新型接触式模头提高同时AB双面涂布的均匀性

CIBF2023展会上，看到了信宇人参展的SDC双面同时涂布机，他们宣称在双面同时涂布机上申请了大量专利，确保第二面涂布的均匀性。今天分享一篇华中科技大学周华民、张云教授团队和信宇人共同发表的文章，介绍了一种新型接触式的涂布模头，应用于第二面的涂布，提高AB双面同时涂布涂层的均匀性。并且，他们还开发了一种双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法，该方法能够准确分析双面涂布中第二面涂布时基材变形对涂布液珠的成形过程和对涂布稳定性的影响。

如图1所示，一般涂布机采用先涂敷第一面，干燥后再涂敷第二面（图1a），或者分别在涂布烘箱两侧设置涂布模头，往返式涂布两面。而双面同时涂布机在涂布头一侧设置两个涂布模头，分别在集流体的双面涂敷涂层，然后进入悬浮烘箱干燥（图1b）。一般地，涂布模头和箔材之间形成间隙，浆料在间隙中间形成稳定的流场，实现涂层均匀涂布。但是，双面同时涂布机由于第一面存在湿涂层，在涂敷第二面时不能设置背辊支撑箔材，基板在干燥空气的作用下会发生振动，在涂布模头引起涂布间隙波动，从而影响涂布流场不稳定，导致涂层不均匀性问题。因此，对于双面同时涂布机，涂覆第二面时的涂覆均匀性是一个巨大的挑战。

于是，信宇人开发了新型接触式模头，如图1d所示，上游模头部分具有与基材接触的弧形表面，且基材在模头和基材张力的作用下由倾斜变为水平。模唇与上游模唇之间得到良好的支撑，可以减小涂布间隙的波动。第一面的模头与传统单面涂布模头相同。

图1  (a)传统单面狭缝涂布的示意图，（B）同时双面狭缝涂布的示意图，（c）使用非接触狭缝模头的狭缝涂布的细节，和（d）使用接触狭缝模头的狭缝涂布的细节

新型接触式模头双面同时涂布机设备如图2所示，采用该设备对比实验了传统模头和接触式模头的涂层均匀性。同时双面涂布的实验步骤为：首先固定基材（铜箔，10 μm）张力和涂布速度。然后，通过两个精密螺杆泵将负极浆料同时泵送送到非接触狭缝模头（第一面涂布）和接触狭缝模头（第二面涂布）中。浆料通过狭缝均匀化，挤出到移动箔材上以形成涂层。然后，在没有任何接触的情况下，通过漂浮喷嘴将基材输送通过干燥箱。将激光传感器装在干燥箱侧以测量箔材的振动。

图2  (a)实验平台示意图，（B）实验平台照片，（c）接触式的狭缝模头，和（d）接触式的狭缝模唇的横截面细节。

涂布间隙波动的对比实验结果如图3所示， 接触式模头的间隙波动振幅比非接触式模头的小约两个数量级。两者之间的大差异是由于图2a所示模头左侧基底固定点的变化所致，对于接触的狭缝模头，基板左侧上的固定点是上游模头（点1），对于非接触式狭缝模头，固定点变为安装在涂布模头上游的支撑辊（点2）。因此，基底支撑点到涂布间隙的跨度从L = 550mm变为L = 700mm，在模头中心处箔材的波动幅度将迅速增大，这就会导致涂布厚度波动。

图3 涂布厚度= 170 μm和涂布速度= 10 m/min时，接触式狭缝模头和非接触式狭缝模头的涂布间隙波动幅度A g 随频率的响应

此外，他们还建立了一个接触式模头第二面涂布模型，还建立了一个间隙波动模型来描述涂覆第二面时由振动引起箔材波动，同时考虑涂布液滴流场和箔材的振动。模型首先采用流体力学和VOF两相流模型计算涂布流场，将涂布初始流场数值计算结果，主要为基材表面的压力分布作为初始条件应用于间隙波动模型，进行流固耦合数值计算，如图4所示。采用该模型，他们计算了间隙波动的频率、涂层厚度和涂层速度对涂层均匀性的影响。

图4  移动箔材振动和边界条件示意图

参考文献：

[1]Penghui Tan, Simian Diao, Tianlun Huang, Tengfang Zhang, Zhiming Yang, Yun Zhang, Huamin Zhou,Numerical and experimental study on coating uniformity control in simultaneous double-sided slot coating with a novel contacted slot die,Chemical Engineering Science,Volume 222,2020,115716.

[2]专利，一种用于双面狭缝涂布接触式模头的模拟计算方法201811254577X.