義 守 大 學
生物技術與化學工程研究所
碩 士 論 文
雙 溶 劑 系 統 揮 發 與 塗 佈 缺 陷 之
探 討
Study on Volatilization of Solvent and
Coating Defect of Acetone and
Isopropanol
研
究
生 ： 林 志 彬
指 導 教 授 ： 洪 添 燦 博 士
II
雙 溶 劑 系 統 揮 發 速 率 與 塗 佈 缺 陷
之 探 討
研
究 生
： 林 志 彬
Student：Chih-Ping Lin
指 導 教 授 ： 洪 添 燦
Advisor：Tien-Tsan Hung
義 守 大 學
生物技術與化學工程研究所
碩士論文
A ThesisSubmitted to Graduate Institute of Biotechnology and Chemical Engineering
I-Shou University
in Partial Fulfillment of the Requirements for the Master degree
in
Biotechnology and Chemical Engineering July , 2017
Kaohsiung, Taiwan, Republic of China
I
摘
要
本論文主要是將溶劑在膠液配方中做修改，讓成品在缺點率部分能有效 降低或維持，來達到成品的理想品質。而其膠液是所謂的壓克力樹酯，樹酯 中含有許多化合物，包括溶劑，而溶劑中的丙酮及異丙醇是此次研究的對象， 利用原膠液標準配方(LC101T-3)修改溶劑中的比例成為欲研究的調整配方 (LC101-8)膠液，兩種膠液在相同的條件下，包括塗佈設備、基材、張力設定、 成品的厚度、烘箱設備、溫度、進排氣量，利用烘箱設備將丙酮及異丙醇， 於烘箱各室中分析出兩溶劑揮發的速率，其中各室烘箱溫度的高低，亦會影 響溶劑揮發速率進而影響缺點發生的機率。 研究結果發現，標準配方(LC101T-3)及調整配方(LC101T-8)在各室烘箱 的乾燥過程中，調整配方(LC101T-8)的溶劑乾燥曲線及缺點數量皆明顯優於 標準配方(LC101T-3)，不過，調整配方(LC101T-8)的塗佈溶劑爆炸極限卻劣 於標準配方(LC101T-3)，其原因可能是因為溶劑在配方的比例調整還沒完全 達到理想化，所以才會使調整配方(LC101T-8)的塗佈溶劑爆炸極限不盡理想。II
Abstracts
In this study, we will modify the glue formula to achieve the desired quality of products. And the glue is made from Acrylic resin that contains many compounds, including acetone and Isopropyl alcohol.
The main research object is acetone and Isopropyl alcohol, we will use the original formula (LC101T-3) to modify new formula (LC101T-8).
In the same conditions, we will analyze data of the two solvents to discover the rate of volatilization and coating defects interaction. And the temperature of each oven, will affect the rate of solvent evaporation and cause coating defects.
This research result, in the drying process of each oven, the data include solvent drying curve and number of defects,The LC101T-8 all better than LC101T-3.
However, The data of LC101T-8 explosive Limit is worse than LC101T-3, It may be the formulation adjustment has not achieved idealized.
III
誌 謝
在論文完成之際，首先要感謝指導教授洪添燦博士，在研究過程中不斷鼓 勵與督促，也提供我寶貴的建議與方向，始能順利完成論文，讓我在學習過程中受 益良多，在此致上最高謝意。也感謝口試委員鍾卓良博士、林定松博士在百忙之中 抽空來參加學生的論文口試，在口試及論文上給予建議與指導，使論文內容能更加 完整。 在研究過程中，感謝公司長官給予許多資源與空間，讓我在學習上無後顧之憂， 在工作及學習間能達到平衡點，使論文能順利完成，感謝公司同仁，讓我在研究過 程中遭遇困難時，給予我極大的鼓勵與關懷。 最後感謝我最親愛的家人，我老婆王涵，在我研究過程中，一直鼓勵我、幫助 我，引導我思考方向，照顧我的身體健康，讓我有充沛的精力在研究上及工作上， 得以讓我順利完成學業，感謝你們在人生旅途中給予我關懷與感動。
IV
目 錄
中文摘要……….Ⅰ 英文摘要……….Ⅱ 誌謝………...Ⅲ 目錄 ……….Ⅳ 圖目錄………Ⅵ 表目錄………Ⅶ 第一章 緒論 ………...1 1.1 前言………1 1.2 塗佈缺點………2 1.3 研究目的及動機………...4 第二章 文獻回顧……….………..………5 2.1.精密塗佈設備………..5 2.1.1 濕式塗佈技術………...6 2.1.2 烘箱設備………...8 2.2 溶劑系統………..8 2.2.1 揮發性有機化合物……….12 2.2.2 塗佈溶劑爆炸極限………12 2.3 乾燥技術………13 2.3.1 乾燥速率……….13 2.3.2 乾燥缺點概述……….14 2.4 負型水溶性乾膜光阻………16 第三章 實驗儀器與設備………..………..17 3.1 塗佈設備………..17 3.2 烘箱設備……….18 3.3.膠液………..19 3.4 供膠系統……….19 3.5 過濾及管路系統………..21 3.6 塗佈基材與覆蓋基材………..22V 3.7 採樣設備………..23 3.8 光學膜厚測定儀………..23 3.9 缺點檢測器………..24 第四章 研究方法………....26 4.1 膠液溶劑修改………..26 4.2 調整進排氣量………..26 4.3 塗佈條件設定………..27 4.4 塗佈作業………..27 第五章 結果與討論………29 5.1 塗佈結果………..29 第六章 結論………33 參考文獻………34
VI
圖 目 錄
圖 2.1 塗佈示意圖………...5 圖2-2 乾燥速率模型圖 ……….14 圖2-3 乾膜光阻示意圖………...16 圖3-1.狹縫式塗佈機 ………..17 圖3-2 狹縫式塗佈頭側面圖 ………..17 圖3-3 狹縫式噴嘴上下噴氣式………...18 圖3-4 狹縫式噴嘴上下噴氣式剖面圖………...18 圖3-5 螺旋幫浦………....19 圖3-6 螺旋幫浦內部構造圖………....19 圖3-7 齒輪幫浦………....20 圖3-8 齒輪幫浦內部構造圖………....20 圖3-9 過濾系統………....21 圖3-10 鐵氟龍管………..21 圖3-11 聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膠捲………....22 圖3-12 聚乙烯(PE)膠捲………..22 圖3-13 安捷倫 GC-7890A………...23 圖3-14 採樣幫浦(SKC224-44XR)………..23 圖3-15 膜厚測定儀……….23 圖3-16 缺點檢測器……….24 圖3-17 缺點分佈圖………..………...25 圖3-18 缺點粒徑大小判定圖………...25 圖4-1 調校烘箱排氣流程圖………...27 圖4-2 調校烘箱進氣流程圖………...27 圖4-3 塗佈流程圖………...28 圖5-1 溶劑揮發百分比………...30 圖5-2 缺點分布圖………...31 圖5-3 缺點分布圖………...31 圖5-4 烘箱 VOC 濃度百分比……….32VII
表 目 錄
表1.1 各式缺點分析與解決法………..2 表2-1 常見塗佈技術及特性………...6 表2-2 各類塗料及其使用之溶劑………..8 表2-3 常用溶劑爆炸限度表………..13 表2-4 塗佈缺點介紹………..15 表4-1 配方修改實驗 ………26 表4-2 塗佈實驗條件表………..27 表5-1VOC 濃度數據表………..29 表5-2 VOC 濃度數據表………29 表5-3 成品缺點率比較表………..321
第一章 緒論
1.1 前言 塗佈一般來說就是利用機器設備將塗液塗佈在所需的基材上，來達到所 需要的效果，塗佈又可分為乾式塗佈及濕式塗佈，絕大部分工業產業皆使用 濕式塗佈，原因是濕式塗佈較乾式塗佈應用廣泛大，能使用多種塗佈方式也 可以大量生產。濕式塗佈功能相當廣泛，例如從一般生活上隨手可得的透明 膠帶，汽車材料上所使用的隔熱紙、車用耐熱膠帶，生醫材料上所使用的人 造皮膚、透氣膠帶、血糖試紙，電子材料所需的光阻膜、偏光、反射膜【1】， 至現今最熱門的環保材料太陽能背板，這些都是利用濕式塗佈技術生產出來 的產品。 塗佈過程中大部分都須經過乾燥，乾燥後所產出的成品可能會發生各式 各樣的塗佈缺點，這些缺點直接影響到產品良率，產品良率也會直接影響到 產業所投資的成本，所以缺點發生時必須了解及分析缺點來源，才能有效的 降低缺點發生率。在任何工業上，安全性是極為重要亦是被最重視的一環， 化工產業曾發生過許許多多的爆炸工安意外，而這些爆炸意外帶來了無數死 傷，因此在生產過程中必須將安全列為第一考量。在此實驗的塗佈過程中， 其溶劑的爆炸極限為本實驗過程中的安全指標，過程中必須控制溶劑的爆炸 極限的範圍內，才能確保實驗過程的安全性。2 1.2 塗佈缺點 塗佈經過乾燥到捲收成品這過程中，所產生的缺點是錯綜複雜的，這些 缺點的發生，可能原因是由塗佈設備張力設定，塗佈膠液上的黏度、固形份 的差異，裝置過濾設備上的失誤或濾心使用的差異性，烘箱乾燥過程中，風 量及溫度調整不當【2】，這些有可能造成塗佈缺點，所以當缺點發生時，必 須去判定是何種原因造成的，例如缺點何時發生、缺點發生在膜面上是否在 固定位置或單一位置，或者在膜面上等距發生，這些判定會決定之後解決問 題的方向，然後取樣收集相關資料，再利用顯微鏡或相關設備檢驗，並解決 問題，然後再加以歸檔成為廠區解決缺點的 SOP【3】。塗佈中常出現的缺點 包括氣泡、直紋、直線無膠、膠渣、白點、橘皮、肥邊等，如表 1.1 各式缺 點所示。 表 1.1 各式缺點分析與解決法 圖片 缺點說明 產生原因 解決方式 直 線 無 膠 目 視 外 觀 為 寬 2-5mm 之連續性 直線缺點、顏色 比正常膜厚部位 之較淺/較透光 異物或氣泡 擋在塗佈刀 間隙、濾心 變形後無法 過濾膠渣及 異物 重新清 潔 塗 佈 刀 LIP 間隙 排除塗、 佈刀內氣泡 更換濾 心 膠 渣 目視外觀為一般 呈現不規則凹、 凸點狀，顏色偏 深，不透光。 顯微鏡觀察為不 規則形狀，顏色 偏深，不透光， 周圍會產生類似 塗佈刀清潔 未確實、濾 心未安裝定 位 落實塗膠規 範、安裝後 檢查
3 中 空 無 膠 的 氣 泡。 水 紋 換捲管底抹水過 多 出 現 水 漬 痕 跡，分條時目視 軸管可以明顯看 到長條連續直線 痕跡，較常出現 在管底和軸管兩 側。 揮發較慢造 成管底有水 殘留，產生 水漬痕 沾 濕 液 應 定 期更換，並加 蓋 防 止 酒 精 揮發 氣 泡 中 空 正 圓 形 / 點 狀直徑<1mm 升溫過快造 成表乾 調整烘箱溫 度分佈 橘 皮 斜視或透光源來 看，似橘子皮一 顆顆凹陷的點狀 缺陷。 膠液黏度偏 高導致流變 性不佳 依現場記錄 的數據訂立 面塗膠液黏 度的上限， 偏高時稀釋 白 點 C-Roller 上沾 附異物，塗佈過 程 將 膜 上 的 膠 液 頂 開 ， 隨 著 C-Roller 的轉 動 形 成 等 距 的 缺點。 粉塵產生 加裝黏塵輪
4 1.3 研究目的及動機 現今塗佈技術已趨成熟，塗佈業對於產品之優化及成本之控管也更加重 視，而製程改善技術可自選擇低或減量有機溶劑型塗料與使用高塗佈效率塗 裝設備著手，塗裝方式等製程改善與如何降低成本息息相關。 從塗佈到乾燥所產生的缺點非常之多且繁雜，唯有對整個從塗佈到乾燥 過程微結構的變化相當了解才能有效解決塗佈缺點的問題。 所以本研究是利用膠液中的其中兩種不同溶劑的使用比例，經過烘箱乾 燥過程，改善原缺點並提高產能，可望達到良率之提升，並降低付出之成本。
5
第二章 文獻回顧
2.1 精密塗佈設備 早期塗佈大多應用於塗佈膠帶、標籤、合成皮等低階代工產品，但隨著 電子資訊時代來臨，塗佈產業改由印刷電路板為主，接著平面顯示器問世， 太陽光電產業，這些所需要塗佈技術而產生的周邊零件，造就了現在的精密 塗佈技術的發展。 所謂塗佈大致上來說，就是將基材(如 PP、PET、PI、銅箔、鋁箔)，利用 塗佈機將調和完成的膠液，附著在基材上，經過烘烤乾燥後，將膠液上的溶 劑移除，在成捲，即成為成品或半成品(圖 2.1)。【9】 圖 2.1、塗佈示意圖 資料來源:日本 HYNT 東山企業社6 2.1.1 濕式塗佈技術 濕式塗佈一般的做法是把具有各種功能的成分混合成液態塗料，以不同 的加工方式塗佈在基材上，然後使液態塗料乾燥固化做成產品。此塗佈技術 並非所有產品都適用，會因為塗佈的產品、產品厚度、產品膠液性質的不同 來決定使用何種塗佈刀來生產所需要的產品，大致上分為自調計量塗佈 (Self-metering)和預先計量塗佈(Pre-metered)兩種【1】。前者的特性是塗 膜厚度取決於流體物性、塗佈機台的操作條件及模具的幾何形狀，包括刮刀 式塗佈、浸沾式塗佈及凹版印刷式塗佈等。後者的塗佈特性是可預先估算膠 液流量及塗佈速度，包括斜板式塗佈、狹縫式塗佈、淋幕式塗佈及張力調控 狹縫式塗佈【4】，如表 2-1 所示。 表 2-1 常見塗佈技術及特性 塗佈技術種類 塗佈示意圖 特性 浸沾式塗佈 塗佈厚度:20~250µm 塗佈速度:15~100m/min 可塗不規則的表面。 微凹式塗佈 塗佈厚度:5~100µm 塗佈速度:1~300m/min 塗膜厚度薄，塗佈速度 快。 刮刀式塗佈 塗佈厚度:40~1000µm 塗佈速度:5~60m/min 可塗高黏度塗液。
7 淋幕式塗佈 塗佈厚度:40~100µm 塗佈速 度:100~600m/min 高速塗佈時，不會有橫 向紋，可塗不規則表 面。 狹縫式塗佈 塗佈厚度:10~200µm 塗佈速度:10~300m/min 膜厚均勻度高。 斜板式塗佈 塗佈厚度:20~250µm 塗佈速度:5~200m/min 可多層塗佈，但膠液黏 度需低於 500mpa-s。 張力調控狹縫式塗佈 塗佈厚度:1~200µm 塗佈速度:5~100m/min 均勻度高, 塗膜厚度 小。 資料來源:清華大學博士論文【薄層塗佈技術之基礎分析】
8 2.1.2 烘箱設備 塗佈與乾燥時所產生的各式各樣缺陷，主要是由於塗料表面張力、黏度、 液膜流動，以及製程乾燥風速、烘箱溫度以及熱 處理階段條件不同所造成的 【2】。有些缺陷只短暫出現於膜面上，但部份缺陷亦可能使最後膜面產生永 久性的表面不均現象， 甚至無法達到產品品質最低要求，因此了解塗佈與乾 燥產生的各種缺陷是很重要的課題。 烘箱在於去除水份或溶劑過程中，固成分隨乾燥程度提高而增高，此時 塗層漸漸成形，因此乾燥速率對固形成分之塗層型態，有決定性之影響。 2.2 溶劑系統 塗佈過程必需使用塗料，塗料是由凝結原料（大部份為樹脂類及纖維素）、 顏料、溶劑、展色劑及各種不同的可塑劑、硬化劑等組成，因此一般塗料本 身即含有有機溶劑存在；此外，在塗料使用之前必須添加特定之有機溶劑， 以改善其塗膜特性者稱為稀釋劑(thinner) ，如表2-2所示。 表2-2 各類塗料及其使用之溶劑 塗料名稱 主要材料 使用之有機溶劑種類 用 途 噴漆類 (lacquer) 硝化纖維素、拉卡 型 alkyd 樹脂、 可塑劑 甲苯、二甲苯、乙酸 乙酯、乙 酸丁酯、甲 醇、乙醇、丁醇、 賽 路蘇 汽車塗裝、汽車維 修、皮革、樂 器、木製家具、船 舶內裝 胺基醇酸樹脂塗料 胺基化合物(三聚 氰胺、尿 素)、福 馬林、alkyd 焦油系、醇系 木製家具、體育用 品 酚醛樹脂塗料 (油 溶性石碳酸, phenolic) 酚、alkyd、福馬 林 甲醇、乙醇、丙醇、 丁醇、甲 苯、松節 油、石腦油 漆器類、木製品 聚胺酯塗料 (polyurethane, PU) 飽和多元酯、二異 氰酸鹽 乙酸乙酯、乙酸丁 酯、甲乙 酮、甲基異 丁酮、環己酮、二 氯 甲烷 家電、汽車塗裝、 汽車維修、樂 器、木製家具
9 環氧樹脂塗料 (胺 基樹脂 / 胺硬化型 樹脂, epoxy) 環氧樹脂、胺基樹 脂 甲苯、二甲苯、乙醇、 丁醇、 丙酮、甲基異 丁酮、賽路素、 礦油 精 家電、汽車塗裝、 金屬家具、製 罐、船舶 乙烯基樹脂塗料 (Vinyl) 氯化乙烯、乙酸乙 烯共聚 合物 甲苯、甲乙酮、甲基 異丁酮、 乙酸酯類 製罐 三聚氰胺樹脂 (Melamine) 丁基化三聚氰 胺、alkyd 甲苯、二甲苯、丁醇、 賽璐素 汽車塗裝、家電、 金屬家具、自 行 車、體育用品、非 金屬家具 聚酯塗料 (Polyester) 無水苯二甲酸、甘 油、乾 性油 乙酸丁酯、丁醇、焦 油系、石 油系 汽車維修、船舶、 製罐、金屬製 品、合板建物 氯化橡膠塗料 (Chlorinated Rubber) 氯化橡膠、可塑劑 焦油系、石油系 防銹用 調合漆 ( paint) 乾性油、顏料、乾 燥劑 苯、甲苯、松節油、 石腦油 船舶、木器、建築 物 清漆 (varnish) 樹脂、乾性油 焦油系、石油系 電絕緣用、船舶、 建築物 丙烯酸樹脂塗料 (壓克力拉卡/ 熱硬 化型, acrylic) 甲基丙烯酸、丙烯 酸酯 甲苯、二甲苯、乙醇、 丁醇、 丙酮、甲乙 酮、甲基異丁酮、 乙 酸酯類、賽璐素 家電、汽車塗裝、 汽車維修、製 罐 資料來源：塗料公會 溶劑之添加量視塗料本身之黏度與塗佈方式而異，高黏度之塗料與使用 噴塗方式者所需之稀釋溶劑量較大。若塗膜要求厚度薄而且質地細緻，則可 能採低濃度多次的塗裝，如此亦會提高稀釋溶劑之使用量。而塗佈前塗裝品 之管線之清洗亦常使用有機溶劑，可見塗裝與溶劑密不可分之關係。由於大 部份有機溶劑之沸點較低，塗料裡之有機溶劑極易揮發或隨固形物逸散，形 成所謂之揮發性有機物質。表面塗裝之主要空氣污染物為甲苯、二甲苯、乙
10 酸乙酯、丁酮、異丙醇、苯及丙酮等，均為業界在製造及稀釋時常用的有機 溶劑。此次研究的兩種溶劑分別為丙酮(acetone)及異丙醇(IPA)： 丙酮(acetone) ： (1)丙酮 -理化性質 英文名稱：acetone 中文別名：二甲基酮 分子式：C3H6O 丙酮帶有特殊氣味，能溶解醋酸纖維和硝酸纖維，並以遊離狀態存在於 自然界中，而在植物界裡主要存在於精油中，如茶油、松脂精油、柑橘精油 等；人體尿液、血液及動物尿液、海洋動物的組織和體液中都含有少量的丙 酮。蒸氣與空氣混合可形成爆炸性混合物，其爆炸極限為： 2.55％～12.8％ （體積）、蒸氣壓(kPa)：53.32(39.5℃)、燃燒熱(kJ/mol)：1788.7。可混 溶於乙醇、乙醚、氯仿、油類、丙醇、烴類等多數有機溶劑。 丙酮的羰基能與多種親核試劑發生加成反應，例如催化氫化生成異丙 醇，還原生成頻哪醇；與氨衍生物、氫氰酸、炔化物、有機金屬化合物反應 等。丙酮還能進行α氫的反應，例如與鹵素髮生取代反應，自身或與其他化 合物發生類似羥醛縮合反應等。 丙酮化學分子式 (2)丙酮 -製備方法:
11 丙酮的生產方法主要有異丙醇法、異丙苯法、發酵法、乙炔水合法和丙烯 直接氧化法。丙酮的工業生產以異丙苯法為主，世界上三分之二的丙酮是製 備苯酚的副產品，是異丙苯氧化後的產物之一。 (3)丙酮 -用途 在化工、人造纖維、醫藥、油漆、塑料、有機玻璃、化妝品等行業中作 為重要的有機原料，是優良的有機溶劑，可溶解許多有機產物如樹脂、醋酸 纖維、乙炔等，也是製造硝化棉的溶劑。 異丙醇 -概述 (1) 異丙醇-理化性質 英文名稱：Isopropyl alcohol 中文別名：2-丙醇 分子式：C3H8O 異丙醇具有特殊醇味的無色液體，是一種良好溶劑和化工原料，用於塗 料、醫藥、農藥、化妝品等工業，也用於生產丙酮、異丙酯、異丙胺，亦是 石油化工發展史上從石油原料製得的第一個化工產品。使用的催化劑有鎢化 合物、磷酸和離子交換樹脂等，較多使用的是有載體的磷酸催化劑，工藝條 件為 2～6MPa、240～260°C，除了應用於油漆和印刷業以外，它的作用還包括 作為工業應用的化學中間體。 異丙醇化學分子式
12 (2) 異丙醇-製備方法: 異丙醇是由丙烯和水結合產生的，其生產過程有兩種：間接水合硫酸法 與直接水合法，前者的方法可用於較低品質的丙烯來製造，而後者則需要高 純度的丙烯為原料。 (3)異丙醇 -用途 異丙醇是很容易取得的。它像丙酮一樣，可廣泛溶解非極性化合物，相 對於其他替代溶劑而言，它揮發迅速且無毒，因此廣泛用作溶劑或清洗液， 尤其是對親油性的汙染物特別有效，所以常會用來清洗電子設備，因此異丙 醇是重要的化工產品和原料。
2.2.1 揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds VOC)
丙酮、乙醇、乙醚和二氯甲烷等常見的有機溶劑，都是揮發性物質，這 一類被稱為揮發性有機化合物（以下簡稱 VOC）的污染物在常溫常壓下擁有夠 高的蒸汽壓，使它們一旦暴露到空氣中就會迅速地從固體或液體變成氣體。 VOC 主要的來源為燃料的燃燒及交通運輸所產生的廢氣，而 VOC 對人體及環境 是有刺激性和毒性的，因此在世界衛生組織（WHO）、美國國家科學院及國家 研究理事會（NAS/NRC）等機構一直強調 VOC 是一類嚴重的空氣污染物。 2.2.2 塗佈溶劑爆炸極限【5】
塗佈溶劑中的爆炸極限可分為爆炸下限 LEL (Lower Explosive Limit) 及爆炸上限 HEL ( Higher Explosive Limit)；常以氣體、蒸氣或粉塵在空 氣中所佔百分比表示，而爆炸下限是指於溶劑體積濃度低於爆炸下限時，因 為距離太遠不易傳導能量，即使接觸火源也不會燃燒，後者的爆炸上限則是 指溶劑體積濃度高於爆炸上限時，因空氣中的氧氣不足提供燃燒，即使接觸
13 火源也不會爆炸。然而爆炸的基本要件是氣體燃料與空氣混合的比例需適 當，當溶劑體積濃度介於爆炸下限與上限之間，能夠引起爆炸的濃度範圍， 則稱為燃燒界限或燃燒範圍。本研究操作塗佈設備時，所設定之警戒點為 40% LEL，50% LEL 為強制停機點，表 2-3 為常用溶劑爆炸限度表【12】。 表 2-3 常用溶劑爆炸限度表 溶劑名稱 最小爆炸限度 空氣體積百分 比(%) 最大爆炸限度 空氣體積百分 比(%) 閃點 自燃溫度 異丙醇 2 12 12°C 398 ~ 399°C 丙酮 2.6~3 12.8~13 -17°C 465°C 乙酸乙脂 2 12 -4°C 460°C 乙醇(酒精) 3~3.3 19 12.8°C 365°C
資料來源:整理自American Chemistry Council Solvents Industry Group,pg.7, January2008【5】 2.3 乾燥技術 乾燥的重要特徵是移去物質中之水分，將其轉化為水蒸汽。這些水分與 物質本質並無關連，可以除去而不影響其本質。在正常的程序中，移去水分 必須提供相當的能量，這能量的形式一般為熱，熱的轉化絕大部份是依靠熱 傳導及對流作用【7】。目前塗佈乾燥主要目的為除去塗佈過程中用於溶解、 分散有效主要的溶劑，在基層上保留需要的塗佈層。 塗佈乾燥分為物理乾燥及化學乾燥，物理乾燥是利用溶劑揮發作用產生乾 燥，後者則是利用成分之間發生反應（如交聯）。 2.3.1 乾燥速率 乾燥速率是指單位時間及單位面積中，物料所失去的重量。塗佈乾燥過 程共分為四階段:預熱段、恆速段、降速段及平衡段，如圖 2-2 所式，每個階
14 段的溫度皆對溶劑揮發有不同的影響，也會決定直接或間接影響成品的缺點 【6】。 (1) 預熱段:塗佈設備到烘箱之間，溶劑應在此過程中少量揮發。 (2) 恆速段:溶劑的蒸發速率與膜面溫度一致。 (3) 降速段: 乾燥速率逐漸下降，膜面溫度上升。溶劑在膠液內部的擴散速 度需得到有效的控制。 (4) 平衡段:塗膜冷卻，卷收成品。 圖 2-2 乾燥速率模型圖 2.3.2 乾燥缺點概述 乾燥速率會影響乾燥缺點，若溫度設定過高或過低，將會產生溶劑揮發 不全，導致塗層內部產生細微氣泡而形成成品缺點，如下表 2-4 所示皆為乾 燥不全之成品缺點【8】。
15 表 2-4 塗佈缺點介紹 圖片 產生原因 解決方式 表乾氣 泡 烘箱條件參數設定 不當，造成表面溶 劑揮發速率過快， 產生氣泡。 調整烘箱條件 參數。 橫向色 差 空氣亂流及乾燥末 段 溫 度 過 高 所 造 成。 降低風速，提 高膠液黏度。 斑狀花 紋 空氣亂流所造成， 通常發生於塗佈設 備到預熱室的區域 或冷凝室區域。 加裝檔板，減 少空氣亂流、 冷凝段輕微負 壓或提高膠液 黏度。 卷曲 乾燥速度太快、濕 度的影響 加大膜面張力 肥邊 乾燥過程中塗膜邊 緣變厚，因為邊緣 乾燥快，形成表面 張力梯度 加入界面活性 劑來降低表面 張力
16 2.4 負型水溶性乾膜光阻 乾膜光阻主要應用在印刷電路板，製程中線路影像之轉移作業的重要感 光原料，能將設計的精密線路清楚地反應在電路板上【13】，而乾膜光阻又 可分為正型光阻及負型光阻兩種，前者是指乾膜受到感光刺激的部分會發生 分解作用而被顯影液所洗掉；未感光的部分則留在物體用而被顯影液所洗 掉；未感光的部分則留在物體表面上。後者是指乾膜受到感光的部分會發生 聚合作用而硬化，未感光處則為原來的單體分子而被顯像液所洗掉，負型水 溶性乾膜光阻主要應用於印刷電路板、導線架、IC 基板、IC 封裝等精密蝕刻、 電鍍等工業之影像轉移製程【14】。 乾膜光阻主要是由塗佈基材、膠液、覆蓋膜所形成，基材大部分選用聚 對苯二甲酸乙二酯(PET)膠捲，覆蓋膜選用聚乙烯(PE)膠捲，膠液所含成分包 含：連結劑 (Binder) 、光反應單體(Photomonomer) 、光起始劑
(Photoinitiator) 、可塑劑(Plasticizer) 、染料(Dye) 、變色劑(Color Changing Agent) 、安定劑(Stabilizer) 、黏著促進劑(Adhesion
Promoter)、溶劑(Solvent)等結合而成，三種材料結合再一起則稱為乾膜光 阻，如圖 2-3 所示。
17
第三章 實驗儀器與設備
3.1 塗佈設備 本實驗是由狹縫式塗佈機進行塗佈作業，此機型之優點為封閉系統，其 操作過程中膠液與外界接觸少，不易被污染外也不易產生質變，且塗佈膜厚 均勻性高可多層塗佈；其缺點則是塗佈頭需要特別設計，成品易受膠液的性 質而有所改變，且塗佈頭與塗佈輪需維持均一間距，需要高精密的膠液供應 系統。如圖 3-1 及圖 3-2 所示： 圖 3-1 狹縫式塗佈機 圖 3-2 狹縫式塗佈頭側面圖18 3.2 烘箱設備 本實驗使用狹縫式噴嘴上下噴氣(汽浮式)烘箱設備，此機型之優點為乾 燥效率非常高，此設備為上下噴氣(汽浮式)烘乾，因此能降低與塗佈膜面的 接觸，所以能減少缺點的發生，如:膠刮、刮傷等。本塗佈作業所搭配的噴嘴 (nozzle)為標準式噴嘴【11】，如圖 3-3、圖 3-4 所示: 圖 3-3 狹縫式噴嘴上下噴氣式 圖 3-4 狹縫式噴嘴上下噴氣式剖面圖
19 3.3.膠液 本實驗使用壓克力樹脂，實驗膠液編號：標準配方 LC101T-3、調整配方 LC101T-8。標準配方 LC101T-3 之黏度：1500cps，固形分:55%；調整配方 LC101T-8 之黏度：1500cps，固形分:50%。 3.4 供膠系統 本實驗使用的供膠系統為螺旋幫浦及齒輪幫浦二種；螺旋幫浦主要是將 膠液送至濾心座，後者則是將膠液送至塗佈頭進行塗佈作業。螺旋幫浦對於 中高黏度的膠液之輸出較為穩定，且具有攪拌的功能，在膠液進入塗佈頭前 能更加均勻混合；齒輪幫浦則可以承受較高壓力的塗佈作業，膠液流量輸出 表現穩定。如圖 3-5、圖 3-6、圖 3-7 及圖 3-8 所示: 圖 3-5 螺旋幫浦 圖 3-6 螺旋幫浦內部構造圖
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圖 3-7 齒輪幫浦
21 3.5 過濾及管路系統 本實驗所使用的過濾系統為尺寸 20 英吋的濾心共 24 支，濾心主要用途 為過濾膠液中的雜質，亦具有消除氣泡之功能。管路系統為鐵氟龍管，其鐵 氟龍的材質不易沾黏膠液、膠渣， 如圖 3-9、圖 3-10 所示: 圖 3-9 過濾系統 圖 3-10 鐵氟龍管
22 3.6 塗佈基材與覆蓋基材 本實驗所使用的塗佈基材為聚對苯二甲酸乙二酯(PET)，厚度為 16µm，其 特性具有優良的堅韌性，可拉伸且抗衝擊性強，及耐磨與電絕緣性佳。主要 用途是在塗佈作業時，將膠液附著於基材(PET)上；而覆蓋膜所使用的基材為 聚乙烯(PE)，厚度為 19µm，主要用途是在覆蓋乾燥後的成品，避免成品與外 界雜質接觸造成汙染與成品缺點，如圖 3-11、3-12 所示： 圖 3-11 聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膠捲 圖 3-12 聚乙烯(PE)膠捲
23 3.7 採樣設備 本實驗採樣設備使用安捷倫 GC-7890A 進行採樣，採樣方法為使用採樣幫 浦(SKC 224-44XR)以流量約 4 ℓ/min 抽 2.5 min.充滿 10 ℓ 的採樣袋，採 樣後之樣品分析，是以氣密針抽取固定量氣體樣品打入 GC 進樣口做層析分 離，如圖 3-13 所示：
圖 3-13 安捷倫 GC-7890A 圖 3-14 採樣幫浦(SKC 224-44XR) 3.8 光學膜厚測定儀 本實驗之塗佈厚度由膜厚測定儀所量測，此儀器可測得厚度為 1µm 至 240µm，如圖 3-15 所示： 圖 3-15 膜厚測定儀
24 3.9 缺點檢測器 本實驗的塗佈缺點是由缺點檢測器檢測，可偵測出缺點粒徑大小、缺點 影像和缺點位置，如圖 3-16 所示；由圖 3-17 得知檢測後綠色點為小缺點， 而紅色點則為大缺點，本次實驗以搜集紅色缺點數據為主。圖 3-18 為缺點粒 徑大小判定圖，檢測器會依缺點面積大小判定所屬缺點為小缺點或大缺點。 圖 3-16 缺點檢測器
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圖 3-17 缺點分布圖
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第四章 研究方法
此次研究是調整膠液中的溶劑配方及烘箱進排氣，以了解溶劑揮發與塗 佈缺陷的關係。實驗過程中利用烘箱進排氣的改變及膠液中溶劑配方的調 整，期望達到降低缺點發生率並減少能源的浪費和降低企業成本的支出。 4.1 膠液溶劑修改 本實驗藉由調整膠液溶劑比例及控制烘箱進排氣，在溫度、風量條件及塗 佈線速固定下，由膠液編號 LC101T-3 代表標準配方，編號 LC101T-8 為調整配 方；K1 及 A31 分別為溶劑丙酮及異丙醇，如表 4-1 所示: 表 4-1 配方修改實驗 配方 溶劑 K1(丙酮) A31(異丙醇) 其他溶劑及添加物 標準配方 LC101T-3 30% 15% 55% 調整配方 LC101T-8 40% (含 10%精煉丙酮) 10% 50% 4.2 調整進排氣量 本實驗在塗佈前必須先校正烘箱進排氣風量，以避免其他因素所造成的 缺點。實驗塗佈前打開所有烘箱門，使烘箱內部保持自然常壓，使烘箱噴嘴 處於關閉狀態，藉由風速計量測進排氣主管風速，以調整進排氣風車轉速， 使進排氣風車輸出風量約等於設定風量，接著利用風速計量，測量預熱段進 排氣風管的風速，並藉由調整該風管閘門開度，使風速等於設定值。由於調 整某一閘門，便會對整體風量的分配造成影響，所以必須反覆進行調整 1~8 室的烘箱，直到所有進排氣風管風速皆略等於設定值，如圖 4-1、4-2 所示:27 圖 4-1 調校烘箱排氣流程圖 圖 4-2 調校烘箱進氣流程圖 4.3 塗佈條件設定 本實驗在溫度、風量條件及塗佈線速固定下，將膠液分為標準配方編號 LC101T-3 及調整配方編號 LC101T-8，並使用標準配方之溫度、風量條件及塗 佈線速的設定值，其條件設定值如表 4-2 塗佈實驗條件表所示；觀察在各條 件固定下，本實驗塗佈結果中成品缺點的變化。 表 4-2 塗佈實驗條件表 4.4 塗佈作業 此實驗是用 16µm 聚對苯二甲酸乙二酯(PET)膠捲為塗佈基材，其塗佈過 程是將膠液利用幫浦輸入過濾器進行過濾，再由過濾器輸送至塗佈頭進行塗 佈作業，以線速 42 M/min 速度下，經過預熱室、1~8 室烘箱及冷卻室，其中 1~8 室烘箱內均裝設採樣幫浦，進行揮發性有機化合物(VOC)採樣，輸出後即 調整預熱段 風管閘門開度 重覆步驟 1~4 並調整 1~8 室烘箱 打開所有 烘箱門 烘箱噴嘴需處 於關閉狀態 調整排氣 風車轉速 調整預熱段 風管閘門開度 重覆步驟 1~4 並調整 1~8 室烘箱 打開所有 烘箱門 烘箱噴嘴需處 於關閉狀態 調整進氣 風車轉速
烘箱室別 No.1(上/下) No.2(上/下) No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 No.8
溫度℃ 35/45 45/50 65 80 100 115 115 100 風量 13/23 13/23 21 23 25 30 30 30 烘箱壓力:-15 速度(M/min):42 塗佈寬度(mm):1200 塗佈厚度:39µm 排氣轉速:25 進氣轉速:AUTO
28 為成膜產品。完成之成品會經過缺點檢測器的檢驗，檢驗後成膜會利用聚乙 烯(PE)膠捲加以覆蓋，即完成塗佈流程，塗佈過程如圖 4-3 所示。此次實驗 的卷收米數各 2000 米，並於 1~8 烘箱室採集實驗樣品，採集之樣品將利用分 析儀器(安捷倫 GC-7890A)進行樣品數據分析。 圖 4-3 塗佈流程圖
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第五章 結果與討論
5.1 塗佈結果 標準配方 LC101T-3，其丙酮(K1)比例為 30%、異丙醇(A-31)為 15%，及其 他溶劑與添加物為 55%，此配方為業界於塗佈生產時，所使用之配方。本實驗 在溫度、風量、塗佈厚度條件及塗佈線速固定下，進行標準配方塗佈實驗， 為使烘箱內 VOC 濃度達到飽和狀態，因此塗佈膠卷及卷收成品為 2000 米，並 於烘箱 1~8 室進行 VOC 濃度採樣，表 5-1 為烘箱 1~8 室之採樣數據: 表 5-1 VOC 濃度數據表 烘箱室 VOC濃度(PPM) 431.2 720.88 280.89 118.51 547.23 576.08 676.66 1236.09 1921.22 1527.96 780.57No.6 No.7 No.8
標準配方丙酮(K1) 標準配方異丙醇(A31)
3376.13 2411.05 1258.56 1296.1 1332.38
No.1 No.2 No.3 No.4 No.5
調整配方編號 LC101T-8，其丙酮(K1)比例為 40%、異丙醇(A-31)為 10%， 及其他溶劑與添加物為 50%，為實驗塗佈之調整配方，目標是改善缺點。在溫 度、風量、塗佈厚度條件及塗佈線速固定下，進行調整配方塗佈實驗，為使 烘箱內 VOC 濃度達到飽和狀態，因此塗佈膠卷及卷收成品亦為 2000 米，並於 烘箱 1~8 室進行 VOC 濃度採樣，表 5-2 為烘箱 1~8 室之採樣數據: 表 5-2 VOC 濃度數據表 烘箱室 VOC濃度(PPM) 676.33 401.22 998.66 688.55 322.21 調整配方異丙醇(A31) 1848.66 1433.38 1389.66 1133.22 878.54 665.66 調整配方丙酮(K1) 2512.16 2107.03 1549.23 1342.33 1266.67
30 從實驗中藉由調整膠液中的溶劑配方，可得知膠液比例、雙溶劑揮發及 缺點三者的關係，因此將標準配方及調整配方實驗數據，製成溶劑揮發百分 比圖後，如圖 5-1 所示：可得知在標準配方實驗中，呈現之數據為不規則曲 線，說明雙溶劑於烘箱 1~2 室揮發速度過快，極有可能造成膠液表層乾燥過 快，使內層膠液溶劑無法揮發完全而產生氣泡；由圖 5-1 可見，標準配方的 丙酮(K1)，在烘箱 1~2 室揮發速度快於調整配方的丙酮(K1)，即可能發生上 述的氣泡產生，造成缺點如圖 5-2(標準配方缺點分布圖)、圖 5-3(調整配方 缺點分布圖)。標準配方異丙醇(A-31)雖然於烘箱 1~2 室揮發速度低於調整配 方異丙醇(A-31)，但在烘箱 4~6 室時，溶劑揮發過快，將導致塗層表面過於 乾燥而與覆蓋膜貼合不良。實驗中可見調整配方，於塗佈過程中的表現數據 呈線性發展，相較穩定由此推敲其缺點及 VOC 濃度表現應會優於標準配方。 圖 5-1 溶劑揮發百分比
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圖 5-2 標準配方缺點分布圖
32 本實驗經長時間大量量化下，採集卷收成品後，得到成品缺點率比較 表，如表 5-3 所示；標準配方(LC101T-3)及調整配方(LC101T-8)經 2 萬米之 塗佈過程後，其調整配方之塗佈缺點率確實優於標準配方。而原預期調整配 方之烘箱 VOC 濃度應優於標準配方，但經烘箱採樣數據結果，得知各室烘箱 VOC 濃度數據百分比皆高於標準配方，而烘箱 VOC 濃度數據高，則會接近業界 標準之爆炸下限設定值，且可能對空氣汙染及人體有所影響，因此不符合本 次實驗預期，如圖 5-4 所示: 表 5-3 成品缺點率比較表 膠液編號 米數 缺點/個 缺點率% 標準配方 LC101T-3 20000M 245 1.2% 調整配方 LC101T-8 126 0.6% 圖 5-4 溶劑爆炸極限濃度百分比
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第六章 結論
塗佈缺點何其多，在塗佈前的準備上必須一一確認每項步驟的操作及設 定，例如烘箱風量、溫度條件、厚度、張力、塗佈刀具、及配件組裝等，其 主要目的在於防止缺點在某一環節上出現，並非是此次更改配方所出現的缺 點，導致影響實驗的結果與正確性。 經本次實驗結果，證明調整配方膠液(LC101T-8)可以明顯改善成膜後產 品的缺點，而調整配方之烘箱溶劑爆炸極限濃度表現數據，卻高於標準配方 膠液(LC101T-3)，雖然濃度標準都在安全的規範內，但在本實驗有限的時間 下，得到的實驗結果仍有調整及改善的空間。希望透過本研究之結果，提供 有意研究者，對於雙溶劑揮發與塗佈缺陷之相關性有所認識，並能改善溶劑 配方與降低溶劑爆炸極限濃度為研究方向。34
參考文獻
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