超声波喷涂技术的原理及其优势

东方金荣超声

02-2119:03

超声波喷涂原理:

超声波喷涂或超声喷涂是一种利用超声波雾化技术进行的喷涂工艺。其喷涂的材料首先为液体状态,液体可以是溶液、溶胶、悬浮液等;液体涂料首先通过超声波雾化装置雾化成微细颗粒,然后再经一定量的载流气体均匀涂覆在基材对表面形成涂层或薄膜。超声喷涂与传统的单流体或二流体喷涂最大的区别在于雾化装置或雾化喷头采用了超声波雾化装置,即超声波喷头。

超声波雾化喷头

超声波喷头,又名超声波雾化喷头,是一种基于变幅杆换能器原理的超声波雾化装置。其通过增幅放大后的高频超声波振荡将液体雾化,并通过一定量的载气将液雾送至被喷涂物体或特定空间中。在不超出限度的情况下,液体雾化量仅由液体的输送量和喷雾头的工作频率决定。各种各样的涂料、化学试剂、润滑油、颗粒悬浮液等均可被雾化。但是,液体的粘稠度、可混合性、固体含量等均需要被考虑。对于最佳雾化效果,液体粘稠度应在30cps以下,固体含量应低于30%。因为雾化过程受液体膜所产生的运动效果影响,高粘稠度势必造成低雾化量,给应用带来困难。由于高聚合物分子具有高度的内聚力,雾化含有高聚合物分子的液体,即使是在冲淡情况下也是存在问题的。大多时候,固体颗粒混合液是可以被雾化的。因为固体颗粒会分散于雾化颗粒当中。甚至是粗杂的泥浆,在低速传给喷头的情况下也是可以被雾化的。

超声波雾化喷头实际喷涂效果

超声波喷涂的优势

与传统的二流体喷涂相比,超声喷涂具有涂层均匀度高、原料利用率高、涂层厚度控制精度高、涂层厚度更薄、飞溅少、喷头不堵塞、维护成本低等优点。而相比于真空蒸镀、CVD等镀膜工艺,超声喷涂是一种更加经济的薄膜涂覆工艺,尤其是在较大面积薄膜制备上,超声喷涂的设备成本更是大幅低于真空镀膜设备。下面我们来简要介绍一下超声喷涂的这几项主要优点。

1. 涂层均匀度高

通过超声喷头雾化后的液体颗粒分布均匀度显著高于二流体喷头,也就是俗称的空气喷枪,从而超声喷头喷涂后的涂层均匀度也就有了明显提高。通常情况,超声喷涂的涂层均匀度可达到95%以上。

2. 原料利用率高,飞溅少

由于超声喷涂是通过超声波振荡进行的液体雾化,涂料被雾化的过程不需要任何气体,也就是雾化过程无需压力,仅仅在雾化后施加很低的载流气压力来输送液雾,故此极大程度地减少了二流体喷涂高压空气造成的液体反弹和飞溅,从而大幅提高了涂料的利用率。超声喷涂的原料利用率是普通空气喷涂的4倍以上,利用率最高可到90%以上。

3. 涂层厚度控制精度高

影响涂层厚度精度的主要因素是涂料的喷涂流量,也就是单位时间内基材上的载料量。超声喷头对液体无任何压力作用,故此可完全通过高精度的计量泵控制雾化喷涂的涂料液体流量,从而实现了高精度的喷涂流量控制。如高精度的注射泵,其流量控制精度可达皮升每秒的级别,而对超声喷头的微流道设计也可整体实现纳升每秒的控制精度。

4. 涂层厚度薄,可达到几十纳米

由于超声喷头的喷雾量可以实现极低的稳定流量(0.001ml/min),故此可在基材上实现极少的上载量,从而实现很薄的干膜。对于某些纳米材料,其干膜厚度可低至数十纳米。可用于制备如透明导电膜、增透减反射膜、隔热膜、亲疏水膜等玻璃薄膜。

图片来源:X. Zhao, J. Cheng, Atmospheric preparation of ZnO thin films by mist chemical vapor deposition for spray-coated organic solar cells. J Mater Sci: Mater Electron(2016) 27:2676–2681

5. 喷头不堵塞、维护成本低

由于超声喷头是通过超声振荡来实现的液体雾化,而雾化颗粒的由超声振荡频率来决定,故此其与二流体喷头不同,喷头的孔径无需很小来实现细小的雾化颗粒,所以减少了喷头堵塞的风险。

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