水性聚氨酯涂层在经编鞋面印刷中的流体动力学与成膜机理研究

《ACS Omega》：Hydrodynamics and Film Formation Mechanism Studies on Aqueous Polyurethane Coatings in Printing

本综述通过结合计算流体动力学（CFD）建模与实验验证，系统探讨了水性聚氨酯（APU）涂层在经编鞋面印刷过程中的流体动力学行为与成膜机制。研究揭示了刮刀尖端附近动压（hydrodynamic pressure）对涂层转移的关键作用，证实转移量符合达西定律（Darcy’s law），为绿色高效印刷工艺提供了理论依据与实践指导。

　　

引言

水性聚氨酯（APU）因其优异的成膜性能和环境友好性，被广泛应用于涂层工艺中。尽管APU的合成与改性技术已相对成熟，但其在工程实践中的应用研究仍显不足，尤其在经编鞋面印刷领域。丝网印刷技术作为APU涂层应用的关键技术，其工艺参数如印刷力、角度和速度对涂层转移过程具有重要影响。然而，传统研究多依赖实验经验，缺乏对流体动力学机制的深入理解。因此，本文通过计算流体动力学（CFD）建模与实验相结合的方法，系统研究APU涂层在印刷过程中的流体行为与成膜机理。

方法

材料与仪器

APU涂层由水性聚氨酯分散体（Impranil DL 1380）、硬化剂（Bayhydur 305）、增稠剂（CAB-O-SIL M-5）、消光剂（BYK-346）和消泡剂（Foamex 810）按80:3:1:0.5:0.5:15的比例混合，经分散和研磨制得。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析PU薄膜的化学结构，动态光散射（DLS）和激光多普勒电泳（LDE）分别用于测定涂层粒径和ζ-电位。流变学特性通过旋转流变仪（Kinexus）在平行板系统（直径20 mm，间隙1 mm）中测量，以避免水分蒸发。

流场建模

经编鞋面印刷采用非接触式丝网印刷工艺，其过程包括PU薄膜的制造和彩色油墨薄膜的叠加印刷。为分析印刷流场的动态分布，建立了基于流体-结构耦合技术、流体体积（VOF）法、多孔介质模拟方法和动态非结构化网格技术的多相流模型。控制方程包括连续性方程（?·v=0）、动量方程（?(ρv)/?t+?·(ρvv)=??p+?·[η(?v+?v^T)]+ρg+F_s）和体积分数方程（?α/?t+?·(αv)??·[α(1?α)v_r]=0）。其中，v为速度，ρ为密度，p为压力，η为粘度，g为重力加速度，F_s为表面张力，α为体积分数，v_r为压缩速度。多孔介质的流动通过Brinkman方程（?(ρv)/?t+?·[η(?v+?v^T)]?(η/C_αv+?p?S)=0）描述，其中C_α为渗透率，S为源项。此外，针对涂层在丝网与织物之间的分裂过程，建立了基于单孔单元的流变分裂模型，采用SIMPLEC算法和二阶迎风格式进行求解。

印刷设备设计

为实现印刷力、角度和速度的解耦控制，开发了新型印刷实验装置。该装置通过伺服电机分别控制刮刀在Z方向的运动、X方向的行程以及丝网定位，力传感器实时监测刮刀受力。采用均匀分布6个方形图案（100 mm×100 mm）的丝网进行实验，通过称重法计算单位面积的涂层转移量（m_t=(m₂?m₁)/6）。

结果与讨论

材料表征

APU涂层呈乳白色，干燥后形成透明光泽薄膜。FTIR光谱显示3346 cm^?1处为氨基甲酸酯N-H键伸缩振动，2971 cm^?1为C-H键伸缩振动，1733 cm^?1为游离和氢键结合的羰基振动。粒径分布呈双峰（220.2 nm和5560 nm），平均粒径为205.9 nm，ζ-电位为?18.5 mV，表明涂层具有良好胶体稳定性。流变学测试显示，APU涂层表现为假塑性流体，其粘度（η）随角频率（ω）增加而降低，符合Carreau-Yasuda模型。在应变振幅γ<1%的线性粘弹性（LVE）区域内，储能模量（G′）大于损耗模量（G″），表现为弱凝胶结构；当γ>1%时，G′显著下降，表明凝胶网络被破坏。损耗因子（tan δ）大于0.1，进一步证实了弱凝胶行为。

模拟分析

相位图显示，刮刀运动初期（0–0.04 s），涂层形成张力表面，但转移量有限；当刮刀尖端接近丝网多孔区域时（0.05 s），流场动压急剧升高，促使涂层注入网孔。流场压力与速度分析表明，在刮刀到达监测点前，压力逐渐升高，离开时降至负压，随后恢复为零；速度则先增后减。多孔区域的压力较非孔区域降低约58.85%（80目丝网，印刷角80°，速度500 mm/s）。流线图显示，刮刀前端形成典型滚动运动，产生动压泵效应，压力在刮刀与丝网接触处达到峰值。参数敏感性分析表明，压力对印刷角的敏感性最高，其次为印刷力和速度。流变分裂模拟显示，网目数（C_m）对涂层分裂影响显著：网目数越小（如80目），丝线直径越大，形成的液桥越大，断裂时间越长（10.6 ms）；而反弹速度（v_off）和浆料厚度（h_mw）影响较小。

印刷分析

实验结果表明，涂层转移量（m_d）与印刷力正相关，与印刷角负相关，这与模拟中压力（P_t）的变化趋势一致，符合达西定律（渗流速率与压差成正比）。印刷速度的影响则呈现先增后减的趋势：低速时，转移量随速度增加而增加；但当速度超过协调条件时，浆料通过丝网的时间不足，导致转移量下降。协调条件可通过泊肃叶流推导：等效直径（d_e）等于网孔开口（o），平均速度v?=Δp·d_e²/(32ηt_s)，要求印刷速度V_s满足V_s/(1/C_m?D_f)³≤Δp/(32ηt_s²)。

结论

本研究成功制备了APU复合涂层，其具有适宜的流变特性与胶体稳定性，适用于经编鞋面印刷。通过CFD建模与实验验证，揭示了刮刀尖端动压是涂层转移的关键驱动因素，转移行为符合达西定律。印刷参数中，印刷角对压力最敏感，而网目数显著影响流变分裂过程。所开发的解耦控制印刷设备为工艺优化提供了可靠平台。本研究为APU涂层的绿色高效应用提供了理论支撑与实践指导。