Analyses and modeling of the low-speed blade coating flows

Abstract

Blade coating is one of the simplest methods to apply a uniform thin liquid film on a moving substrate. It is widely used from large-scale production in the paper industry to the laboratory scale for fabricating functional films. For the high-speed operation in the commercial field where the viscous force is dominant in the flow, simple hydrodynamic models without considering the capillary force can explain the system and predict the wet film thickness. However, these models are inadequate to the low-speed blade coating system in the laboratory scale where the capillary force becomes dominant.

This thesis aims to investigate non-evaporative low-speed blade coating flows, combining experimental, computational, and theoretical approaches. Firstly, the liquid-gas interface formed behind the blade is simplified into the static cylindrical meniscus confined in a plane wedge with an assumption of negligible viscous force. Then, the menisci are classified into three categories depending on how the critical puddle size is represented when the onset of an inflection point on the meniscus and the transition to a thin film occur.

Secondly, we have examined the impact of the capillary and the gravitational force on the low-speed blade coating flows of non-evaporative Newtonian fluids. The gravity-dominant flow for the small gap-to-puddle-height ratio produces a thicker film than half of the blade gap, whereas the capillary-dominant flow makes the film much thinner as the puddle is depleted. We derive a simple viscocapillary model that can describe those phenomena. The model shows reasonable agreement with finite element computations that successfully reproduce the experimental results.

블레이드 코팅은 움직이는 기재에 균일한 두께의 박막을 도포하는 간단한 방법 중 하나이다. 블레이드 코팅은 제지 산업과 같은 대량 생산 공정에서부터 기능성 필름을 제조하는 실험실 규모의 공정까지 널리 사용된다. 유동에서 점성력이 지배적인 상업 고속 공정의 경우, 모세관 힘을 고려하지 않은 간단한 유체 역학 모델들로 시스템을 설명하고 필름의 젖음 두께를 예측할 수 있다. 그러나 이러한 모델들은 모세관 힘이 지배적인 실험실 규모의 저속 블레이드 코팅 시스템에는 적합하지 않다.

이 논문은 실험, 전산모사, 그리고 이론적 접근법을 결합하여 증발이 없는 저속 블레이드 코팅 유동을 분석하는 것을 목적으로 한다. 첫 번째로, 블레이드 뒤에 형성되는 기-액 계면은 점성력을 무시할 수 있다고 가정하여 코너에 갇힌 정적인 원통형 메니스커스로 단순화되었다. 그런 다음, 메니스커스에 변곡점이 처음 발생하고 퍼들이 박막으로 전환될 때의 임계 퍼들 크기가 이론적으로 어떻게 표현되는지에 따라 메니스커스를 세 가지 범주로 분류하였다.

두 번째로, 증발이 없는 뉴토니안 코팅액을 사용한 저속 블레이드 코팅 유동에서 모세관 힘과 중력의 영향을 분석하였다. 퍼들 높이보다 블레이드 갭이 매우 작을 때 중력이 지배적인 흐름이 발생하여 블레이드 갭의 절반보다 두꺼운 필름이 만들어지는 반면, 점성력이 우세한 흐름으로 인해 퍼들이 고갈됨에 따라 필름이 매우 얇아진다. 우리는 이러한 현상들을 설명할 수 있는 간단한 비스코-캐필러리(viscocapillary) 모델을 도출하였다. 모델은 실험 결과를 성공적으로 재현하는 유한요소법 계산과 합리적으로 일치하였다.