线棒涂膜是什么意思？应用在哪些方面呢？

棒涂的介绍：方法、理论与应用

棒涂是一种简单的湿法加工技术，用于在基材上沉积一薄层溶液。将一根棒或梅尔棒（Mayer Rod）放置在基材上，并拖过溶液池，导致溶液铺展成薄膜或涂层。棒涂通常用于开发汽车涂料、光伏电池和锂离子电池等应用。棒涂可以手动进行，也可以自动化以提高精度和效率。在自动化棒涂系统（例如 Ossila棒涂机 中，使用自动涂膜机以均匀速度将棒（如绕线梅尔棒）在基材上移动。根据所用棒的类型，这种涂布方法也被称为刮涂（drawdown coating）、棒涂（rod coating）、线棒涂布（wire bar coating）和梅尔棒涂布（Mayer bar coating）。

棒涂机的设计与结构

在棒涂中，溶液使用一种称为梅尔棒（Mayer Rod）的圆柱形棒铺展在基材上，该棒上有螺旋缠绕的钢丝。棒（或包裹的钢丝）与基材之间的间隙控制允许通过的溶液量。这决定了膜的厚度。

您可以手动进行此过程，用手移动棒。然而，手动棒涂的重现性和重复性较低，因为压力和涂布速度等参数无法精确控制。不过，当尝试不同的涂布方法时，手动棒涂是一个很好的起点。

为了生产更一致的涂层，您可以使用自动棒涂机（automatic bar coater）。您可以将不同的梅尔棒连接到这些机器上，为各种应用提供灵活性。这种设置通过确保一致的压力和涂布间隙，并帮助流体自流平，提高了重现性。这些自动棒涂机还带有一个固定基材的平台。通常使用玻璃平台，因为它们具有非反应性、易于清洁且在大面积上光滑。然而，真空板也是涂布柔性薄膜或箔材的热门选择，它们确保基材固定到位。或者，当使用线棒涂布柔性基材时，可以在基材下方放置一块坚固的橡胶垫以保持基材固定。

在某些情况下，一个重力供液储液槽（gravity-fed reservoir）会连接到棒上。这些储液槽有助于实现涂层的均匀性。它们还能减少涂布过程开始和结束时的浪费。储液槽控制着墨水的沉积，因此可以提高涂层的重现性。这对于较长的自动涂布机特别有用，因为无法一次性沉积所需量的墨水。然而，对于小规模的手动棒涂应用，通常不需要储液槽。

可以通过改变以下参数来优化该过程并提高其可重复性：

棒的高度和压力

涂布速度

溶液浓度

溶液粘度

干燥与涂后处理

与大多数溶液加工技术一样，您可能需要一个后退火阶段来实现均匀的干膜。您可以使用几种干燥方法。热退火（Thermal annealing）涉及在基材涂布后不久对其进行加热。此后退火的温度将显著影响薄膜的干燥机制，从而影响其均匀性。您需要进行优化以找到合适的温度。此外，您还可以使用气刀（air knife）提供加压空气或氮气流来干燥或启动薄膜中的干燥。这将使您能够进一步控制薄膜结晶。结合气刀后处理和优化的温度退火，棒涂已被用于制造面积超过100 cm²的钙钛矿太阳能电池。选择具有合适沸点的溶剂体系以实现所需的干燥机制也很重要。

涂层厚度

在线棒涂布中，湿膜厚度由钢丝之间的间隙大小决定。直径较大的钢丝会产生较大的间隙。它们允许更多的涂布材料通过每根钢丝之间，从而产生更厚的湿膜。如下图所示，钢丝直径与湿膜厚度之间通常存在线性关系。

实际上，湿膜厚度与钢丝直径之间的关系可能更复杂。它可能受到诸如基材吸收性、线棒与涂布溶液之间的相互作用以及涂布溶液的粘度和浓度等因素的影响——但这些主要影响最终膜厚的均匀性。然而，大多数制造商会引用给定涂布棒与湿膜厚度之间的经验关系。

自流平（Self Leveling）

沉积后，线棒涂布会留下条纹，薄膜看起来不均匀。然而，毛细管力随后立即将涂布溶液吸引在一起，迅速形成连续的湿膜。自流平过程取决于您溶液的干燥机制以及其在基材上的粘度和表面张力。您基本上需要确保您的溶液在开始干燥之前能够自流平。一些生产薄膜有机薄膜晶体管（OTFT）的研究发现，通过使用非常稀释的溶液可以形成均匀的薄膜。

涂布速度

涂布速度也会影响最终的棒涂厚度。通常，涂布棒相对于基材移动得越快，涂层越薄。这主要有两个原因。首先，增加的速度减少了涂布过程中涂层与基材的接触时间。您可以想象棒涂过程的核心是将溶液从棒转移到基材。因此，如果溶液与基材的接触时间较短，这种转移就会受阻，从而影响薄膜。此外，许多涂布溶液（包括油漆和聚合物涂布溶液）容易发生剪切稀化（shear thinning）。更高的涂布速度对涂布溶液施加更多的剪切力。这降低了涂布溶液的粘度，因此它更易铺展，形成更薄的层。然而，这也取决于涂布溶液。对于某些溶液，如果整个系统的毛细管数（capillary number）足够低，薄膜厚度可能会随着涂布速度的增加而增加。

毛细管数（Ca）代表毛细管力相对于粘性阻力的相对影响。其定义如下：

Ca = (μ * v) / γ

其中：

μ 是粘度，

v （在此情况下）是涂布速度，

γ 是表面张力。

如果 Ca << 1，则涂布速度对膜厚的这种影响关系成立。如果您增加涂布速度，就增加了粘性阻力，毛细管力的相对影响减小，导致膜厚增加。

干膜厚度与湿膜厚度

理论干膜厚度可以直接与湿膜厚度相关联，前提是您知道涂布溶液的固含量（solid content）。这基于质量守恒原理，假设过程中没有涂布溶液损失，并且溶剂蒸发后仅留下溶质层。

棒涂中使用的棒类型

棒涂中使用的棒类型显著影响最终的涂层效果，并且某些棒可能与并非所有涂布溶液兼容。

光滑棒、开绕线棒或闭绕线棒

线棒（也称为梅尔棒或梅尔棒（Mayer bar or Mayer rod））有两种类型：开绕（open wound）（较少见）和闭绕（close wound）（较常见）。这些棒的特点是一个杆体上缠绕着额外的金属丝。正是这些金属丝在涂布过程中与基材接触，因此金属丝的节距（pitch）和直径会影响涂层的厚度。

在闭绕线棒中，金属丝尽可能紧密地缠绕，覆盖杆体。这种配置通常产生较薄的湿膜，适用于易于自流平的低粘度流体。另一方面，开绕线棒的金属丝间距较远，暴露出部分杆体。缠绕的节距成为一个关键变量，改变了湿膜的厚度。开绕棒通常更适合粘度较高的流体，因为一旦棒被拖过后，流体需要自流平的程度较低。

单个线棒适用于特定的湿膜厚度范围。制造商会标明每个梅尔棒的湿膜厚度，如下表所示：

您也可以使用光滑棒进行棒涂。光滑棒是类型，它是一根普通的棒，悬停在基材上方一个已知距离处，并拖过墨水以留下湿膜。在涂布区域的宽度上，棒不与基材接触。

成型棒与绕线棒

除了绕线梅尔棒（其中心为金属杆，缠绕有特定直径的金属丝）外，您还可以使用成型梅尔棒（formed Mayer bars）。成型梅尔棒通过蚀刻或模压的方式在杆体上形成凹槽，这些凹槽模仿了绕线棒中金属丝形成的间隙。绕线棒通常更容易制造，因此通常比成型棒更便宜。然而，成型棒往往更耐用，因为没有易断裂的金属丝。

棒材料

不锈钢是制造杆体和金属丝材料，因为它具有耐化学腐蚀性和高强度，使其不易损坏。不锈钢易于获得不同直径，并且可以轻松组装成线棒。对于特别具有反应性或腐蚀性的墨水，可以使用不同类型的钢材来增强耐腐蚀性。虽然不锈钢是标准材料，但棒可以由任何可以加工成正确几何形状的惰性材料制成。

棒涂的优势

低成本、高简单性

棒涂的一个优势是与其他涂层沉积方法相比成本较低。这是因为棒涂不需要昂贵的泵或精密加工的部件。事实上，装置甚至不需要电机——操作员只需拖动棒即可。这种亲力亲为的方法通常被称为“手动"棒涂。然而，自动化设备可以提供对过程更精确的控制和更高的可重复性。

可变的涂层厚度

棒涂可以实现从10μm到毫米级的广泛湿膜厚度范围。改变涂层厚度既快速又简单。每根棒提供不同的湿膜厚度。棒涂可用于沉积非常厚的涂层，厚度可达几毫米。

灵活且通用

此外，棒涂兼容多种溶液和基材，能够在硬质和柔性基材上进行涂布。

大面积涂布

通过棒涂，您可以在从几毫米到米级宽度的样品区域上制备均匀的薄膜。通常，棒涂用于制备A4尺寸范围（210 x 297 mm / 8.3 x 11.7 英寸）的样品，这对于进一步的实验室测试非常有用。通过将棒涂机与一个泵耦合，也可以在卷对卷（roll-to-roll）装置上实施棒涂，该泵在棒之前将流体连续输送到基材上。

快速简便

棒涂也是一个快速的过程——涂布过程本身通常只需几秒钟。与其他湿法加工方法相比，设置和清洁也很快；没有复杂的校准程序，浪费的材料也很少。湿膜和干膜的厚度也可以简单计算，这进一步增加了棒涂的易用性。

棒涂的局限性

棒涂的缺点包括：

棒涂容易受到实验程序微小差异的影响，因此难以获得可重复的涂层。

在基材上涂布极薄的涂层可能很困难。

线棒涂布也与非常高粘度的涂层或含有大而不稳定颗粒的涂层不兼容。这些情况分别会阻碍连续膜的重构和在金属丝间隙之间形成“堵塞"，从而产生含有条纹的非均匀涂层。

棒涂的应用

棒涂的简单性意味着它已广泛用于所有类型的涂层。其应用范围涵盖小规模的研究与开发到大规模的工业制造，展示了其可扩展性和广泛的实用性。

在研究与学术界

学术文献中包含许多小规模棒涂的例子。在功能材料（例如以下）的研究和开发阶段经常使用棒涂：

催化剂涂层

电池开发

有机半导体

钙钛矿太阳能电池

在这个规模上，棒涂允许快速开发新的器件结构。通过使用具有不同润湿性特性的图案化基材，您可以在薄膜宽度上产生薄膜组成和形态的目标差异。这也允许这些材料的垂直堆叠。棒涂可以为您提供多种薄膜制造选择。

可扩展性（Scalability）是研究中的一个重要课题，因为您希望确保在实验室中看到的结果可以在实际应用中复制。棒涂技术非常适合于可扩展性实验和其他连续过程，例如卷对卷（R2R）制造。从棒涂中获得的知识可直接应用于其他工业湿法加工技术，如凹版涂布（gravure coating）和狭缝挤压涂布（slot die coating）。卷对卷过程对于大规模生产至关重要，其中在较长的基材长度上保持均匀性和精度是需要的。这种适应性确保了在实验室规模开发的创新能够有效地转化为商业制造过程。

在工业中

在大规模工业应用中，棒涂用于各种涂层和薄膜的高产量生产。使用棒涂的主要行业之一是汽车领域。汽车油漆和防护涂层使用棒涂技术沉积，确保均匀的饰面，从而增强耐用性和外观。

包装行业也广泛使用棒涂，用于在柔性包装材料上施加阻隔涂层。这些涂层通过提供防潮、防氧和防化学物质屏障，提高了包装商品的保质期。棒涂还用于生产粘性标签和胶带，其中一致的涂层厚度非常重要。

在电子工业中，棒涂有助于印刷电路板（PCB）和柔性电子产品的制造。导电油墨和介电材料被施加以创建复杂的电子电路，特别是在可穿戴电子产品和柔性显示器的开发中。

纺织工业通过将功能性涂层应用于织物而受益于棒涂。示例涂层可以包括防水性、阻燃性和抗菌涂层。

棒涂实用技巧

这是一个有用的清单，可帮助用户使用棒涂技术获得最佳薄膜。在尝试第一次棒涂之前，请考虑以下事项。

确保基材和棒涂机清洁。 任何污垢或碎屑都可能毁掉最终的涂层。例如，棒上的污垢会导致整个最终涂层出现缺陷。如果基材脏了，这会在污垢被带起时影响薄膜。涂布开始和结束处多余的墨水应清理掉，以免干扰涂层的其余部分。考虑使用单独的可拆卸基材片来捕获涂层材料开始、结束和两侧的多余溶液。

确保基材牢固地固定在干净、平坦的表面或橡胶棒涂垫上。

您可能需要使用表面预处理剂或表面活性剂才能获得薄膜。

使用水平仪确保您的棒涂装置在各个方向都是水平的。

您应仔细控制单位宽度涂布区域的墨水量，确保墨水均匀沉积。可以使用注射器、移液管或微量移液器来实现。

在不同运行中保持速度和压力恒定——如果使用手动棒涂，请记住使用的速度和压力。或者，您可以使用自动涂膜机确保棒以一致的速度移动。

固化条件对最终形态有很大影响。仔细考虑用于干燥的条件。

仔细选择在涂层之间清洁棒所使用的溶剂。这会影响棒与涂布溶液之间的相互作用，从而影响最终的涂层厚度。

使用其他技术（如椭偏仪（ellipsometry）和轮廓仪（profilometry））来确认确切的涂层厚度。如果精确的薄膜厚度极其重要，不要仅仅假设膜厚是均匀的。