浸漬涂覆過程中液膜流動特性的實驗研究和數(shù)值模擬.pdf

1、浸漬涂覆過程是將干凈的基材浸入到準備好的流體中，然后以一定的速度提拉出來，流體在黏性力、重力、表面張力等的作用下沉積于基材表面，經(jīng)干燥、固化后形成均勻涂覆膜的過程，該涂覆膜在工業(yè)、醫(yī)藥、電子數(shù)碼等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。隨著先進膜材料的發(fā)展，涂覆膜也從傳統(tǒng)的保護、裝飾膜逐漸向功能化膜材料發(fā)展。本文以浸漬涂覆工藝為研究背景，對不同性質(zhì)的硅油流體和聚丙烯酸（PAA）凝膠的平板浸漬涂覆液膜流動特性進行實驗研究和數(shù)值模擬，這對實現(xiàn)優(yōu)化浸漬涂覆參數(shù)化控

2、制，提高涂覆成膜質(zhì)量具有重要的理論和實際意義。
　　采用旋轉(zhuǎn)流變儀和表面張力儀對流體進行必要的流變和表面張力測試，并選擇合適的模型擬合流變曲線，得到擬合參數(shù)，為后期的實驗和數(shù)值模擬奠定基礎(chǔ)。流體的流變曲線說明：硅油流體A屬于牛頓流體，硅油流體B、C和D的流變行為符合Carreau-Yasuda(CY)模型，而不同質(zhì)量分數(shù)的PAA凝膠是屈服應(yīng)力流體，其流變曲線符合Herschel-Bulkley(HB)模型。流體的表面張力分析表明：

3、與PAA凝膠相比，硅油流體的表面張力較小，容易潤濕基板和成膜。
　　在浸漬涂覆過程中，采用浸漬提拉鍍膜機對不同工藝條件下硅油流體和PAA凝膠進行浸漬提拉實驗研究，采用電容法測量沉積在基板上的液膜厚度，通過拍照記錄流體自由表面形態(tài)的變化，目的是詳細研究基板表面粗糙度、提拉速度、浸漬時間和流體黏度對液膜厚度和形成的自由面形態(tài)的影響，結(jié)果表明：當浸漬時間大于3 min時，對膜厚和自由面的影響可以忽略；在特定的條件下，由于涂覆在基板上的流

4、體無法得到補償，硅油流體自由面上出現(xiàn)凹陷，PAA凝膠自由面上形成隆起，且隨著基板粗糙度、提拉速度和流體黏度的增大，液膜厚度增加，凹陷深度和隆起曲率逐漸增大。
　　首先利用前處理軟件Gambit建立流體沿基板拖曳流動的物理模型并劃分網(wǎng)格，然后利用有限元分析軟件Polyflow設(shè)置合適的物性參數(shù)、邊界條件和計算方法，精確模擬不同涂覆參數(shù)下兩種流體的自由面和流場，最后采用后處理軟件Fieldview顯示計算得到的液膜厚度、自由面和流場。

5、本文中將兩種流體液膜厚度和自由面的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，兩者在一定誤差范圍內(nèi)一致，說明這種數(shù)值模擬方法可以用于優(yōu)化設(shè)計研究。自由面和流動速度場的模擬結(jié)果表明：在基板向上運動過程中，基板上一部分流體沿基板拖曳流動，形成液膜，另一部分流體返回液槽中，并在自由面上形成駐點，在流體內(nèi)部形成漩渦。
　　在浸漬提拉過程中，表面張力、重力、黏性力等發(fā)揮著重要作用，為了更加詳細地研究液膜流動特性，對旋轉(zhuǎn)流變儀進行優(yōu)化改進設(shè)計，測量整個浸漬提