帘式涂布原理

1、帘式涂布的原理帘式涂布作为一种新的涂布法应用于特种纸、印刷纸和纸板的生产上。帘式涂布的特点是液体涂层在接触到移动的预涂纸页之前呈自由下落运动。高的涂料冲击速度允许在相当高的速度下进行涂布。这种非接触式涂布法对原纸没有施加任何机械应力，因此减少了纸幅的断裂并提供好的涂料覆盖性，为提高生产效率和减少涂布量提供了机会。本文阐述了帘式涂布的基本原理和帘式涂布缺陷的起因。为高速条件下纸幅的高浓液体涂布提供了操作上的经验。帘式涂布是采用普通的预计量法来进行精确涂布的一种方法。其特点是自由下落的液体膜（幕帘）对将要涂布的原纸产生冲击。在高速条件下对表面不规则的纸页施涂一层液体薄膜。与纸幅垂直移动时的速度相比

2、，幕帘的冲击速度相当高。高的冲击速度可使纸页在高速运行条件下进行涂布。帘式涂布有很多优点，但却易受操作条件限制。对幕帘的流速有一个较低的界限，流速低于这个界限， 下落的幕帘会突然断裂。另一个相关的问题是，自由下落的液体幕帘对造成涂料不规则流动的湍流行为比较敏感。此外，当液体幕帘对纸幅进行冲击时，周围所含的空气限制了涂布速度的进一步提高。20世纪60年代开始，已有几种不同类型的帘式涂布器应用到纸幅的连续涂布中。包括在车 速高达480m/min的条件下对铝箔和瓦楞纸板进行涂布。采用现代化帘式涂布设计进行单层和多 层涂布，以便形成精确的涂料膜，比如用于照相纸的生产。虽然各种供料冲模的设计已经取得 了

3、专利，但一直注重在缝隙喂料的设计上（见图1）,这和Hughes已申请的专利相似。此外，还注重与液体颜料涂布有关的单一降膜流动的研究。喷喷开II" mm图1用丁纸张涂布的缝隙型幕帘冲模人们对帘式涂布的原理和可运行性已经作了广泛的研究，包括理论分析，实验和对有限单元的模拟。帘式涂布过程可以分为1个区域：幕帘形成区、幕帘流动区和冲击区，见图 ！。在幕帘形成区，用两条静态接触的直线来描绘所设计的缝隙喂料，涂料经缝隙从冲模中喷出。蒂帘形成区扉帝流动区幕帘冲击区未涂布的粮幅涂布后的恭幅图2帘式涂布过程中幕帘的形成区、流动区和冲击区1帘式涂布机的物理过程1.1幕帘的形成KISLTER已经对从缝隙喂

4、料中流出的幕帘流动状态的分析进行了论证。从缝隙口处开始， 自由下落的幕帘在较短的距离里（大约100-300nm）获得了扩展性的流动。当幕帘朝向原纸流动时，重力作用、惯性、黏着力和毛细管力控制着幕帘的伸展行为。静止接触线处的作用力导致缝隙口附近应力的不均匀分布，造成幕帘有时偏向口的下端。结果，接触线从缝隙处移开， 造成“茶壶效应”的发生。除幕帘偏移外，还有其他两个机理与茶壶效应的产生相关。第一个机理是前进和后退接触角之间的不同，这是由于冲模的材料不一致和表面的粗糙度造成的。第二个机理是自由流体表面常规的动力学不稳定性，这导致在相同的流动参数条件下产生多种流动状态。幕帘的偏移源于纯粹的流体动力学作

5、用， 而不是动力学润湿或者伸展现象。无因次的雷诺数6+,表示单位宽度上幕帘的速度，是控制流动性质的参数。当流速增加时，雷诺数也增加，接触线进一步从缝口处移走。然而，幕帘最大偏移，存在一个关键的流动速度，超过这个速度后，液体膜开始向缝口流动。虽然这一现象从本质上来说是属于流体动力学范畴，但有限单元方法下的结果显示，当接触角增加时，接触角的位置对流速的敏感性较差。一般来说不希望产生茶壶效应，因为它能导致涂布缺陷。包括涂料在唇缘下受阻和幕帘在垂直的位置处发生急剧偏移。前者在流动停止处能够导致干燥沉积，使缝隙口变形。后一问题的产生与横向条纹的形成有关。茶壶现象在滑动涂布机中更为普遍，而帘式涂布机由于对

6、缝隙唇板的设计进行了优化，因此很少产生这种现象。1.2幕帘的流动在幕帘的流动区，主要的流动变量是幕帘的最终速度V,流体以这种速度冲击纸幅。幕帘速度方向与重力方向一致，对定义涂布过程的操作界面起着决定性作用。在一定条件下，冲击区的毛细管作用力能够拉着幕帘在纸幅方向上运动。受拉的涂膜发生断裂。当流速相对较低或幕帘的高度较小时，可以观察到这一现象。当要求稳定的幕帘时，显然流速必须要比自由下落的幕帘的 速度更大。后者与表面张力成正比，与幕帘的厚度成反比。较薄的长幕帘在实际生产中难以形成且保持其均一性。Greiller曾说明要保持幕帘的稳定存在一个最佳的黏度和表面张力范围。通过阻止流体动力学干扰以提高液

7、体涂料的黏度使幕帘稳 定。同时，当幕帘接触纸幅时，它加速了边缘层的增长。随后将导致幕帘破裂。表面活性剂可降 低液体的表面张力和增加其表面黏弹性，使幕帘的传播速度降低。幕帘边缘处的表面活性剂能够阻止幕帘收缩，这主要是通过增加幕帘润湿性或者由Marangoni作用促使幕帘收缩和局部的表面 张力梯度引起的。另一方面，由于幕帘黏性表面沿着幕帘边缘导向拖移导致的幕帘的不稳定性与 低的幕帘速度有关。Werber (We)数:幕帘的稳定性决定于惯性对表面张力的比率。这就是所知的无因次II)式（1）中p和b分别为流体的密度和表面张力，Q是单位宽度上的体积流量。稳定的幕帘要求惯性作用力比表面张力更大，或者为We

8、数2,按式（2）表示衡量公式：式中，Hwet指沉积在纸幅上湿涂膜的厚度，（指幕帘离开缝隙的距离。有助于幕帘稳定的措施包括：厚的幕帘； 快速流动的幕帘；每单位宽度的高体积流量；低的表面张力。低表面张力可在恒定的纸幅速度下获得较低的涂布量或者在低纸幅速度下获得所要求的涂布量。换句话说，降低表面张力加宽了涂布过程的操作空间。虽然黏度在式（2）中没有出现，但是，它部分地影响过渡区的长度，在过渡区里，黏性力影响幕帘的速度。当幕帘较过渡区的长度短时， 如果We数2,黏度较高的幕帘可以是稳定的，这时过渡区的长度随着黏度的提高而增加。除了上述理论，Schweizer对稳定幕帘的形成提出了一些实际的方法：（a）

9、流量比必须高于某一确定的最小值；（b）表面张力必须低于最大值。对水性流体来说，最小流量约为每厘米 1.0cm2/s，其最大表面张力为40mN/m。对于任何给定的湿成膜厚度及其相应的干覆盖率Adry （单位：g/m2）,这里存在最小的幕帘冲击速度：（3）1000#加 v 1式（3）中，c表示固含量。举例，在固含量为50%，涂布量为5g/m2时，其所需的最小幕帘冲击速度为600m/min。由于水的表面张力为 70mN/m ,所以水性流体本身很难满足所需的低表面张 力。因此必须加入表面活性剂， 其作用效率是由其从幕帘内部向自由表面扩散的时间长短决定的。添加表面活性剂提高幕帘稳定性的作用效率的影响因素

10、包括：化学组成，链的长度，表面活性剂分子的浓度； 幕帘液体的黏度； 幕帘流动领域的局部速率； 幕帘液的使用期限； 新幕帘表面的生成速率。低的表面张力需要高的表面活性剂浓度和长的表面时效。“动态表面张力" 这是一种与时间有关的幕帘表面张力，用于考虑其时效性有一定的实际用处。在较长的表面时效下，动态表面张力近似于静态表面张力的均衡值。边缘效应同样也影响幕帘的稳定性，它使边缘导向附近的幕帘局部变薄，以至于使幕帘断开。自由幕帘也会因压差而造成一些干扰。这类干扰是周期性的，它会导致幕帘像钟摆一样地摆动， 结果可导致涂层形成不均匀的横纹。另外，周围空气的流动也偶尔干扰幕帘。1.3幕帘的冲击主要的

11、决定性参数有幕帘冲击到移动的纸幅时所形成区域的主要物理性质决定了操作界面。雷诺数（Re）（惯性力与网络黏性力之比）：(4)7?e=pp/j±式（4）中，为液体的黏度；纸幅运动速度U与落帘的冲击速度 V之比；Weber数。另外一个影响幕帘冲击的非因次参数是堆积数（St）,它是重力（除了流体静力）与网络黏性力之比：踞pH""(5)在高速帘式涂布中，惯性力、黏度、表面张力起着关键的作用。雷诺数大，流量高或速率比 低，能促使冲击区踵部的形成，使动态接触角上移。同样可以通过降低Re数，提高速率比来阻止这种情况的发生。 踵部对周期性的涂料不稳定性比较敏感，这种不稳定性可以导致

12、涂料膜横向不均匀。此外，踵部的形成与夹带的空气密切相关，这些夹带的空气会形成明显的涂布空白区。虽然自由幕帘易于受到干扰，但其冲击区的涂料比其他预计量法涂布的涂料更能抗干扰。起决定作用的参数有 Re、U/V、毛细管数Ca：Ca=tV/a(6)Kistler分析表明，当毛细管数 Car 8，可以在雷诺数 Re= p Q/ 与纸幅移动速度和幕帘速 度比U/V的特征曲线上描绘冲击流的涂布性能界面，因为涂布性能界面只依赖于这种二维集合。导致幕帘涂布失败的因素有以下几种： 流速低，幕帘破裂； 流速与涂布速度均低，出现拽拉膜现象； 涂布速度高，流速相对低，出现夹杂空气； 流速高，涂布速度低，形成踵部。流速、

13、涂布速度均高，形成踵部，也出现夹杂空气。一般情况下，高冲击压力可以有效地排 除夹带的空气。动态润湿线的位置取决于宏观和流体效应(冲击惯性和在一定流量比的情况下加速涂料膜与纸幅结合的动量传递)。在相对低的U/V和低Re的情况下，会形成小的踵部。在踵部存在的情况下，流速高时将会夹带空气。由涡流形成的踵部常常吸收气泡聚集物、凝胶或由变质涂料产生的其他颗粒。此外，在高速下踵部的形成，会出现不均匀的动态润湿线，横向会产生不均匀性。Brown和Hughes提出，如果将帘式涂布速度控制在360-600m/min ,能有效防止产生夹带空气。然而，在高速帘式涂布中空气的干扰仍然非常重要，它需要限制最大涂布速度。

14、如超过限制速度，常会看见一些 ？形的气袋和夹带气流的条纹，结果导致涂布不匀，更严重的会产生涂布空 白区。Miyamoto和Scriven对夹带空气的机理进行了详细描述。避免操作界面受夹带空气的影响 是由Re、U/V决定的。剪切稀化液体有利于提高流动速度从而延缓夹带空气的形成。电脑对冲击区的模拟显示对液体的剪切稀化可以将气蚀现象转化为高速运行。这种气蚀现象会影响幕帘，从而导致涂料膜破裂。以高流量比进行涂布的过程受最大涂布速度的限制，这个最大涂布速度能避免踵部夹带空 气。较长的踵部会降低润湿部流体动力学的积极作用，从而使得空气层被拽拉到边缘层产生滑脱现象。纸幅表面的表面能和粗糙度对最大涂布速度起决

15、定性的作用。实际上幕帘表面的润湿性是通过添加表面活性剂来控制的。踵部的形成和幕帘的稳定性决定了最大和最小成膜厚度。最大厚度受幕帘向下流动的限制， 其流量受到黏性力和重力的影响；最小厚度受一定流速下能形成稳定幕帘的要求所控制。这里唇口与纸幅间的距离对幕帘没有直接影响，起直接影响的仅仅是幕帘的冲击速率。2操作稳定性曲线确定操作界面是优化帘式涂布的重要一步。图3表明了无因次形式的操作界面图，其中最关键是选择Re、U/V流动参数。这些参数能使操作者更好地控制冲击区动态接触角的位置，从而达 到理想的涂布量。在低 Re和低U/V的情况下，幕帘会出现拽拉膜现象；当 U/V持续升高时，被拉 紧的膜最终会破裂。

16、低 Re值会使空气夹入弧形面与纸的表面之间，使幕帘破裂。特别高的Re会导致踵部的形成。在高速率比的情况下，操作界面变窄，因此流量变得尤为关键。当超过一Re 定的速率比时，如图 3所示将会在涂层表面出现“和泥”现象。有效的操作界面取决于涂料的黏 度以及相对速率。对涂料来说，表面张力虽然重要，但只能通过选择表面活性剂对其进行少许改 变。另一方面，黏度可以通过提高或降低涂布固含量来改变。利泥现象U/V图3由雷诺数和无因次速率比所描绘的帘式涂布的操作界面近几年，在中试涂布机上进行了几次试验，对帘式涂布用于高度染色的商品涂布纸种进行了评价，并从热敏纸的实际生产中得到了宝贵的经验。最关键的是在高的操作速度

17、（1000m/min）下确定过程限度以及涂料流变性和纸张表面的最优化问题。 当涂布速度400m/min时能有效地排除空气层， 低定量涂布纸（LWC）的涂布速度达到1500-2000 m/min。帘式涂布使LWC在固含量为54% （有利于气泡排除）的情况下能达到5-8g/m2的涂布量和85%覆盖率。在保持连续涂布量为 5-6g/m2时，用帘式涂布代替计量施胶压榨在覆盖率上有40%的优势。德国“高速率和高固含量帘式涂布”协会对胶版印刷纸和纸板进行了中试涂布试验。确定 了对涂料的要求：高固含量、低黏度和表面张力；高黏弹性和可伸缩性；低气泡含量。帘式涂布 完全可以用来进行全碳酸钙、碳酸钙和瓷土、碳酸钙

18、 7瓷土 7二氧化钛等所有复合的、涂层较 厚的以及固含量在 50%-55%之间的涂布。还包括在 LWC和非木材纸张的涂布中的应用，其速度 能达到1000m/min ,同样适应于涂布纸板。Voss和Tadjbach证明了随着涂料可伸缩性的提高，用帘式涂布生产LWC可以达到较高的质量要求。在原纸定量 42g/m2.,车速1200-1600m/min，涂布量12g/m2，固含量61%条件下，利用帘 式涂布进行中试试验获得不同厚度的涂层。伸展性黏度的提高可以降低涂料表面的缺陷。在考虑到涂料流变性方面，作者对Trouton比值进行了讨论，这个比值与剪切力和延伸黏度有关。对牛顿流体来说，其比值为3;对非牛顿流体纸张涂料来说，其比值为3-6,对无缺陷的帘式涂布来说，考虑到涂布机的运转性能，其比值为10。选择一些聚丙烯酸增稠剂，特别是