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漫谈涂布流动 精选

已有 8900 次阅读 2011-6-28 08:13 |个人分类:力学趣谈|系统分类:科普集锦|关键词:涂布流动,流体力学,照相,科技史| 科技史, 流体力学, 照相, 涂布流动

   漫谈涂布流动


     王   



 

当您在观看电影时,您知道正在欣赏的电影拷贝(正片)以及拍摄电影时所用的胶片(负片)是怎样制造出来,流体力学在它们的生产制造过程中起着什么样的作用吗?当您使用相机拍照得到漂亮的彩色照片时,您知道彩色胶片的底片(负片)和相纸(正片)是怎样生产出来,流体力学在其生产制造过程中有着怎样关键的作用吗?现在数码相机己十分流行,但扩印成照片时,仍需要使用相纸(正片)。本文将简要介绍从1824年以来,在感光材料发展180多年的历史过程中,流体力学曾经和正在起着的关键作用。

让我们先从感光材料产生和发展的历史谈起:

    1824年法国物理学家 Nicephore  Niepce 在一块玻璃板上涂上一层含银盐的化合物,经光照得到了图像。

    1839年 Niepce 的同事向巴黎科学院做了在烈日下较长时问曝光而得银汞齐正像的实验。

    1841年 英国科学家 Tabolt 宣布一种含 Agl (碘化银)纸基感光材可得负像,再由负像使另一感光材料感光即可得到正像,曝光时间己可缩短,但图像尚不太清楚。

1851年 出现珂罗酊(即硝棉胶)湿板照相法,可得以玻璃板为基底的照相底片。

1871年 发明溴化银明胶干板。

1876年 找到对所有光敏感的乳剂。

1887年 以硝酸纤维素酯薄膜代替玻璃的感光软片,使照相机工业得到迅速发展。

1951年 出现不易燃烧的三醋酸纤维素酯片基。

2O世纪70年代 发明绦纶片基,使片基强度得到提高。

从这段历史可以看到,感光材料的产生和发展过程,一方面是发现和逐步完善能对所有光线敏感的乳剂,另一方面是发明能够将乳剂涂布上去的片基、并逐步使片基做到既安全又有高强度。

在中国,直到20世纪60年代,去照相馆照相片,有时还能拿到以玻璃为基底的照相底片,笔者就还保留有1965年在座落天津劝业场旁著名的中国照相馆所得的玻璃照相底片。那个时候在电影拷贝的胶片盒上,常常见到显著标有“安全胶片”字样,就是指盒中胶片是三醋酸纤维素酯片基的,不易燃烧。以区别这之前的电影拷贝胶片,由于是硝酸纤维素酯片基的,容易燃烧,不安全。现在我们所使用的电影胶片拷贝己都是绦纶片基的了,既安全,强度也高,片盒上已不再需标明安全胶片。

感光材料工业的产品为彩色胶片、黑白胶片、相纸(包括冲洗和打印用的相纸)、X光胶片、磁带等信息记录材料。感光材料的生产过程,先是分头制造感光材料乳剂和片基,再将感光材料乳剂涂布到片基上,经干燥后再进行裁切、整理、包装,即可成为产品。流体力学的作用就体现在将感光材料乳剂涂布到片基上,形成感光材料的过程中,感光材料的涂布流动是指将感光材料乳剂涂布到片基上的流体运动过程。

感光材料涂布流动的工程目的,是要求能将乳剂在片基上涂得:(1)快,(2)薄,(3)匀,(4)高度,(5)(有时需要)同时多层。涂得快,才能生产效率高。涂得薄,才能使感光后的胶片或相纸较容易显影和定影、加快冲洗扩印的速度。涂得匀,才能使涂布宽度为1米多的胶片,经裁切得到的各条宽35mm的胶片性能一致,同一条胶片的前后性能也一致;只有性能一致,才能在同样的冲洗条件下得到统一的效果。乳剂高度是为涂得快时,能干得快,以降低对干燥设备和条件的要求。同时涂布多层,是为适应信息记录材料(如彩色胶片)结构的需要(下面会进一步介绍)。这5个要求实际上就是感光材料生产对涂布技术在数量和质量上的具体要求,流体力学应用得好不好,就要看能否保证这些要求的同时实现。

在感光材料工业发展的历史上,对软片基笫一个成功的涂布方式是浸涂(Dip  Coating)。 浸涂是将片基浸入所要涂的性液体中再拉出,从而使片基涂上槽中的性液体,如图1所示。在涂布槽内放有需涂布的性流体,浸涂的方式基本上有2种类型,一种为通常的简单浸涂(图1a),另一种为对辊涂布(Roll  Coating)(图1b),多加一个转动的辊子,是为了压一下,使涂得更薄些。德国阿克发(Agfa)胶片公司20世纪30年代的浸涂技术代表了这一技术的成熟。

       

       

     

     

                         

浸涂的速度快了,涂布的厚度就要加大,这个道理易从生话中的小事情联想到。以前去商店买油的时候,没有像现在商店用的计量机械,售货员是用小提勺来打油的。操作的时候不能提得太快,因为只有将提勺往上提得慢些,才能使提勺外壁带上的油(也就是浸涂在外壁上的油)再流回些到油桶内,如果提得太快则会有蚀本的可能。所以浸涂的速度不能太快,否则涂布厚度也难降低。实际上,浸涂的速度最快也只能到每分钟30米左右。



                   


   

现代彩色胶片是一种多层结构,如图3所示,其涂层的总厚度在干燥后只有几微米。这么多层的乳剂怎么才能涂布上去呢?如果用浸涂的办法,一次只能涂一层乳剂,干了后卷起来,再放开才能去涂另一层乳剂。而每一层又都很薄,在片基卷放的过程中,无论怎样小心,也很难保证没有划伤,而划伤就会形成胶片的弊病。而且这样做生产效率也太低。于是逼迫人们运用流体力学原理去寻找新的涂布方法,来解决彩色胶片的涂布技术问题。

     

20世纪50年代末,美国柯达(Kodak)胶片公司的两位工程师提出了用坡流涂布(Slide Coating)方式(图4是3层坡流涂布的示意图)来解决彩色胶片的涂布技术问题。他们的创意是让多层性液体在斜面上形成严格的层流,然后一起涂布到片基上,再一齐进行干燥,以形成需要的多层结构彩色胶片。柯达胶片公司到20世纪60年代后期,已使这一涂布技术基本成熟,并以坡流涂布技术垄断了当时世界彩色胶片生产的四分之三以上。逼得世界上一些胶片公司处境艰难,要么花大价钱购买其专利,并接受苛刻条件让其控制;要么几家公司合并,商量对策,以求生存。像前面提到的阿克发公司就走上了后一条路。

     

层流和湍流是性流体运动的两种基本形态,这两种形态的流动在物理图象上有着重大差别。层流的流体质点象是排列成队一样地向前运动,所以层流的流线层次分明。而湍流的流体质点运动则是杂乱无章。层流在一定条件下要过渡到湍流状态。有关层流向湍流过渡的理论目前还不够成熟,但是已经知道,层流向湍流的过渡是与流动中受到扰动分不开的。在感光材料的涂布过程中,液体供料泵的压力波动、涂布机的微小振动、甚至操作人员的行动等,都有可能给坡流面上的乳剂层流施加扰动。理想的坡流涂布必须保持乳剂作严格的定常层流流动。能否做到这一点,就要看乳剂受到扰动后,扰动能不能很快地衰减,使流动恢复到原来的状态后再干燥固化。这就是液体沿斜面向下流动时的层流稳定性问题。

   

               

 

随着感光化学对乳剂的成份和结构怎样更好地还原彩色研究的发展,认为彩色底片(负片)涂层的结构最好要有14层之多,从而对涂布技术提出了更高的要求:同时涂更多层,而且每层要涂得更薄,以使干燥后总厚度仍是几微米。生产效率也要进一步提高,即希望要涂得更快。促使人们再从流体力学上动脑筋。美国柯达胶片公司又提出了落帘涂布(Curtain Coating)技术:让坡流面上形成的多层乳剂层流,一齐落帘而下,再一齐涂布到片基上(图6是3层落帘涂布的示意图)。

           

当甲乙两列高速奔驰的列车速度相同时,两列车的相对速度为零,一个人从甲列车的车门能很容易地迈步走进正对着的乙列车车门。在太空中,宇宙飞船与空间站的对接,宇航员在飞船与空间站间的出入,也是同一原理。多层乳剂层流的落帘,作为自由落体而下,在重力的作用下,进一步拉薄了,也加快了速度,只要片基的速度相应快,使相遇时相对速度是零,也就很容易涂上去了。可以相信流体力学一定能为感光材料工业提供更好的涂布技术,为人们提供更多更好的消费品。

参考文献

1、 王振东,化工中的流体力学,见教育部工程力学专业教学指导委员会编《力学与工程技术的进步》,140一146页,北京:高等教育出版社,2001

2、 刘旦初,化学与人类(第二版),上海:复旦大学出版社,2000

      (刊登于《力学与实践》2003年25卷4期



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