劉達人、朱文彬 / 工研院材化所
捲對捲連續式塗佈製程中的乾燥製程，常常直接影響產品的塗膜品質。不恰當的乾燥製程參數，將導致塗膜的品質產生缺陷。在考量產品品質、耗能與生產成本、環保法規、操作安全性等要求下，塗膜乾燥製程之精準操作技術逐漸被重視。本文將介紹以理論模式預測塗膜乾燥過程中溶劑的變化，取代經驗法則之乾燥參數設定，以達到製程參數優化；同時以應用案例輔助，說明乾燥製程參數對產品與結構造成的影響。
【內文精選】
精準乾燥技術的理論與操作
濕式塗佈製程首先將塗料均勻地塗佈在基材上成膜，之後的乾燥程序則利用熱風空氣將基材與塗膜加熱至溶劑揮發，並且排出烘箱以達到塗膜硬化乾燥。精準乾燥技術即是利用預先設計的製程參數，來操控塗膜品質與生產目標。產業界常使用經驗方法或是實驗計畫法調整乾燥烘箱的製程參數設定；對於新產品或是產速提升，需要耗費大量的測試材料與時間，若是以理論方式建立精準預測工具，則可以加速開發時程，讓所設計的塗膜功能展現且無缺陷發生。
1. 塗膜乾燥理論
塗膜與基材進入烘箱內的乾燥過程可以分為：恆速率乾燥期、減速率乾燥期。恆速率乾燥期是塗膜中的溶劑受到熱傳揮發速率為固定值，塗膜中的自由溶劑分子受到加熱而直接揮發至空氣中；減速乾燥期則是因為塗膜中的溶劑成分比例下降，且受到塗膜高分子固化的結構生成和作用力影響，而在塗膜中質傳擴散作用至塗膜表面使揮發的速率持續下降。塗料系統主要可以分為水性與有機溶劑系統，其乾燥過程特性不同。在水性塗料中，大部分乾燥發生在恆定速率期間；而對於有機溶劑系統，大部分乾燥發生在降速期間，某些情況下，在塗佈塗膜進入烘箱之前，恆速期間已經結束。在下降速率期間，到達表面的所有溶劑都蒸發；因此，溶劑擴散到表面的速率可視為蒸發速率，此時為擴散傳輸機制。
2. 乾燥曲線操作
進行精準乾燥模擬流程首先要知道的參數為塗料特性、基材特性與乾燥製程，包括有：塗重、固含量、材料比熱、溶劑種類、基材厚度、基材種類、塗佈速度、各節烘箱長度、每節烘箱溫度、烘箱噴嘴風速等。烘箱的乾燥效率關鍵是熱傳係數與塗膜溶劑質傳擴散係數，藉由建立的乾燥曲線(Drying Curve)模式，可以模擬塗膜的乾燥製程參數操作與操控。
精準乾燥技術應用案例
1. 底片製程
塗料具有溫度敏感性，在40˚C時呈現低黏度，類似水具有良好流動性，但在低於4˚C時則呈現黏度非常高的膠體狀態，不易流動，如此有利於高速塗佈生產；而塗膜進入乾燥烘箱前會先進入低溫冷卻箱，塗膜表面不會受烘箱內的噴嘴高風速影響而起皺。因此，利用塗料的黏度受溫度變化的特性來操作，可以提升水性塗料需要高效率快速乾燥的目標。同時烘箱內的設計也可使用彎曲路徑，大幅節省空間，而不需像傳統的水平或垂直路徑的烘箱設計。
圖二為典型的照相底片乾燥生產製程示意圖。圖二(a)為塗膜乾燥過程隨含水率下降時相變化特性，隨著點A至點F達到完全乾燥，自液相隨著溫度下降進入到橡膠態，然後於恆溫乾燥空氣中將塗膜中的水分去除到玻璃相固化；圖二(b)則是具有水平冷卻段與垂直路徑乾燥段烘箱，此設計的優點是水平穩定塗膜與節省大幅的空間與高速生產。
圖二、典型的照相底片乾燥製程
3. 鋰電池極板製程
漿料系統中含有大量的固體粒子、高分子黏結劑和溶劑，塗膜乾燥過程會逐漸產生具有孔隙的結構，所以乾燥速率將會影響電極塗膜中成分的組成分布均勻性。在高溫快速乾燥時，容易導致與黏結劑分布表面濃度較高，使下層接近基材位置的黏結劑濃度較低，如此會導致極板接著變差，嚴重時會使塗層龜裂，組成電池的特性將會變差。因此高能量厚膜電池的極板設計需要快速乾燥且須要改善接著性能，導入乾燥條件與電性特性連結，可以找到優化生產條件。圖四表示的是鋰電池極板塗佈基重與乾燥溫度的塗層龜裂現象發生圖。隨著高能量設計提高塗層基重容易產生現狀龜裂缺陷；但塗層以高溫快速乾燥則容易產生孔洞狀龜裂缺陷 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、鋰電池極板塗佈基重與乾燥溫度導致塗層龜裂現象
★本文節錄自《工業材料雜誌》450期，更多資料請見下方附檔。