王振東：漫話涂布流動

　　當您在觀看電影時，您知道正在欣賞的電影拷貝（正片），以及拍攝電影時所用的膠片（負片）是怎樣制造出來，流體力學在它們的生產(chǎn)制造過程中起著什么樣的作用嗎？

　　當您去醫(yī)院撿查身體拍X光片時，當您使用相機拍照得到漂亮的彩色照片時，（現(xiàn)在大家都在使用數(shù)碼相機了，但去擴印照片時，仍要用到相紙），您知道膠片的底片（負片）和相紙（正片）是怎樣生產(chǎn)出來，流體力學在其生產(chǎn)制造過程中有著怎樣關鍵的作用嗎？

　　本文將簡要介紹從1824年以來，在感光材料發(fā)展近180年歷史過程中，流體力學曾經(jīng)和正在起著的關鍵作用。

　　讓我們先從感光材料產(chǎn)生和發(fā)展的歷史談起：

　　1824年法國物理學家 Nicephore Niepce在一塊玻璃板上涂上一層含銀鹽的化合物，經(jīng)光照得到了圖像。

　　1839年Niepce的同事向巴黎科學院，作了在烈日下較長時問曝光而得銀汞齊正像的實驗。

　　1841年英國科學家 Tabolt 宣布：一種含Agl（碘化銀）紙基感光材料可得負像，再由負像使另一感光材料感光即可得到正像，曝光時間己可縮短，但圖像尚不太清楚。

　　1851年出現(xiàn)珂羅酊（即硝棉膠）濕板照相法，可得以玻璃板為基底的照相底片。

　　1871年發(fā)明溴化銀明膠干板。

　　1876年找到對所有光敏感的乳劑。

　　1887年以硝酸纖維素酯薄膜代替玻璃的感光軟片，使照相機工業(yè)得到迅速反應。

　　1951年出現(xiàn)不易燃燒的三醋酸纖維素酯片基。

　　2O世紀70年代發(fā)明絳綸片基，使片基強度得到提高。

　　從這段歷史可以看到，感光材料的產(chǎn)生和發(fā)展過程，一方面是發(fā)現(xiàn)和逐步完善能對所有光線敏感的乳劑，另一方面是發(fā)明能夠?qū)⑷閯┩坎忌先サ钠�基、并逐步使片基做到既安全又有高強度�?/p>

　　在中國，直到20世紀60年代，去照相館照相片，有時還能拿到以玻璃為基底的照相底片，筆者就還保留有1965年在天津勸業(yè)場旁著名的中國照相館所得的玻璃照相底片。那個時候在電影拷貝的膠片盒上，常常見到顯著標有“安全膠片”字樣，就是指盒中膠片是三醋酸纖維素酯片基的，不易燃燒。以區(qū)別這之前的電影拷貝膠片，由于是硝酸纖維素酯片基的，容易燃燒，不安全�，F(xiàn)在我們所使用的電影膠片拷貝己都是絳綸片基的了，既安全，強度也高，片盒上已不再需要標明“安全膠片”。

　　感光材料工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，為彩色膠片、黑白膠片、相紙（包括沖洗和打印用的相紙）、X光膠片、磁帶等信息記錄材料。感光材料的生產(chǎn)過程，先是分頭制造感光材料乳劑和片基，再將感光材料乳劑涂布到片基上，經(jīng)干燥后再進行裁切、整理、包裝，即可成為產(chǎn)品。流體力學的作用就體現(xiàn)在將感光材料乳劑涂布到片基上，形成感光材料的過程中，感光材料的涂布流動是指將感光材料乳劑涂布到片基上的流體運動過程。

　　感光材料涂布流動的工程目的，是要求能將乳劑在片基上涂得：（1）快，（2）薄，（3）勻，（4）高粘度，（5）（有時需要）同時多層。涂得快，才能生產(chǎn)效率高。涂得薄，才能使感光后的膠片或相紙較容易顯影和定影、以加快沖洗擴印的速度。涂得勻，才能使涂布寬度為1米多的膠片，經(jīng)裁切得到的各條寬35mm的膠片性能一致，同一條膠片的前后性能也一致；
只有性能一致，才能在同樣的沖洗條件下得到統(tǒng)一的效果。乳劑高粘度是為了涂得快，干得快，以降低對干燥設備和條件的要求。同時涂布多層，是為適應信息記錄材料（如彩色膠片）結(jié)構(gòu)的需要。這5個要求實際上就是感光材料生產(chǎn)對涂布技術(shù)在數(shù)量和質(zhì)量上的具體要求，流體力學應用得好不好就要看能否保證這些要求的同時實現(xiàn)。

　　在感光材料工業(yè)發(fā)展的歷史上，對軟片基笫一個成功的涂布方式是浸涂（Dip Coating）。浸涂，是在涂布槽內(nèi)放有需涂的粘性液體，將片基浸入所要涂的粘性液體中再拉出，從而使片基涂上槽中的粘性液體。浸涂的方式基本上有2種類型，一種為通常的簡單浸涂，另一種為對輥涂布（Roll Coating），多加一個轉(zhuǎn)動的輥子，是為了壓一下，使涂得更薄些。德國阿克發(fā)（Agfa）膠片公司20世紀30年代的浸涂技術(shù)代表了這一技術(shù)的成熟。

　　浸涂的速度快了，涂布的厚度就要加大，這個道理容易從生話中的小事情聯(lián)想到。以前去商店買油的時候，沒有像現(xiàn)在商店用的計量機械，售貨員是用小提勺來打油的。操作的時候不能提得太快，因為只有將提勺往上提得慢些，才能使提勺外壁帶上的油（也就是浸涂在外壁上的油）再流回些到油桶內(nèi)，如果提得太快則會有給多了油、蝕本的可能。所以浸涂的速度不能太快，否則涂布厚度也難降低。實際上，浸涂的速度最快也只能到每分鐘30米左右。所以浸涂技術(shù)不能太快。

　　另一方面，眾所周知可見光（白光）是由紅、綠、藍三基色組成的。人的視覺神經(jīng)中也正好有感紅、綠、藍的三種神經(jīng)細胞。早在1861年Maxwell就開始認識到彩照的原理，并獲得了物體的彩色影像。但到20世紀60年代由于流體力學的應用，涂布技術(shù)的進步，才得到了逼真的彩照。

　　現(xiàn)代彩色膠片是一種多層結(jié)構(gòu)，是由感紅、感綠、感蘭層及其隔層等多個層次組成的，其涂層的總厚度在干燥后只有幾微米。這么多層的乳劑怎么才能涂布上去呢？開始時，人們用浸涂的辦法，一次只能涂一層乳劑，干了后卷起來，再放開才能又去涂另一層乳劑…。而每一層的涂層又都很薄，在片基卷放的過程中，無論怎樣小心，也很難保證沒有劃傷；
但劃傷就會形成膠片的弊病。而且這樣做生產(chǎn)效率也太低。于是逼迫人們思考運用流體力學原理，去尋找新的涂布方法，來解決彩色膠片的涂布技術(shù)問題。

　　20世紀50年代末，美國柯達（Kodak）膠片公司的兩位工程師，提出了用坡流涂布（Slide Coating）方式來解決彩色膠片的涂布技術(shù)問題的專利。他們的創(chuàng)意是讓多層粘性液體在斜面上形成嚴格的層流，然后一起涂布到片基上，再一齊進行干燥，以形成需要的多層結(jié)構(gòu)彩色膠片�？逻_膠片公司到20世紀60年代后期，已使這一涂布技術(shù)基本成熟，并以坡流涂布�？�技術(shù)，壟斷了當時世界彩色膠片生產(chǎn)的四分之三以上。逼得世界上一些膠片公司處境艱難，要么花大價錢購買其專利，并接受苛刻條件讓其控制；
要么幾家公司合并，商量對策，以求生存。象前面提到的阿克發(fā)公司就走上了后一條路。

　　層流和湍流是粘性流體運動的兩種基本形態(tài)，這兩種形態(tài)的流動在物理圖像上有著重大差別。層流的流體質(zhì)點象是排列成隊一樣地向前運動，所以層流的流線層次分明。而湍流的流體質(zhì)點運動則是雜亂無章。層流在一定條件下要過渡到湍流狀態(tài)。有關層流向湍流過渡的理論目前還不夠成熟，但是已經(jīng)知道，層流向湍流的過渡，是與流動中受到擾動分不開的。在感光材料的涂布過程中，液體供料泵的壓力波動、涂布機的微小振動、甚至操作人員的行為等，都有可能給坡流面上的乳劑層流施加擾動。理想的坡流涂布必須保持乳劑作嚴格的定常層流流動。能否做到這一點，就要看乳劑受到擾動后，擾動能不能很快地衰減，使流動恢復到原來的狀態(tài)后再干燥固化。用科學的術(shù)語說，這就是液體沿斜面向下流動時的層流穩(wěn)定性問題。

　　隨著感光化學對乳劑的成份和結(jié)構(gòu)怎樣更好地還原彩色研究的發(fā)展，認為彩色底片（負片）涂層的結(jié)構(gòu)最好要有14層之多，從而對涂布技術(shù)提出了更高的要求：同時涂更多層，而且每層要涂得更薄，以使干燥后總厚度仍是幾微米。生產(chǎn)效率也要進一步提高，即希望要涂得更快。促使人們再從流體力學上動腦筋。美國柯達膠片公司又提出了落簾涂布（Curtain Coating）技術(shù)：讓坡流面上形成的多層乳劑層流，一齊落簾而下，再一齊涂布到片基上。當甲乙兩列高速奔馳的列車速度相同時，兩列車的相對速度為零，一個人從甲列車的車門能很容易地邁步走進正對著的乙列車車門。在太空中，宇宙飛船與空間站的對接，宇航員在飛船與空間站間的出入，也是同一原理。多層乳劑層流的落簾，作為自由落體而下，在重力的作用下，進一步拉薄了，也加快了速度，只要片基的速度相應快，使相遇時相對速度是零，也就很容易涂上去了。目前，落簾涂布技術(shù)尚正在研究開發(fā)之中，可以相信流體力學一定能為感光材料工業(yè)提供更好的涂布技術(shù)，為人們提供更多更好的消費品。

　　關鍵詞 流體力學 涂布技術(shù) 感光材料

　　參考文獻

　　1、王振東，化工中的流體力學，見教育部工程力學專業(yè)教學指導委員會編《力學與工程技術(shù)的進步》，140一146頁，北京高等教育出版社，2001

　　2、劉旦初，化學與人類（第二版），上海：復旦大學出版社，2000

　�。ㄔ�刊登于《力學與實踐》2003年25卷4期，作者授權(quán)天益發(fā)布）

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