚度/湿膜厚度的影响

由图4可知，无论采用间隙式涂布器，还是线棒涂布器，干膜厚度与湿膜厚度的比值均随制备间隙（间隙深度或线径）的增大而减少。分析原因，可能是因为边缘效应，即在使用间隙式涂布工具涂布时，涂层干燥后会出现边缘厚、中间薄的现象，即厚边，有时也称“相框效应”。有研究认为[4]：产生厚边的原因是表面张力驱动下的物质迁移。开始时，湿膜的边缘处较薄，溶剂挥发速度较中间快，导致边缘固含量迅速升高，边缘的表面张力远大于中间湿膜的表面张力，边缘处较大的表面张力以及较快的溶剂挥发驱动内侧液体向边缘移动，烘干后形成厚边，见图5。

图5 湿膜制备时厚边形成的机理

也有人认为[5-6]，是因为湿膜边缘受到限制，故涂层干燥固化后边缘部分涂层厚度超过中间部位膜厚，形成外凸内凹的涂膜面。Park等[7]研究了水基阳极浆料SDC（狭缝式涂布）过程的边缘效应，通过测量涂布起始位置截面轮廓，发现涂布速度对边缘宽度和高度无显著影响，边缘梯度随着涂布速度增加而增大，减小间隙比（涂布间隙/膜层厚度），可以降低边缘效应。Schmitt 等[8]研究了间隙涂布过程的边缘效应，通过压力预调整可降低边缘厚边。Schmitt等[9]还通过数学模型和正交试验，研究了涂布方向厚度不均匀的影响因素，发现提高涂布速度和涂布间隙可以减小涂布方向干膜厚度不均情况。

另本次实验中，因采用齿距为5μm的梳规测量湿膜厚度，越薄的涂层，湿膜厚度误差越大，这也是薄涂层的干膜厚度与湿膜厚度比值高于厚涂层的主要原因之一。因此，如果按常规的由干/湿膜厚比得到样品的不挥发物体积固体含量，可能与实际值存在较大的偏差而失去应用价值[8]。

 结 语

(1)样板涂布所得的湿膜厚度一般不等于涂布器间隙厚度或线棒涂布器所示标号。

(2)不同工作面结构的间隙式涂布器所制备的湿膜厚度/间隙深度不一样，在同一间隙深度下，扁平刃、圆弧刃、锋利刃涂布器制备的样品的湿膜厚度与间隙深度的比值依次增大；工作面结构相同的间隙涂布器，当间隙深度增加时，其制备的样品的湿膜厚度与间隙深度的比值也随之增大。

(3)缠绕钢丝型线棒涂布器同间隙式涂布器基本类似，当钢丝直径增大时，其制备样品的湿膜厚度与绕线钢丝直径的比值也随之增大，直至接近100%。

(4)精密机械加工型线棒涂布器所制得的湿膜厚度与凹槽结构，即波峰深度、相邻波峰距离有关，当凹槽波峰、峰距增大时，湿膜厚度随之增大，但湿膜厚度小于同型号的缠绕钢丝型线棒涂布器制备的样品。 

(5)对于同一种样品，干膜厚度与湿膜厚度的比值并不是固定值，而是随制备间隙的增大而变小，因此直接用干/湿膜厚比计算样品的体积固体含量并不可靠。

参考文献

[1]巴顿T C. 涂料流动和颜料分散--流变学方法探头涂料及油墨工艺学[M]. 2版. 北京：化学工业出版社，1988.

[2]GRENKO C. Preparation of films[M]. West Conshohocken：American Society for Testing and Materials, 1972: 251-259.

[3]陈惠钊. 粘度测量[M]. 2版. 北京：中国计量出版社，2003.

[4]迟彩霞，张双虎，乔秀丽，等. 狭缝式涂布技术的研究进展[J]. 应用化工，2016，45(2): 360-363.

[5]刘学红，李丹，李静静，等. 干湿膜厚度比测定液体涂料体积固体含量计算方法[J]. 涂料工业，2019，49(12)：47-53.

[6]刘学红. 一种测厚法测定涂料不挥发物体积固体分的计算方法：CN2019107156. 4[P]. 2019-07-25.

[7]PARK J, SHIN K, LEE C. Improvement of cross-machine directional thickness deviation for uniform pressure-sensitive adhesive layer in roll-to-roll slot-die coating process[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2015, 16(5): 937-943.

[8]SCHMITT M, DIEHM R, SCHARFER P, et al. An experimental and analytical study on intermittent slot die coating of viscoelastic battery slurries[J]. Journal of Coatings Technology and Research, 2015, 12(5): 927-938.

[9]SCHMITT M, SCHARFER P, SCHABEL W. Slot die coating of lithium-ion battery electrodes: investigations on edge effect issues for stripe and pattern coatings[J]. Journal of Coatings Technology and Research, 2013, 11(1): 57-63.