【干貨分享】一文了解精密涂布技術

傳統涂布方法如刮刀式涂布（Comma Coating）或滾筒式涂布（Roll Coating）方法簡單，操作容易，但只能制作低價值產品，單價每平方米皆小于10元，而且這類涂布方式屬于開放式操作模式，有溶劑揮發影響操作人員健康的問題，在環保意識愈來愈受重視的今天，有必要作適當的調整。

國外先進大廠如Du Pont、3M、Kodak、Nitto等皆以擠壓式涂布（Extrusion Coating）發展相關事業，此類技術所衍生的產品單價至少每平方米在50元以上，甚至有些可達每平方米3,000元以上，與傳統涂布產品相差甚大。

建立精密涂布技術，再配合國人自行開發的各種高功能涂料，可應用于各種產品開發上，當然也包括我們的食品包裝領域。為追求高質量、高精密度的涂布產品，在制作過程中的各階段都需經過高質量的設計方可完成。

◤ 涂布方式

涂布技術包含種類極多，主要可分為兩大類：第一類稱之為干式涂布（Dry Coating），如真空蒸鍍法（Vacuum Deposition）或化學蒸鍍法（Chemical Vapor Deposition）等；另一類稱之為濕式涂布（Wet Coating），即液態涂布物質涂到基材上，再經干燥固化成膜的過程。

濕式法依其流體力學差異，主要可分為兩大類型，分別為后計量式（Post-Metering）及預計量式（Pre-Metered）涂布方式。

(a)后計量式涂布（Post-Metering Coating）

此類型涂布方式的共同特色是涂膜厚度受涂液的流變性質及涂布條件所影響。其中普遍使用的如浸沾式涂布（Dip Coating），其涂膜厚度隨涂布速度增加而變厚，但并不成正比關系，再增快速度，厚度將趨于定值或反而降低。其它如刮刀式、滾筒式涂布等都是屬于這類型涂布方式。

(b)預計量式涂布（Pre-Metered Coating）

涂膜厚度僅由輸液系統所設定，不會因為涂液的流變性質或涂布速度改變而有所不同。這種類型的原理，是將涂料自穩定供料泵到精密設計的擠壓型模具（Extrusion Die），形成寬廣且厚度均勻的薄膜，再涂布于基材上，如圖2所示。

屬于這種涂布方式的有狹縫模具式（Slot-die Coating）、斜板式（Slide Coating）、淋幕式涂布（Curtain Coating）及凹版式（Gravure）涂布等。

由于目前多數電子產品皆朝輕、薄、短、小的方向發展，涂布產品對精密度及均勻度的要求也逐漸提升，因此在最近幾年，國內相關涂布廠商也掀起投入精密涂布相關技術研發的熱潮，其中又以精密模具涂布方式為最熱門。

◤ 涂料輸送系統

在輸送系統的應用類型上，溶液型涂料通常使用計量泵（Metering Pump），而熱熔型涂料則使用熱熔融機（Melter）或擠出機（Extruder）；其中較常用的計量泵包括有螺桿式（Screw Pump）及齒輪式（Gear Pump）兩種，其共同特色如下所示：

1. 可以在幾乎無脈動之狀況連續輸送；

2. 由水狀液體到數十萬厘泊（cps）之高黏度液體皆能定量輸送；

3. 高精準度的吐出量，可信賴度高，吐出精準度在± 1%以內；

4. 使用可變速馬達變更流量范圍大；

5. 無須使用閥的構造設計，不會產生阻塞；

6. 強大的自吸能力，極高的吸入吐出壓力；

7. 能順暢運轉輸送且無震動與噪音；

8. 拆裝保養力求簡單。

涂布厚度完全由供料系統決定，因此涂膜在機器行進方向（MD）的厚度均勻性完全視泵的穩定性而定，其供料流量公式為：計量泵供料量=（涂幅寬度MM）x （濕膜厚度MM）x （涂布速度M）圖3

圖3 ?涂布供料示意圖

涂布供料示意圖另外涂料輸送時需避免受到雜質的污染或氣泡的產生，以防止涂布加工上的缺陷發生，因此在輸送涂料過程中都會加裝過濾裝置及消泡機構，以確保涂布質量；此外設備也會裝上壓力表或數字壓力計進行在線監控，以防止濾壓過大而停工。

一般涂料輸送系統之示意圖如圖3所示，其主要項目包括有消泡機構（De-Gassing）、過濾器（Filter）、靜態混合裝置（Static Mixer）、壓力傳感器（Pressure Sensor）等。

◤ 精密模具設計

擠壓式模具（Extrusion Die）在高分子加工過程中扮演十分重要的角色，一般的模具，依其出口的形狀，可分為生產套管的環形模具（Annular Die），生產纖維、圓棒的圓形模具（Circular Die）、制作薄片（Sheet）及薄膜（Film）的狹縫式模具。

除此之外，還可制造部分特殊形狀產品的異形模具（Profile Die）等，可說是應用范圍相當廣泛。

涂布工業上所使用的衣架型模具（Coat-Hanger Die），屬于狹縫式模具的一種，其內部主要分為分流管（Manifold）與狹縫區（Slot Section）兩個部分；欲加工的流體由模具入口處流入，由于狹縫厚度極小，液體通過的阻力極大，所以高分子液體會先向截面積較大的分流管兩端流動，待在涂布的寬度方向上分配均勻后，再流入狹縫區且擠出形成均勻分布的薄膜。

模具設計最主要的目的在于如何設計分流管截面積的變化情形，使得不同流變性質的涂液在不同的加工條件下，能生產出厚度均勻的涂布液膜。

整體上，模具設計應包括內部流道幾何形狀分布、內外部調整機構、加熱裝置、模口幾何形狀設計以及機械結構，其中又以內部流道設計對均勻度影響最大。

按分流管的形狀可分為截面固定的Ｔ型模具與截面隨位置變化的衣架型模具兩類，結構可見圖4所示，至于如何判斷使用何種模具，可參照表二所示，表中比較此兩種模具之差異性，以及基本特性比較。

圖4 兩種常見擠壓型模具示意圖

表一 T型模具與衣架型模具之比較

◤ 烘箱設計

在涂布工程中，干燥程序是決定涂膜質量重要步驟之一，不論干燥技術或設備的設計，對涂布產品性質優劣有顯著的影響，其重要性并不亞于涂布技術。

熱量的傳遞可借著傳導、對流及輻射的方式，將熱量由熱源傳送至被加熱物體上，傳導及對流均需有加熱介質，輻射是將熱量直接傳遞至被加熱體的表面，而不需加熱中間介質（如空氣），所以是能量效率最高的加熱方式。

在加熱干燥的過程中，同時有熱傳及質傳兩種現象在進行，熱傳乃是提高涂料的溫度，增加其水分或溶劑的流動性，并蒸發水分或溶劑，而質傳乃是促使內部的水分或溶劑向表面移動，以進行蒸發。

一般干燥的方式不受涂布方式的影響，但隨著涂液的種類而必須作調整，傳統的熱風干燥方式，乃是藉熱風加熱的方式使溶劑揮發而形成均勻的膜涂于物體表面上，由于此加熱方式需將大量的溶劑蒸發，不僅消耗能源，同時亦造成溶劑對環境的污染。

而最近發展的輻射型干燥方式，具有加熱快、熱效率高及大幅縮短干燥時間等諸多優點，較傳統的熱風干燥方式，既省能源且設備不占空間，其中紅外線(Infrared)加熱、微波加熱、紫外線硬化（Ultra Violet Curing）及電子束硬化（Electron Beam Curing）等都是利用輻射能的方式達到干燥的目的。

其中微波加熱效率最高，紅外線與微波的不同之處在于微波能量高，能穿透物質的內部進行均勻加熱，而電子束硬化方式因需較高的成本，且在惰性氣體中進行，是其缺點。

為了近一步了解涂膜的干燥狀況，市面上出現了許多計算涂膜干燥情況的軟件，今舉兩種商品供參考。其中之一為SuperDryer，是由美國 TNN Technology開發出的可以設計干燥系統以及計算烘箱干燥狀況的軟件，是可在微軟操作系統下的軟件包，其對于從事干燥設備設計、生產、研究以及開發的研發工程師而言是一個非常實用的軟件。

此軟件的適用范圍是:a)可應用于涂布及印刷工業；b)可以提供干燥系統制造商和用戶一個設計、修正以及評估的工具；c)可以分析干燥系統的干燥狀況。

另外一種是Gutoff（精密涂布顧問）所發展出的仿真軟件，最主要的功能是針對現有的烘箱，預測及估計其干燥狀況，可以計算出:涂料的最終溫度、涂料最終溶劑含量以及干燥過程中熱風與涂料的溫度及溶劑含量隨干燥時間與烘箱位置的變化情形。其可模擬的范圍包括：a)等速干燥期與下降速度干燥期；b)結合熱風與紅外線的干燥；c)可以模擬多節烘箱的干燥。

◤ 其他附屬設備

為了提高產品優良率，建議可利用下列設備來改善涂布生產問題。

1、在線膜厚量測儀（On-line Thickness Gauge）膜厚穩定性常受模具的狹縫間隙、涂布間隙、供料泵、過濾壓力與傳動速度等因素的影響，因此可在線裝設膜厚測量儀來監控膜厚的穩定性，藉此也可以減少生產上的問題發生，其中常用的儀器原理有紅外線、β-ray、γ-ray等方式。

2、外觀檢查系統（Inspection System）可確保全天候的產品質量，并可實時監控生產機臺狀態與生產條件之穩定，可進行監控的項目包括表面缺陷，如刮痕、皺折、針孔與斑點等，并加以記錄與標記，以維持外觀質量上的穩定。

3、數據擷取系統（Data Acquisition System）凡工藝參數如傳動速度、基材張力、烘箱溫度、烘箱內溶劑濃度、涂膜厚度與泵供給量等，都是影響產品的重要因素，因此都需利用數據擷取系統加以記錄并分析，以掌握制程的穩定性。

4、基材清潔裝置（Web Cleaner）可在涂布機上多處裝設黏塵輪或者超音波除塵裝置來消除外來異物、粉塵或纖維，以提高產品優良率;其中異物來源包括基材原物料、壓合輪或導輪的不干凈或無塵室環境所造成。

5、溶劑濃度偵測系統（Gas Detector）可在涂布機濃度較高處（如涂布區域、烘箱前段及廢氣排氣）安裝LEL﹑LFL氣體濃度偵測系統，以預防因排氣不正常，導致濃度過高的危險。“LEL”是指爆炸下限，它是針對可燃氣體的一個技術詞語。可燃氣體在空氣中遇明火爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限—簡稱"LEL"。英文：Lower Explosive Limit。LFL指著火下限，多用于描述易燃化學物質的特性。