棒涂的介紹：方法、理論與應用

棒涂是一種簡單的濕法加工技術，用于在基材上沉積一薄層溶液。將一根棒或梅爾棒（Mayer Rod）放置在基材上，并拖過溶液池，導致溶液鋪展成薄膜或涂層。棒涂通常用于開發汽車涂料、光伏電池和鋰離子電池等應用。棒涂可以手動進行，也可以自動化以提高精度和效率。在自動化棒涂系統（例如 Ossila棒涂機 中，使用自動涂膜機以均勻速度將棒（如繞線梅爾棒）在基材上移動。根據所用棒的類型，這種涂布方法也被稱為刮涂（drawdown coating）、棒涂（rod coating）、線棒涂布（wire bar coating）和梅爾棒涂布（Mayer bar coating）。

棒涂機的設計與結構

在棒涂中，溶液使用一種稱為梅爾棒（Mayer Rod）的圓柱形棒鋪展在基材上，該棒上有螺旋纏繞的鋼絲。棒（或包裹的鋼絲）與基材之間的間隙控制允許通過的溶液量。這決定了膜的厚度。

您可以手動進行此過程，用手移動棒。然而，手動棒涂的重現性和重復性較低，因為壓力和涂布速度等參數無法精確控制。不過，當嘗試不同的涂布方法時，手動棒涂是一個很好的起點。

為了生產更一致的涂層，您可以使用自動棒涂機（automatic bar coater）。您可以將不同的梅爾棒連接到這些機器上，為各種應用提供靈活性。這種設置通過確保一致的壓力和涂布間隙，并幫助流體自流平，提高了重現性。這些自動棒涂機還帶有一個固定基材的平臺。通常使用玻璃平臺，因為它們具有非反應性、易于清潔且在大面積上光滑。然而，真空板也是涂布柔性薄膜或箔材的熱門選擇，它們確保基材固定到位。或者，當使用線棒涂布柔性基材時，可以在基材下方放置一塊堅固的橡膠墊以保持基材固定。

在某些情況下，一個重力供液儲液槽（gravity-fed reservoir）會連接到棒上。這些儲液槽有助于實現涂層的均勻性。它們還能減少涂布過程開始和結束時的浪費。儲液槽控制著墨水的沉積，因此可以提高涂層的重現性。這對于較長的自動涂布機特別有用，因為無法一次性沉積所需量的墨水。然而，對于小規模的手動棒涂應用，通常不需要儲液槽。

可以通過改變以下參數來優化該過程并提高其可重復性：

棒的高度和壓力

涂布速度

溶液濃度

溶液粘度

干燥與涂后處理

與大多數溶液加工技術一樣，您可能需要一個后退火階段來實現均勻的干膜。您可以使用幾種干燥方法。熱退火（Thermal annealing）涉及在基材涂布后不久對其進行加熱。此后退火的溫度將顯著影響薄膜的干燥機制，從而影響其均勻性。您需要進行優化以找到合適的溫度。此外，您還可以使用氣刀（air knife）提供加壓空氣或氮氣流來干燥或啟動薄膜中的干燥。這將使您能夠進一步控制薄膜結晶。結合氣刀后處理和優化的溫度退火，棒涂已被用于制造面積超過100 cm2的鈣鈦礦太陽能電池。選擇具有合適沸點的溶劑體系以實現所需的干燥機制也很重要。

涂層厚度

在線棒涂布中，濕膜厚度由鋼絲之間的間隙大小決定。直徑較大的鋼絲會產生較大的間隙。它們允許更多的涂布材料通過每根鋼絲之間，從而產生更厚的濕膜。如下圖所示，鋼絲直徑與濕膜厚度之間通常存在線性關系。

實際上，濕膜厚度與鋼絲直徑之間的關系可能更復雜。它可能受到諸如基材吸收性、線棒與涂布溶液之間的相互作用以及涂布溶液的粘度和濃度等因素的影響——但這些主要影響最終膜厚的均勻性。然而，大多數制造商會引用給定涂布棒與濕膜厚度之間的經驗關系。

自流平（Self Leveling）

沉積后，線棒涂布會留下條紋，薄膜看起來不均勻。然而，毛細管力隨后立即將涂布溶液吸引在一起，迅速形成連續的濕膜。自流平過程取決于您溶液的干燥機制以及其在基材上的粘度和表面張力。您基本上需要確保您的溶液在開始干燥之前能夠自流平。一些生產薄膜有機薄膜晶體管（OTFT）的研究發現，通過使用非常稀釋的溶液可以形成均勻的薄膜。

涂布速度

涂布速度也會影響最終的棒涂厚度。通常，涂布棒相對于基材移動得越快，涂層越薄。這主要有兩個原因。首先，增加的速度減少了涂布過程中涂層與基材的接觸時間。您可以想象棒涂過程的核心是將溶液從棒轉移到基材。因此，如果溶液與基材的接觸時間較短，這種轉移就會受阻，從而影響薄膜。此外，許多涂布溶液（包括油漆和聚合物涂布溶液）容易發生剪切稀化（shear thinning）。更高的涂布速度對涂布溶液施加更多的剪切力。這降低了涂布溶液的粘度，因此它更易鋪展，形成更薄的層。然而，這也取決于涂布溶液。對于某些溶液，如果整個系統的毛細管數（capillary number）足夠低，薄膜厚度可能會隨著涂布速度的增加而增加。

毛細管數（Ca）代表毛細管力相對于粘性阻力的相對影響。其定義如下：

Ca = (μ * v) / γ

其中：

μ 是粘度，

v （在此情況下）是涂布速度，

γ 是表面張力。

如果 Ca << 1，則涂布速度對膜厚的這種影響關系成立。如果您增加涂布速度，就增加了粘性阻力，毛細管力的相對影響減小，導致膜厚增加。

干膜厚度與濕膜厚度

理論干膜厚度可以直接與濕膜厚度相關聯，前提是您知道涂布溶液的固含量（solid content）。這基于質量守恒原理，假設過程中沒有涂布溶液損失，并且溶劑蒸發后僅留下溶質層。

棒涂中使用的棒類型

棒涂中使用的棒類型顯著影響最終的涂層效果，并且某些棒可能與并非所有涂布溶液兼容。

光滑棒、開繞線棒或閉繞線棒

線棒（也稱為梅爾棒或梅爾棒（Mayer bar or Mayer rod））有兩種類型：開繞（open wound）（較少見）和閉繞（close wound）（較常見）。這些棒的特點是一個桿體上纏繞著額外的金屬絲。正是這些金屬絲在涂布過程中與基材接觸，因此金屬絲的節距（pitch）和直徑會影響涂層的厚度。

在閉繞線棒中，金屬絲盡可能緊密地纏繞，覆蓋桿體。這種配置通常產生較薄的濕膜，適用于易于自流平的低粘度流體。另一方面，開繞線棒的金屬絲間距較遠，暴露出部分桿體。纏繞的節距成為一個關鍵變量，改變了濕膜的厚度。開繞棒通常更適合粘度較高的流體，因為一旦棒被拖過后，流體需要自流平的程度較低。

單個線棒適用于特定的濕膜厚度范圍。制造商會標明每個梅爾棒的濕膜厚度，如下表所示：

您也可以使用光滑棒進行棒涂。光滑棒是類型，它是一根普通的棒，懸停在基材上方一個已知距離處，并拖過墨水以留下濕膜。在涂布區域的寬度上，棒不與基材接觸。

成型棒與繞線棒

除了繞線梅爾棒（其中心為金屬桿，纏繞有特定直徑的金屬絲）外，您還可以使用成型梅爾棒（formed Mayer bars）。成型梅爾棒通過蝕刻或模壓的方式在桿體上形成凹槽，這些凹槽模仿了繞線棒中金屬絲形成的間隙。繞線棒通常更容易制造，因此通常比成型棒更便宜。然而，成型棒往往更耐用，因為沒有易斷裂的金屬絲。

棒材料

不銹鋼是制造桿體和金屬絲材料，因為它具有耐化學腐蝕性和高強度，使其不易損壞。不銹鋼易于獲得不同直徑，并且可以輕松組裝成線棒。對于特別具有反應性或腐蝕性的墨水，可以使用不同類型的鋼材來增強耐腐蝕性。雖然不銹鋼是標準材料，但棒可以由任何可以加工成正確幾何形狀的惰性材料制成。

棒涂的優勢

低成本、高簡單性

棒涂的一個優勢是與其他涂層沉積方法相比成本較低。這是因為棒涂不需要昂貴的泵或精密加工的部件。事實上，裝置甚至不需要電機——操作員只需拖動棒即可。這種親力親為的方法通常被稱為“手動"棒涂。然而，自動化設備可以提供對過程更精確的控制和更高的可重復性。

可變的涂層厚度

棒涂可以實現從10μm到毫米級的廣泛濕膜厚度范圍。改變涂層厚度既快速又簡單。每根棒提供不同的濕膜厚度。棒涂可用于沉積非常厚的涂層，厚度可達幾毫米。

靈活且通用

此外，棒涂兼容多種溶液和基材，能夠在硬質和柔性基材上進行涂布。

大面積涂布

通過棒涂，您可以在從幾毫米到米級寬度的樣品區域上制備均勻的薄膜。通常，棒涂用于制備A4尺寸范圍（210 x 297 mm / 8.3 x 11.7 英寸）的樣品，這對于進一步的實驗室測試非常有用。通過將棒涂機與一個泵耦合，也可以在卷對卷（roll-to-roll）裝置上實施棒涂，該泵在棒之前將流體連續輸送到基材上。

快速簡便

棒涂也是一個快速的過程——涂布過程本身通常只需幾秒鐘。與其他濕法加工方法相比，設置和清潔也很快；沒有復雜的校準程序，浪費的材料也很少。濕膜和干膜的厚度也可以簡單計算，這進一步增加了棒涂的易用性。

棒涂的局限性

棒涂的缺點包括：

棒涂容易受到實驗程序微小差異的影響，因此難以獲得可重復的涂層。

在基材上涂布極薄的涂層可能很困難。

線棒涂布也與非常高粘度的涂層或含有大而不穩定顆粒的涂層不兼容。這些情況分別會阻礙連續膜的重構和在金屬絲間隙之間形成“堵塞"，從而產生含有條紋的非均勻涂層。

棒涂的應用

棒涂的簡單性意味著它已廣泛用于所有類型的涂層。其應用范圍涵蓋小規模的研究與開發到大規模的工業制造，展示了其可擴展性和廣泛的實用性。

在研究與學術界

學術文獻中包含許多小規模棒涂的例子。在功能材料（例如以下）的研究和開發階段經常使用棒涂：

催化劑涂層

電池開發

有機半導體

鈣鈦礦太陽能電池

在這個規模上，棒涂允許快速開發新的器件結構。通過使用具有不同潤濕性特性的圖案化基材，您可以在薄膜寬度上產生薄膜組成和形態的目標差異。這也允許這些材料的垂直堆疊。棒涂可以為您提供多種薄膜制造選擇。

可擴展性（Scalability）是研究中的一個重要課題，因為您希望確保在實驗室中看到的結果可以在實際應用中復制。棒涂技術非常適合于可擴展性實驗和其他連續過程，例如卷對卷（R2R）制造。從棒涂中獲得的知識可直接應用于其他工業濕法加工技術，如凹版涂布（gravure coating）和狹縫擠壓涂布（slot die coating）。卷對卷過程對于大規模生產至關重要，其中在較長的基材長度上保持均勻性和精度是需要的。這種適應性確保了在實驗室規模開發的創新能夠有效地轉化為商業制造過程。

在工業中

在大規模工業應用中，棒涂用于各種涂層和薄膜的高產量生產。使用棒涂的主要行業之一是汽車領域。汽車油漆和防護涂層使用棒涂技術沉積，確保均勻的飾面，從而增強耐用性和外觀。

包裝行業也廣泛使用棒涂，用于在柔性包裝材料上施加阻隔涂層。這些涂層通過提供防潮、防氧和防化學物質屏障，提高了包裝商品的保質期。棒涂還用于生產粘性標簽和膠帶，其中一致的涂層厚度非常重要。

在電子工業中，棒涂有助于印刷電路板（PCB）和柔性電子產品的制造。導電油墨和介電材料被施加以創建復雜的電子電路，特別是在可穿戴電子產品和柔性顯示器的開發中。

紡織工業通過將功能性涂層應用于織物而受益于棒涂。示例涂層可以包括防水性、阻燃性和抗菌涂層。

棒涂實用技巧

這是一個有用的清單，可幫助用戶使用棒涂技術獲得最佳薄膜。在嘗試第一次棒涂之前，請考慮以下事項。

確保基材和棒涂機清潔。 任何污垢或碎屑都可能毀掉最終的涂層。例如，棒上的污垢會導致整個最終涂層出現缺陷。如果基材臟了，這會在污垢被帶起時影響薄膜。涂布開始和結束處多余的墨水應清理掉，以免干擾涂層的其余部分。考慮使用單獨的可拆卸基材片來捕獲涂層材料開始、結束和兩側的多余溶液。

確保基材牢固地固定在干凈、平坦的表面或橡膠棒涂墊上。

您可能需要使用表面預處理劑或表面活性劑才能獲得薄膜。

使用水平儀確保您的棒涂裝置在各個方向都是水平的。

您應仔細控制單位寬度涂布區域的墨水量，確保墨水均勻沉積。可以使用注射器、移液管或微量移液器來實現。

在不同運行中保持速度和壓力恒定——如果使用手動棒涂，請記住使用的速度和壓力。或者，您可以使用自動涂膜機確保棒以一致的速度移動。

固化條件對最終形態有很大影響。仔細考慮用于干燥的條件。

仔細選擇在涂層之間清潔棒所使用的溶劑。這會影響棒與涂布溶液之間的相互作用，從而影響最終的涂層厚度。

使用其他技術（如橢偏儀（ellipsometry）和輪廓儀（profilometry））來確認確切的涂層厚度。如果精確的薄膜厚度極其重要，不要僅僅假設膜厚是均勻的。