粘着剤塗布の数値シミュレーション

概要

粘着剤塗布は、粘着ラベルの製造工程で用いられている。粘着ラベルは、宅配伝票など様々な用途に用いられているが、通信販売などの物流の著しい拡大により、粘着ラベルの需要が増大し続けているとともに、ラベルユーザーの激しい競争から、粘着ラベルのコストダウンが求められている。コストダウンを達成するために、粘着剤塗布量の削減、製造工程の高速化が挙げられる。特に、製造工程の高速化には、カーテンコーティングの導入による、粘着剤の高速塗布が検討されている。カーテンコーティングは塗布手法の１つであり、塗布液をカーテン状の薄膜として流下するのが特徴であり、粘着剤塗布で使用されている他の手法と比べ、より高速での塗布が可能となる。
粘着剤の高速塗布では、はじきの発生が課題である。はじきとは、粘着膜上に生じる穴のことであり、粘着ラベルの印刷不良の原因となる。粘着剤塗布量を削減し高速での塗工を行うと、はじきが発生しやすくなる。はじきの発生を抑制するためには、粘着剤の改良が必要であるため、粘着剤メーカでは、新規の粘着剤開発が行われている。
粘着剤の開発は、経験に基づき試行錯誤的に行われている。さらに開発した粘着剤を、各企業の塗布装置に対応させる必要があり、塗布性能の試験もラベルメーカーの実機を使用して行うため、粘着剤の開発には多大な費用および時間を必要としている。高速塗布に対応した粘着剤の開発においても、カーテンコーティングに関する知見が必要であるが、粘着剤塗布にカーテンコーティングを利用しているラベルメーカーが非常に少なく、対応する粘着剤の開発が困難になっているのが現状である。
本研究では、粘着剤開発に数値計算を導入することを目的とする。具体的には粘着剤塗布の数値シミュレーションを行い、カーテンコーティングによる高速塗布、およびはじきの発生に関する知見を得ることで、カーテンコーティングに対応した粘着剤の開発を可能にし、必要な費用および期間の削減を達成することが狙いである。粘着剤をshare-thinningを示す純粘性流体と仮定し、はじきの発生現象を、以下の過程に分割し、数値計算を実施することで、はじきの生じにくい条件の提供を可能とする。
・粘着剤の塗布工程において、塗膜内に気泡が混入する。
・気泡を核として、塗膜上に微小なピンホールを生じ、成長してはじきとなる。
数値計算ツールには、オープンソースのOpenFOAMを使用する。はじきの発生現象の再現性を確認するため、これら２つの過程について、数値計算モデルを構築し、数値計算を行った。
本研究では、以下の内容で構成される。第２章では、OpenFOAM付属のVOF法による三相接触線の移動を伴う現象の再現性を確認するため、塗膜上に生じた微小なピンホールが成長し、はじきとなる様子を数値計算により再現した。はじめに、粘着剤塗膜上におけるピンホール成長の実験を実施し、計算結果と比較することで数値計算モデルの妥当性を検証した。この結果を用いて、物性値を変更し数値実験を行うことで、ピンホールの成長に与える影響を調査し、先行研究として報告されている、ニュートン流体におけるピンホールの成長速度式が、粘着剤に適用可能か評価した。その結果、接触線が後退しピンホールが成長する様子が得られた。塗布実験と比較を行った結果、接触角について動的接触角モデルを導入し、後退角を使用することでピンホールの成長が再現出来ることがわかった。この数値計算を用いて、ピンホールの成長速度と粘着剤の物性値との関係を調査したところ、成長速度は粘着剤の表面張力に比例し、粘性に反比例することがわかった。また、後退角を変更した結果、成長速度は後退角の値に応じて３乗で比例することがわかった。これは、先行研究として報告されている成長速度の関係と一致していることから、粘着剤では後退角を用いることで、報告されている成長速度式が利用可能であることがわかった。
第３章では、塗膜内への気泡の混入について数値計算を実施した。高速塗布で使用されているカーテンコーティングの２次元数値計算モデルを作成し、カーテンの形状を表すcoating windowの再現を行い、VOF法により気泡混入の原因となる空気同伴（air entrainment）が観測可能か調査した。そして、定常状態における三相接触線について、先行研究と比較をし、VOF法によるカーテンコーティングの再現性を検討した。その結果、液体の粘度、塗布量および塗布速度を変更することで、heel formationやair entrainmentなどのカーテン形状が再現できた。これらの結果を用いてcoating windowを再現した結果、先行研究のものと概ね一致した。また、定常状態となった結果について三相接触線の位置を調査したところ、既存の研究で報告されている関係と概ね一致した。これらより、VOF法を用いてカーテンコーティングの再現が可能であることがわかった。
第４章では、カーテンコーティングの３次元数値計算を実施し、気泡混入の再現が可能か調査した。初めに、２次元計算モデルを拡張して３次元計算モデルを作成し、coating windowにおけるair entrainmentの観測が可能か検討した。また、カーテンガイドを導入した３次元計算モデルを作成し、同様にair entrainmentが観測可能か調査した。その結果、air entrainmentを含む４つのカーテン形状が得られた。これらの結果を用いてcoating windowを再現したところ、２次元計算で得られた分布と概ね一致した。また、カーテンガイドを導入したモデルにおいても、air entrainmentが観測された。これより、本研究で作成した３次元計算モデルを用いて、塗膜への気泡混入を再現できる可能性が示唆された。
本研究により、塗膜表面に生じたピンホールの成長を、粘着剤粘度、表面張力、濡れ性から予測することが可能となった。また、今回作成した数値計算モデルを用いて、空気同伴の数値実験が可能となった。これらの成果は、カーテンコーティングに対応した粘着剤の開発を可能にし、開発に必要なコストおよび期間の削減に貢献することが期待される。
Adhesive coating is used in the process of manufacturing self-adhesive label. Self-adhesive labels are used for various purposes such as product labels and delivery slips. Due to the remarkable expansion of logistics such as mail-order sales, the demand for self-adhesive labels continues to increase, and fierce competition among label users requires cost reduction of self-adhesive labels. In order to achieve cost reduction of the self-adhesive label, reduction in the amount of adhesives applied and speeding up of the manufacturing process can be mentioned. For speeding up the manufacturing process, high-speed application of an adhesive by introducing curtain coating is being studied. Curtain coating is one of the coating methods, characterized by flowing the coating liquid as a curtain-like thin film, which enables higher-speed coating than other methods used in adhesives coating.
In high-speed application of an adhesive, generation of pinholes in a coating film is a problem. This coating defect causes printing failure of the self-adhesive label. When coating is performed at a high speed with a reduced amount of the adhesive applied, the pinhole is likely to occur. In order to suppress the occurrence of the pinhole, it is necessary to improve the adhesives. Therefore, a adhesives maker is developing a new adhesives for the label.
Development of the adhesive requires a lot of cost and time. The development has been performed by trial and error based on experience. Furthermore, it is necessary to apply the developed adhesive to the coating equipment of each company, and the coating test is performed using the actual machine of the label manufacturer.
The purpose of this study is to introduce numerical simulation into adhesive development. By performing numerical simulations of adhesive application and obtaining information on high-speed application by curtain coating and the occurrence of the pinhole, it is possible to develop adhesives for curtain coating, reducing the required cost and period. Assuming that the adhesives is a non-Newtonian fluid exhibiting share-thinning, the phenomena occurring of a pinhole are divided into the following processes, and numerical calculations are performed:
・Air bubbles are mixed in the coating film in the step of applying the adhesive.
・With the bubbles as nuclei, fine pinholes are formed on the coating film and grow.
To evaluate reproducibility of the simulations, we calculated these processes with OpenFOAM, which is the simulation library including the solver for multiphase flow.
This research consists of the following contents. In Chapter 2, we simulated the growth of a pinhole on the coating film in order to confirm the reproducibility of the phenomenon involving the movement of the three-phase contact line by the VOF method attached to OpenFOAM. As a result, we obtained a state in which the contact line receded and the pinhole grew. Comparing the results with coating experiment, it was found that a pinhole growth can be reproduced by introducing a dynamic contact angle model of the contact angle using the receding angle. Using the numerical simulation, the relationship between the growth rate of pinholes and the physical properties of the adhesive was investigated, and it was found that the growth rate was proportional to the surface tension of the adhesive and inversely proportional to the viscosity. Furthermore, it was found that the growth rate was proportional to the third power of the receding angle when the angle was smaller than 30 degree. This is consistent with the relationship between the growth rates reported in the previous studies, indicating that the reported growth rate equation can be used by using the receding angle for the adhesive.
In Chapter 3, we simulated curtain coating for two-dimensions to investigate the incorporation of air bubbles into the coating film. The coated window representing the shape of the curtain was reproduced, and it was investigated whether air entrainment causing air bubbles could be observed by the VOF method. And the steady-state three-phase contact line we obtained was compared with previous studies to examine the reproducibility of curtain coating by the VOF method. As a result, curtain shapes such as heel formation and air entrainment could be reproduced by changing the viscosity, application amount, and application speed of the liquid. And the steady-state three-phase contact line we obtained was compared with previous studies to examine the reproducibility of curtain coating by the VOF method. As a result, we obtained curtain shapes such as heel formation and air entrainment by changing the viscosity, application amount, and application speed of the liquid. As a result of reproducing the coating window using these results, the results almost agreed with those of the previous studies. The location of the three-phase contact line in the steady state results generally agreed with the relationships reported in existing studies. These results indicate that curtain coating can be reproduced using the VOF method.
In Chapter 4, we attempted a three-dimensional numerical simulation of curtain coating to investigate if air entrainment could be reproduced. First, we create a three-dimensional calculation model by extending the two-dimensional calculation model, and it was examined whether air entrainment in the coating window could be observed. Next, we make a three-dimensional calculation model with a curtain guide was created, and it was similarly investigated whether air entrainment could be observed. As a result, four curtain shapes including the air entrainment were obtained. When the coating window was reproduced using these results, the distribution substantially agreed with the distribution obtained by the two-dimensional calculation. Air entrainment was also observed in the model with the curtain guide. From this, it was suggested that it is possible to reproduce air bubbles in the coating film using the three-dimensional calculation model created in this study.
This study made it possible to predict the growth of pinholes on the coating film surface from the viscosity of the adhesive, surface tension, and wettability. Also, using the numerical simulation model created this time, a numerical experiment of air entrainment became possible. These achievements enable the development of adhesives using numerical experiments, and are expected to contribute to reducing the cost and period required for development.

この論文で使われている画像