電噴射涂敷的設備及其方法

專利名稱：：電噴射涂敷的設備及其方法
技術領域：
：本發明涉及一種涂敷連續基底的裝置，及出于同一思路，還涉及一種將涂敷材料電噴射(dectrlspraycng)在基底上的設備和方法。通常，用噴頭獲得靜電涂層，噴頭產生的液珠大約在10-50μm的范圍內。其目的往往是為產生一個數十到數百微米厚的均勻涂層。關于這些涂層，一些液珠落在另一些已在基底上的液珠的頂上，匯集形成一層均勻涂層。在常規靜電噴射方法中，液珠由液體產生，在電應力(electricalstress)之下將液珠從應力點(pointofstress)散開。許多靜電噴射工藝通過首先從每個最大電應力點產生一種液束(liquidfilament)而產生液珠。當靜電噴射工藝以此種流束方式運作時，該運作可進一步根據液體的各個流束的流率進行分類。在流率很低時，出現電噴涂模式。在電噴射模式下，流束從液體錐形發射，如果液體錐形與一個固定構件，諸如針尖或其它物體相連接，錐形和流束在空間的位置可以是固定的。在電噴射模式中，相信有Rayleigh毛細現象或流束斷裂現象發生，使流束頂部斷裂，變成細小的液珠霧。當增加流束的流率時，就達到這樣一種流率，在錐形頂端開始呈現半透明，而液體錐形的基底仍保持較不透明。一般這只能用光學放大鏡才看得到，例如用高差儀觀察液體錐形和流束。這種流率標志著開始了流束以已知的諧振噴射模式工作的流率范圍。如果在諧振噴射模式增加流束的流率，流束的直徑看起來如象變大些。最后，當流率進一步增加時，錐形頂部的透明度開始逐漸消失，當流率再增加時，流束變得十分長，直徑相當大。這種錐形物頂部的透明度開始消失的流率標志著高流率模式的開始。總之，當靜電噴射工藝運作于流束方式時，根據流率，它可被分成低于、處于或高于出現單一流束的諧振噴射模式的三類運作方式。對于某一給定的液體，實際的諧振噴射模式的流率范圍取決于液體的性質，特別是電導率。大多數用于涂敷的液體，其電導率的范圍在0.1-1000微西/米(10-7-10-3S/M)之間。對這個電導率范圍，當流束的流率達到大約0.1-1毫升/小時(ml/hr)，導電最好的液體就開始諧振噴涂，對于那些導電性最差的直到流束的流率達到大約10-100ml/hr才呈現諧振噴涂模式。Sample和Bollini(JournalofColloidandInetrfaceScienceVol.41，1972，pp185-193)介紹了諧振噴射過程，并指出在過程之開始，受到電作用的液體首先變得細長。然后，液體形成一錐形，然后從錐形的頂部發展成一個液體流束。液體被拉伸或拉長，最后液體流束與錐形的基部斷開。最后一步過程產生一個自由液體流束和一個錐形的液體，該流束由于表面張力而變成一顆液珠，該錐形的液體，由于表面張力企圖舒張回到其原來的狀態。然而，在錐形舒張過程中，所施加的電應力開始了諧振噴射的另一過程。當用光學放大觀察時，看到此錐形好似一個位于一個部分透明錐形的內部不透明的半圓，帶有一個空間位置幾乎固定的流束。該錐形物之所以透明是由于在部分時間內，在那個空間實際上沒有東西存在，因為液體的流束斷開之后，液體在舒張返回，如Sample和Bollini的提議，如果仔細控制出現電諧振噴射的液體總量，那么從流束所產生的液珠的大小可以十分接近一致。當流率增加超過發生諧振噴射的范圍時，流束的長度加長，Rayleigh毛細作用(或流束)開始不穩定，變成使流束斷成液珠的機理。在流率更大的情況下，產生長的流束和大的液珠。在常規的靜電霧化(原子化)方法中，一般將流率控制在諧振噴射模式，或較大的流量模式。然而，流率太大只能產生液體流層。按常規的靜電噴射，無須特別留心就能保證液珠的直徑一致。然而，由于電應力相當穩定，所產生的液珠大小分布比大多數非靜電噴射裝置的大小分布更緊密。如果將一常規靜電噴頭的流率降低至諧振噴射模式以下，而待涂敷的物體的速度保持不變，涂層的厚度就變薄，以至在流率十分低時，涂層就失去了均勻性。精密的測試表明，當某些流束以電諧振噴射或脈動模式形成時，另一些流束開始由流體錐形物(在空間上暫時固定)生成。雖然這種液體錐形物和液體流束成為暫時固定的，但液珠一直由流束尖端產生。液體流束的內部有射流，而對于某些流率范圍，流束是不穩定的。然后，由于Rayleigh毛細作用和流束的不穩定性，使流束尖端斷裂，形成液珠，在此種小流率下，所產生的流束和液珠，與大流率模式下所產生的流束和液珠相比，其直徑十分細小。對于用在工業涂層的液體而言，這種小流率范圍一般出現在低于大約0.1-100毫升/小時·流束，依流體性質而異。這種小流率模式被稱為電噴射模式。電噴射涂敷模式產生的液珠，其直徑均勻，即尺寸分布窄，在1-50μm范圍內，依液體性質、加在液體上的電勢以及流率而異。而大流率模式產生的液珠，其直徑一般為50μm，電噴射模式產生細霧。一般來說，可以確定靜電原子化或從流束的靜電噴射包括電噴射模式、諧振噴射模式以及大流量模式。僅當要求流率很低時，例如為產生薄的涂層時，才采用電噴射模式。美國專利US-2，695，002(Miller)描述了靜電葉片的使用，教導了液體在葉片邊緣的霧化。后來，該發明人公開了一幅意欲產生從葉片頂端發射間隔均勻的液體流束的圖片(ElectrostaticsanditsApplications，1973，pp255-258)。這些流束被設計用以產生細小液珠的霧，葉片被做為一種產生一簇流束的手段而公開，該流束工作于電噴射模式和諧振模式。不管這些公開的內容，本領域的技術人員也可以很快知道這些流束往往會過一段時間發生晃動和移動。的確，很難保持這些流束在空間上暫時固定不變。而且，兩個相鄰的流束可能移開，導致局部原子化的輕霧減少。同樣，兩個相鄰的流束也可以移近，導致局部原子化輕霧的暫時增加。當將該輕霧加到基底上時，可能分別引起涂層厚度的減薄或加厚。本發明涉及一種靜電噴射工藝，該工藝不同于許多多少年來采用的制造相當厚的，如數十至數百微米的涂層的常規靜電工藝。本發明可以用來制造均勻的涂層，該涂層根據要求可以是連續的，也可以是不連續的，厚度大約為十幾和數十微米。本發明可以以穩定狀態工作于電噴射范圍。該電噴射范圍涉及一個可以產生一個單一的液體流束，并控制其以產生一均勻噴射霧的有限流量范圍。那么，總流率就是所產生的各個流束的流率之和。電噴范圍對產生霧是有用的，可以用于生產一個薄膜涂層。然而，為了涂層的均勻，這些霧必須是均勻的，這就要求流束在空間上暫時固定。近來許多專利工藝都致力于開發滿足這些準則的噴射頭。近來的專利工藝還試圖從固定數量的點，如針狀物和齒狀物引發噴射，固定流束的數目。例如，美國專利US-4，748，043(Seaver等人)公開了使用低密度的一組的針狀物，產生一組所需的流束，按一種電噴射涂敷工藝涂敷很薄的涂層。美國專利US-4，846，407(Coffee等人)公開了沿葉片安排一組尖點狀突出物，類似牙齒狀，以克服流束的移動問題。美國專利US-4，788，016(Colclough等人)公開了帶有突齒的非導電葉片，而美國專利US-4，749，125(Escallin等人)公開了具有類似齒狀結構(有鈍的，有尖的)的填隙處。這些裝置確實固定了流束的數目，同時嚴格地限制了涂層的范圍，無須機械改變涂敷頭即可達到目的。而且，所制造的帶有固定點狀物的裝置，在一定電壓下，當在一具點狀物處開始出現多根流束，而在一相鄰的點出現單個流束時，可以導致喪失霧的均勻性。本發明提供一種用于電噴射涂敷工藝的電噴射涂敷頭系統。簡而言之，涂敷頭系統包括一個計量部分，用于將液體分配到下部成形裝置，而下部成形裝置在其周圍產生一單個連續的、曲率半徑基本上恒定的計量液體，以使從下部成形裝置延伸的液體流束的數目和位置隨著加在下部成形裝置周圍的液體表面上的電勢幅度而變化。在某一特定的電勢下，液體流束在空間上暫時固定，以允許產生高荷電的液珠均勻的霧。本發明還提供一種可變地控制用于電噴射涂敷層工藝的液體均勻發射的方法。簡而言之，該方法包括下列步驟提供一個計量部分，用于將液體分配到下部成形裝置;確定下部成形裝置的位置，該下部成形裝置在其周圍產生一單一連續的、曲率半徑基本上恒定的計量液體，以使從下部成形裝置延伸的液體的數目和位置隨施加于下部成形裝置周圍的液體表面上的電勢幅度而變化;以及調節施加于液體表面的電勢，以使一特定電勢產生所要求的數目和位置的流束。在某一特定的電勢下，該液體流束在空間上暫時是固定的，允許產生高荷電液珠均勻的霧。最后，該方法進一步包括將霧流導向可移動的基底上的選定的沉積位置的步驟。參照附圖對本發明做進一步解釋。圖1是一個噴射頭組件的端剖視圖，該組件包括計量裝置，用以產生一個液體簾和在下部成形裝置周圍產生局部曲率半徑均勻的液體。圖2是延伸到并環繞下部成形裝置的液體的透視圖。圖3是一個噴射頭組件的端剖視圖，包括計量裝置，用以產生一液體簾和在下部成形裝置周圍產生曲率半徑連續、恒定的液體。圖4是類似于圖1所示的噴射頭組件在把細霧液珠噴射到基底上的過程中的側視圖。圖5是一個下部成形裝置的放大剖視圖，其第一部分用以接收液體，而第二部分用以產生一連續、恒定的曲率半徑。圖6是噴射頭組件的分解組合的電氣原理圖。圖7是表示流束/米和外加電壓作用之間比例關系的曲線圖。圖8是用本發明的電噴射裝置產生有涂層的基底的電噴射工藝原理圖。這些圖未按比例繪制，僅意在解釋，而不是限制。本發明涉及一種向基底有效地施加涂層的電噴射涂敷工藝。靜電噴射是使用電場產生并作用于待涂敷材料的帶電液珠，以便控制材料的應用，同時，一般是用重涂敷材料進行的，如零件的涂料噴射。在本發明中，電噴射是指從一構件噴射很細的液珠，并借助電場的作用，將這些均勻的液珠霧引向基底。本發明中所稱的涂層包括在作為底層材料的基底上的選定材料的薄膜、低附著的背膠料，釋放涂層(releasecoatings)、潤滑劑、粘合劑及其它材料。在某些情況下，只要求幾個單分子層的材料。美國專利US-4，748，043公開了一種以各種厚度施加這種涂層的裝置。精確均勻地在基底上施加任何所需厚度涂層的非接觸方法，當運作于單頭結構時，厚度可小于微米級，當運作于多頭結構時，厚度可達數百微米。本發明的目的在于產生材料的霧，并控制該霧均勻地施加到基底上，為基底提供該材料的受控薄膜涂層。更具體地講，本發明的一個目的在于提供一種電噴射涂敷頭，該頭可產生一組液體流束，并保持其在空間上暫時固定，以備獲得均勻涂層。本發明的再一個目的在于提供一種電噴射涂敷頭，該頭允許液珠霧的密度隨產生霧密度所需的流束的數目和位置的變化而改變，而無須改變噴頭的機械尺寸或零部件。本發明的又一個目的在于提供一種電噴射頭，該頭允許借助簡單調節外加電壓改變流束的數目和位置。待電噴射的液體最好具有使工藝最佳化的某些物理特性。電導率應介于10-7和10-3S/M之間。若電導率比10-3S/M大得多，則電噴射的液體流率變得太低，對大多數涂層應用不實用。若電導率遠低于10-7S/M，該液體不利于電噴射。待電噴射的液體的表面張力(其在空氣中，在大氣壓力下)低于65毫牛/米較佳，最好低于50毫牛/米。若表面張力太高，圍繞液體錐形尖頂的空氣會出現電暈。這會引起電噴射失控，并引起電火花。使用不同于空氣的一種氣體，根據所用氣體的擊穿強度會改變所允許的最大表面張力。同樣，還可以改變壓力(不同于大氣壓)和使用惰性氣體，以防止液珠在到達基底之前相互作用。將電噴射產生器置于一腔體內，并將固化臺也放在此腔體內，即可達到此目的。也可使用反應氣體，以引起所需要的與液體流束或液珠的反應。液體的粘度必須低于幾千毫帕一秒，最好低于幾百毫帕一秒。若粘度太高，流束不會間斷，形不成均勻的液珠。介電常數和電導率限定了液體電弛張特性。然而，因為電導率可在寬范圍上調節，故認為介電常數不那么重要。本發明的電噴射工藝和現有技術相比具有許多優點。因為涂層只用很小或不用溶劑即可涂敷，因此，不需要大的干燥爐，并節省費用，幾乎沒有污染和環境問題。實際在本發明中，所用的少量溶劑是快速干燥的(一般只需要固化涂層)，因而可在單一工藝線中得到多個涂層。而且，便于只在多孔基底一側進行涂敷，因為僅有很少或沒有溶劑能滲透到另一側去。如果需要，可加入添加組分，按要求調節電噴射的性質。例如，可加入甲醇使待涂敷材料增加電導率和/或降低粘度。還可加入甲苯降低待涂敷材料的粘度。此外，可加入活性劑作為溶劑，并為最終的涂層帶來所要求的特性。參照圖1，電噴射涂敷頭系統10的一個實施例包括將液體13分配給下部成形裝置15的計量部分11。將下部成形裝置15設計成能在第一部分32接收溶體13，并環繞著下部成形裝置的第2部分33產生單一連續的被計量的液體13，其曲率半徑基本上恒定。這就允許在系統10電運作期間從下部成形裝置15的第二部分33延伸的液體流束的數目和位置是選擇可變的。通過調節施加于下部成形裝置15周圍的液體13的表面的電勢，即可獲得不同的特性。還有下部成形裝置第二部分33將液體成形，以便在某一特定的電勢下，在空間上暫時固定液體流束，允許產生均勻高荷電的液珠霧。雖然下部成形裝置可以包括不同形狀的零件，或另一零件的一部分，下部形形裝置的形狀最好包括一個截面為環狀或近似環狀的細長線狀零件。參照圖1和圖5，下部成形裝置15最好包括從計量部分11接收液體13的第一部分32和產生一連續、恒定的曲率半徑的第二部分33。在圖1的實施方案中，計量部分11包括一個帶有由腔壁17限定的液體存儲腔的細長的管16，用于接收液體13，然后在壓力下經過由壁21限定的狹窄縫隙20分配液體。然后，液體13從沿計量部分的長度方向延伸的外端孔22流出。液體13流向位于計量部分之下的下部成形裝置15。下部成形裝置15可用導體、半導體或絕緣材料制作。一種優選的下部成形裝置是由如不銹鋼這類導電材料制作的，允許簡單地連接到高壓電源上，還允許簡單地安排環繞下部成形裝置15的液體表面上的電荷，特別是易于沿圖2所示的A-A′線段布置。參照圖1和圖2，液體13最好從計量部分11以小流率經縫隙20流出。然后，在計量部分11和下部成形裝置15的第一部分32之間形成水簾27。考慮其它的到高壓電源的連接法。例如，當一高壓電源與一導電配件(如液體饋給配件23)相連接時，如圖1所示，再利用液體的電導率將電荷傳給下部成形裝置15周圍的液體表面。在公開于圖3的噴射頭系統的實施方案中，計量裝置11包括一個固定的上部分28和一個可移動、可替換的下部分30，以更方便地重新裝配帶有不同寬度的縫隙20和出口22的噴射頭系統。在本發明的范疇之內關注等價于縫隙20的結構，并介紹如下。在圖1所示的計量裝置11內使用縫隙20，使得液體13沿下部成形裝置15的第二部分33的長度方向均勻分布。在下部成形裝置15上的液體周圍建立起一個電勢，以便產生高荷電的均勻液珠霧，如圖4液珠34所代表的。然而，首先，當將高壓施加于下部成形裝置15上的液體時，則建立起一個電場，使下部成形裝置15第二部33的液體受到作用，如圖4和圖5所示，更具體地就是沿圖2和圖5所示的A-A′線段。在零電壓或低電壓時，有少數的間隔不規則的半圓形水滴慢慢鼓起，并靠自身之重力脫離下部成形裝置。然而，在較高的電壓下，液體13沿著下部成形裝置15的A-A′線段形成間隔均勻的一組錐形39，如圖4所示。每個錐形39從其尖端部發射液體流束40。隨著外加電壓的增大，流束的數目可以增多。對于給定的進入電噴射涂敷頭系統10的總流率，調節電壓，可產生足夠多的流束40，使得各個流束的流率處于電噴射范圍內。當流束運作于電噴射范圍時，流束40的尖端部斷裂，變成一連串的細小的帶電液，在電場作用下，奔向移動著的基底43。上述關于控制從一平滑均勻的性直表面噴出液珠的圖形之種種努力未能防止形成不希望的流束，也未能防止流束的移動或晃動。當使用電場時從平滑的液體表面建立一組流束的機理尚不十分清楚。然而，Mitterauer在1987的IEEETransactiononPlasmaSci-enceVol.PS-15，pp593-598，把從縫隙發射的液體當做半圓柱形處理，這種半圓柱形因沿其圓柱形軸的液體表面有一定的擾動而不穩定。Mitterauer的理論包括，流束間的距離與液體圓柱形的半徑有關。可惜，雖然在電噴射裝置中觀察到了此種現象，實際上流束的位移還是存在。例如，建立一個類似于圖1所示的導電計量裝置11，但沒有成形裝置。當液體13被擠入縫隙20的出口時，液體形成一段圓柱，懸于縫隙20的出口處。當電應力施加于懸掛著的圓柱段液體表面時，沿著液體圓柱出現一組幾乎等間隔的流束。然而，流束總是漂忽不定。即使調節液體流量，打磨計量裝置11，改變曲壁21所限定的縫隙的大小似乎總是暫時停止液體流束的位移，不出數十秒，就有一個或多個流束開始離開它原來的位置。將液體與液體圓柱段任何一側的計量裝置11相接觸的線稱為接觸線。在這些實驗中，有時觀察到液體在接觸線上沿著各個液點有很輕微的移動。好像液體總是沿接觸線進入一點，引起一個超前的接觸角，而在另一些時候，液體好像滯后于所說的點，導致一個滯后接觸角。然而，對于潤濕的動力學分析指出，滯后和超前接觸角是不同的。所以，結論是液體與結構連接的局部角是沿接觸線變化的，引起局部曲率半徑沿液體與縫隙或發射結構連接的圓柱的變化。當采用Mitterauer理論時，粘度尚有待解釋，為什么流束總是偶然位移。即，如果半徑有局部變化，那么所形成的各流束間的間距也會沿液體圓柱變化。一旦由流束建立液流，則將從該局部區域形成更多的液體，而相鄰的區域就會失去液體。液體的丟失導致局部動態接觸角滯后。接觸角滯后又影響相鄰的曲率半徑。局部液流與相鄰(局部)動態接觸角的相互作用影響相鄰的(局部)曲率半徑，并導致不希望的流束的位移，如流束40。在另一例中，葉片狀發射構件上的液體的特性幾乎類同。若液體從葉片兩邊相向下流動，那么液體薄層的不穩定性可沿兩條液流路徑發展。看來薄層的不穩定性類似于波浪對海岸的移動。波表面沿葉片的變化引起液體在葉片尖端的曲率半徑的變化。因為液體在葉片尖端的曲率半徑限定了各流束間的間距，曲率半徑變化產生一種新的流束間的間距。結果，當液體薄層的不穩定性達到葉片尖端時，它將引起每單位長度的流束的數目的改變。另一方面，若讓液體只從葉片的一側向下流動，那么液體會纏繞葉片尖端，并在葉后的另一側形成接觸線。對這種情況，液層的不穩定性和局部接觸角都影響局部液體的曲率半徑。因而這些結論意味著縫隙和葉片裝置不能靠自身維持流束在空間上暫時地固定。在上述公開之前尚沒有公認的技術原因，能解釋縫隙、葉片或其它發射結構上流束的位移。在某些方面，這可以解釋為解決流束控制問題所做的其它努力的結構上的缺陷，如為了減少過多的流束的出現使用毛細管或單獨的齒狀物。這些齒狀手段使沿噴射頭長度出現的流束的數目固定為每個齒狀物一個。齒狀物也存在另一些問題，因為眾所周知，在一個突出點處流束的數目會隨超過某些特定電壓的外加電壓的增加而增多。所以，當使用齒狀物時，弛張電場隨齒狀物的銳度驚人地增大。如果齒狀物不是以同樣精心控制的曲率半徑一個一個地制造的，那么在給定電壓下，在一個齒狀物上可以出現多個流束，而在相鄰的齒狀物上只能出現單個流束。這進一步的教導遠離了本發明的原理，本發明公開了穩定自然發生的不穩定性的技術，消除不希望的沿平滑發射表面的流束位移。穩定化的結果是液體流束的均勻分布，有助于電噴射涂層的均勻實施。所以，如果使用齒狀物，這就嚴格地限制了在發射表面的單位長度內可能存在的流束的數目。另一方面，在本發明中，可以使用外加電壓，以便快速、便利地改變流束的數目，以滿足所需的涂層要求。本發明成功地使液體的曲率半徑得以穩定，亦因而使每個流束的瞬時位置得以穩定。用繪于圖1-圖6和圖8的結構概念，使局部液體的曲率半徑變成與系統中發生的潤濕(wetting)線不穩定性或任何其它液體擾動無關。圖5是用微量液體13進行涂敷的下部成形裝置15的剖視圖。在此例中，液體在第二部分33的曲率半徑是線半徑r′加上液體33的厚度r″。雖然由計量部分發出的液體13可能一直有液體內的波動，下部成形裝置15的第二部分33和厚度為r″的薄液體層現在限定了液體的局部曲率半徑。實質上，下部成形裝置15減輕了薄液體的波動，并保持液體的曲率半徑在圖2所示的A-A′線段上基本恒定，該線段繪出了優選的電應力最大的線段。采用圖1所示的本發明的結構實施方案，一個塑料的管狀計量部分11具有一個沿底部切開的縫隙20。下部成形裝置15含有一個懸于縫隙下面的線。緊靠著所說的線，在基本上相同的水平面上懸掛分離棒54。縫隙長度為110mm，寬度為0.610mm，高度為10.15mm。線徑為2.06mm位于地平面之上105mm。分離棒直徑均為16mm，位于線兩側距離為50mm處。具有這種機械結構的電噴射涂敷頭系統10，縫隙20的下端22與下部成形裝置15之間的距離大約是1mm。這就允許下部成形裝置15易于被液體13均勻地沾潤。在大約為10，000V的啟動電壓下，所產生的圖4所示的液體流束40，其數目有變化，并出現位移。然而，當外加電壓再提高5000V時，流束穩定住，其間隔一致，空間位置固定。然后將電壓從15，000V增至19，000V時，每米的流束數目均勻地從262增至459。這說明可穩定地控制每單位長度的流束，證明了一種易于調節的控制每單位長度流束數目的方法。雖然下部成形裝置15的每單位長度的流束數目最好通過調節外加電壓來控制，而該數目可能多少還受數種其它條件影響。這些其它條件包括下部成形裝置與分離棒54間之距離、下部成形裝置與基底43及與之相鄰的地面52間的距離，被分配的液體13的粘度、電導率、介電常數、表面張力、以及液體13環繞下部成形裝置15的流率。一般，溶液越粘，要求下部成形裝置15的第二部分33的直徑越大，以達到沿線的穩定流束。在電噴射涂敷頭系統的另一實施方案中，一個普通三角形不導電的塑料計量部分11具有一個由下面懸掛的金屬線組成的導電的下部成形裝置15，如圖3所示。設置導電的構件如圖1、圖6和圖8所示的分離棒54或板(可能是平的或是彎曲的)是為了給下部成形裝置建立一個電場。根據高壓電源，如圖6和圖8所示的電源57的設定，導電的構件54可以具有與下部成形裝置15不同的電勢。導電分離棒54可平行于下部成形裝置15放置，也可有與此不同的各中設置，盡管使用下面例1公開的元件尺寸，大約50mm的距離是起作用的。一般承認，不平行地放置棒54會產生非均勻的涂層，但在某些情況下，可能也會需要這種結果。分離棒54用一選擇開關51或與一高壓電源58連接，或與地線68連接，以消除圖6中的選擇方案。將一電勢57施加于下部成形裝置15和分離棒54之間，以在結構間建立所要求的電場。最好沿A-A′線段施加最大電應力。加電場使液體13受力形成一組流束40，具體如圖4所示。當每個流束的液體流率處于電噴射范圍時，在這些液體流束尖端出現Raileigh噴射間斷，引起細液珠霧34產生。本發明所公開的技術特別有益于少含或不含溶劑的工藝和涂層。然而，如果發生溶劑從每個液珠蒸發掉，則液珠35可進一步減小。當這些現象發生時，認為液珠上的電荷在某些點會超過Raileigh電荷限，液珠將分裂成為數個高荷電且穩定的較小的液珠。經過數次連續分裂，產生直徑很小的溶質液滴。總之，液珠34均可被電場引導和控制，淀積在位于電噴射涂敷頭系統10下方的基底43的表面上。根據液體的特性和運作條件，在基底43的表面會出現電噴射液珠34的蔓延，而得到大體上連續的表面涂層。若蔓延受阻，也會出現不連續的島狀涂層。圖6表明分析電噴射工藝的示意電路，其中的Faraday杯結構66代替了圖4所示的基底43和地平面52。分離棒54懸浮于下部成形裝置15的同一水平面，且與之分開。下面對圖6做進一步討論。圖8表明使用噴射頭10涂敷一基底43的方法。基底43按需要可以是平滑的或是粗糙的，在本例中的薄帶形式，基底43被卷繞在一個接地的大鼓72上。卷繞位于鼓周邊的合適部分，容許鼓72對各不相同的電勢起公共參考點的作用。基底43(假定為非導體)在一充電裝置(如電暈管80)下移動，將一種極性的離子83電積在基底43上。每單位面積上的電荷借助靜電伏特計86間接測量基底上的電壓。然后使基底在噴射頭10下移動，由噴射頭10產生液霧。液霧34必須用電源57使其帶電，其極性與電暈管80使基底43所帶的電荷極性相反。然后，在由圍繞下部成形裝置15的液體上的電壓與靜電伏特計測得的基底43表面上的電壓間的電勢差所建立的電場作用下，使液霧34淀積在基底43上。正如電噴射
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的專業人員可以理解的，對基底施加不同的電勢會產生不同的液體淀積圖案。同分離電極54的電壓與靜電伏特計86測得的基底表面電壓間的電勢差也有助于把霧34淀積在基底43上。因為霧34的電荷與電暈管施放給基底43的離子極性相反，在涂敷后，基底上的電荷將減少。如果由霧34淀積的電荷總數大于由電暈管80淀積的電荷總數，那么，基底獲得與霧相同的極性，基底會排斥霧的進一步淀積，結果將使涂層厚度失控。為確保基底不接受過量的來自霧的電荷，在涂敷后再用靜電伏特計90測量該電荷。更希望在涂敷后，基底不有其表面留有任何電荷。這可用另一臺充電裝置(如電暈管93)來達到目的。給基底淀積與液珠極性相同的足量的電荷，使基底43上的凈電荷降回至零。這可通過調節連到電暈管93上的電源(未示出)來實現，直至靜電伏特計指示為零。然后，將基底43送至后續工序，諸如加熱和/或固化，產生所希望的薄膜涂層。根據所要求的涂層性質和液體的特性，進行加熱可以促進或阻止淀積后的液體在基底上的流動。當基底43或其表面為導體，并適當地接地時，則不需要電暈管80和電暈管93這樣的充電裝置。再參照圖4，因為液體13有沿計量部分11的表面和下部成形裝置15的表面流動的趨勢(由于毛細作用)，因而簾27的邊緣以及液珠34薄層的端部，與中心部分相比，可能是不均勻的。在某些情況下，最好提供一個或多個端點形成的構件，以潤濕線固定，以獲得更均勻的邊緣。這種結構的例子包括計量部分11的有切口的或平截的邊緣77和擋板98(即，纏繞在下部成形裝置15周圍的一根細絲或流束)。一般來說，平截的邊緣比擋板更好，因為擋板一般更可能使外側流束的流率比處于較中心的流束的流率大。因為分離棒54允許噴射頭10以低于它們所需要但不是必須的電壓運作。例如，參照圖2、圖5、圖6及圖8，如果沒有分離棒54，噴射頭10仍能在增大電源57的電壓的情況下起作用，沿著線段A-A′產生與存在分離棒54時所建立的相同的電應力。下面的說明例在于說明本發明所使用的噴射工藝的概念，以不同的厚度涂敷各種材料。除非另有說明，所有液體中的組成的量均以重量計算。實施例1本實施例表明外加電壓對用電噴射涂敷頭系統10在每米所形成的流束數目的作用。所用的溶液是丙烯酸硅樹脂，其組成在同時待審的專利申請(No.07/672，386)中有描述，題目為RadiationCurablevinyl/SiliconeReleaseCoating，申請日為1991.3.20。溶液按72.5份(重量)的丙烯酸異辛酯、10份二丙烯酸己二醇酯、7.5份的三羥甲基丙烷三(β-丙烯氧丙酸酯)、5份的丙烯酸以及1.5份的5000克分子重量的丙烯酰氨酰胺硅氧烷混合制備。對此再加2份(重量)DAROCURE1173，2-羥-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮，CibaGeigy的游離基UV引發劑和5份的甲醇。與電噴射有關的溶液物理性質是電導率為1.5μs/m，粘度為6mPa-s，介電常數為11.6，以及表面張力為24.5mN/m。采用類似于圖1所示的電噴射涂敷頭系統10，該系統包括一個具有沿底部切開的縫隙的塑料管，懸在縫隙下面的一根線以及與線平行并懸浮于同一水平面的分離棒。縫隙的長度為110mm，寬度為0.610mm，高度為10.15mm。線徑為2.06mm，其位置高于地平面105mm。分離棒的直徑均為16mm，放置在線的兩側，與該線的距離h為50mm，如圖6所示。電噴射涂敷頭系統10裝配在一個大的金屬平底盤66上面，如圖6的電路示意圖所示。底盤放在6.4mm的有機玻璃板上，與地絕緣。將一個Keithley485型微微安培計串接于底盤與地之間。這就允許底盤當作一個Faraday杯使用，并在線15周圍的液體和底盤66之間建立一個電場通路E。將一個負20KVGlassmanPS/WG-20N15-DM型電源連到該線。分離電極54保持地電位。以各種不同的電位計算流束。結果如圖7曲線中數據點所示。應當理解可運作于任意所需的極性。通過對沿線的流束計數，再除以含有流束的線長度，得到流束密度。每米的流束粗略正比于大約為外加電壓的平方的一個函數，此關系如曲線圖中實線70所示。接近首先導致流束不穩定性的電壓(在10.000V附近)，流束的數目就變化，并來回晃動。在附加的5000V范圍內，流束已穩定，一般間距均勻一致，空間上固定。將電壓增至15000V以上就可以使流束的數目得到控制。穩定后的流束的數據點與預定每米的流束數目和一個近似為外加電壓平方的函數之間的線性關系的曲線符合得很好。美國專利US-4，748，043教導，每種液體有它特定的流量范圍，只有在這個流量范圍，在電噴射運作中才出現穩定的單個流束。在一針或齒型電噴射頭中，每單位長度的流束數目由這些齒狀凸起物的數目確定。然而，對于本發明，系統的流率范圍不受這種限制，只要簡單地調節電平，即可很容易地控制每單位長度的流束數目。所以，對許多液體，當以電噴射模式從一平滑表面產生流束時，其噴射的流率范圍的高端比從針或尖齒狀結構形成的流束的相同液體要高出一倍或一倍以上。實施例2本實施例介紹縫隙和線電噴射涂敷工藝的使用，淀積溶液，在粗糙表面上形成6-9μm厚的涂層。將90份(重量)的環脂族環氧(UnionCarbide的商品名為ERL-4221)與10份的二丙烯酸己二醇(由SartomerInc，Exton.PA.制造的商品名為SR-238)混合，再加0.25份的2，2二甲基-2-苯基苯乙酮，一種深固化光致引發劑(商品名IRGOCURE651，Ciba-Geigy制)以及0.25份的環戊二烯基枯烯鐵Ⅱ六氟化磷，一種可見光固化光致引發劑(商品名IRGOCURE261，Ciba-Geigy制)，再用甲苯(CatalogNo.32，055-2AldrichMilwaukee，WI產)稀釋到85%(純質重量)，來制備供涂敷的溶液。適宜于電噴射該溶液的物理性質是電導率為70μs/m，粘度為29mPa-s，介電常數為11，以及表面張力為27mN/m。用Sage355型注射泵(SageInstruments，Cambridge，MA，出售)將該溶液引進電噴射涂敷頭系統10。縫隙具有均勻的寬度約610μm，長度為102mm。將+19.5KV的高壓施加給金屬線，再將+6KV施加給分離棒。分離棒的直徑為6mm，距金屬線25mm。金屬線直徑為3.2mm，在縫隙下大約2mm，而高于傳送機械的薄膜表面90mm。傳送機械包括一個在移動的金屬帶頂上的非導電薄帶。樣品薄片或成卷材料應當放在或輸送到這個帶加上載體的薄帶傳送構件上。金屬帶保持地電位。將一卷76μm厚的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜用樹脂涂敷，然后松散地浸漬一薄層平均直徑為12μm的粒子。將102mm×914mm的材料帶添加到載體薄帶頂上，再送到傳送機構。用電暈充電器給帶材的粗糙表面充電，充到大約負2KV的電勢。薄帶的速度保持固定在6.1米/分鐘。使用兩個流率為295ml/hr和443ml/hr的泵。用進入計量部分的總泵流除以流束的總數目，得到每個流束的流率。當施加高電壓時，在位于縫隙下方的長度為95mm線上形成十條流束。每條流束的溶液流量為29.5ml/hr和44.3ml/hr，得到的涂層厚度分別為6μm和9μm。在此例中，粗線的使用導致每米105個流束。然后使涂敷過的帶材在中壓汞燈下通過，暴露于610J/m2的254mm紫外輻射之下。實施例3本實施例說明為使用粘合劑，如何采用此工藝在一平滑塑料膜上制造一薄的易舒張的涂敷的表面。用兩種溶液涂敷。第一種溶液是用下列市售的液體混合而制備的40份(重量)的環氧硅酮(商品名UV9300SolventlessUVReleasePolymer，GESilicones，adivisionofGeneralElectricCompanyofWaterford，NY產)，20份的1，4環己烷二甲基丁二烯醚(商品名Rapi-CureCHVEReactiveDiluent，GAFChemicalCorporationinWayne，NJ產)，15份的一氧化苧烯(AtochemofPhiladelpia，PA產)以及25份的食用級的α-苧烯(FloridaChemicalCo.Inc，LakeAlfred，FL產)。對此再加添3份(重量)碘鹽(商品名UV9310CPhotoinitiator，GESilicones產)。混合物定名為40/20/15/25+3。第二種溶液將上述液體按下列比值25/20/15/40+3配制。第一種溶液與電噴涂有關的物理性質是電導率為11μs/m，粘度為19mPa-s，介電常數為7.5，以及表面張力為24mN/m。第二種溶液與電噴涂有關的物理性質是電導率11μs/m，粘度為9mPa-s，介電常數為7.6以及表面張力為24mN/m。使用的電噴射涂敷頭系統10包括挖空的塑料塊，截面為三角形，類似于圖3所示，并帶有一個沿底邊切成的縫隙，以及懸在縫隙下方的線和平行于線懸浮在同一水平面的分離棒。縫隙長305mm，寬0.610mm，高19mm。線徑2.4mm，距縫隙2mm(對較粘的溶液)和1mm(對第二種，粘度小的溶液)。分離棒的直徑均為6.4mm，與線各邊的距離為25mm。用一個MicoPump7520-35型微型泵和一磁耦合傳動的泵頭(Colo-PalmerInstrumenCompany，Chicago，IL有售)、產品號分別為NO7520-35和A-07002-27，將待涂敷的溶液抽進電噴射涂敷頭系統10。用一個R60A型高壓直流電源(Hipotronics，Brewster，NY產)給線施加正25KV的高壓。分離棒接地。當待涂敷的膜表面經過自由旋轉的、直徑為610mm的導電金屬鼓72的表面時，如圖8所示，線高于膜表面90mm。本鍍膜臺可涂鍍成卷的塑料膜、紙或金屬箔。因而，預先運動著的輥組可作為承載帶，于其上能放置薄片樣品。該金屬鼓保持地電位。一卷305mm寬、36μm厚的PET膜可經鍍膜臺送進。給膜表面充電到大約負1.5KV的電位，以使膜與金屬鼓并使薄膜與承載帶精確定位。泵的流量保持恒定，從305mm長的縫隙流出5.5毫升/分。溶液使縫隙下方的線潤濕305mm。薄帶速度采用9.1、27.4和45.7米/分。在不同速度下產生的涂層厚度分別為2.0、0.7和0.4μm。然后將涂敷后的膜用熱和紫外光輻照，使涂層變為耐用的舒張的表面。將涂敷后的膜通過2.4米長的空氣沖擊爐，估計其熱傳導系數為62.8J/(sm2c)和125.5J/(sm2c)。對每種溶液，在爐內采用三種大氣溫度(對第一種溶液用35℃，42℃和60℃，對第二種溶液采用24℃，44℃和59℃)。在三種速度下，在爐內駐留時間為16、5.3和3.2秒。估計使涂敷后的膜達到爐溫的時間，對較低的熱傳導系數為3.2秒，對較高的熱傳導系數為1.6秒。然后使涂敷后的膜(分別以9.1、27.4和45.7米/分)通過一中壓汞汽燈，用880、290和180J/m2的254mm光輻照。隨后的固化涂層，以具有天然橡膠/樹脂粘合劑(No232ScotchTMMaskingTape，MinnesotaMiningandManufacturingCompany(3M)，St.Paul，MN產)或丙烯粘合劑(No.810ScotchTMMagicTMTape，3M產)的帶為背景，在65℃和50%的相對濕度下，加熱3天，進行老化。出爐至少4小時后，在溫度保持在22℃，相對濕度為50%的室內，在180℃，以2.286米/分，將帶與樣品分離。未觀察到再附著力的顯著衰減。對不同的環氧硅酮的濃度，在三種速度(9.1、27.4和45.7米/分，分別以A、B、C標示)下的薄帶的溫度，其舒張值是縮短實施涂敷步驟和涂層固化步驟之間的時間，便于利用熱量，以得到具有這些溶液組成的易舒張的特性。在此實驗當中，不對每米的流束數目計數，但在早先的使用形狀相同的頭的實驗中是計數的。例如，在早先的實驗中，當將正24KV的電壓施加于第一種溶液時，在縫隙下方的305mm線長度上大約形成90根流束。泵流量為5.5毫升/分，推測每個流束的溶液流率為3.7ml/hr。當把正22KV的電壓施加于第二種溶液時，大約形成80條流束。泵的流量為9.5毫升/分，推測每條流束的流率為7.1ml/hr。實施例4本實施例說明如何采用此工藝為使用粘合劑在一平滑塑料膜上制造一薄的易舒張的涂敷表面。涂敷的溶液與例3的第一種溶液相同，將溶液施加于一襯底的方法也與例3所述方法一致。將102mm×7.6mm的表面粗糙的玻璃墊帶浸漬樹脂，在背面涂敷粘合劑，用松弛地附著于305mm寬的涂敷硅酮的紙上，將其放在330mm寬的成卷的61μm厚的PET承載膜上，送進鍍膜臺。將粗糙的表面及裸露硅酮涂敷的紙充電到大約負1.5KV電位。從305mm長的縫隙泵出的流量保持恒定在5.5毫升/分。溶液使縫隙下方的330mm的線潤濕。薄帶速度恒定在15.2米/分。估計涂層厚度為1.2μm。將涂敷后的膜加熱并用紫外光照射，使涂層轉變成耐用的舒張表面。讓涂敷后的膜通過25mm高，356mm寬，1.83m長的風洞。一臺熱風鼓風機(6056型，Leister，Switzerland產)在噴嘴的出口空氣溫度為187℃，將空氣逆著薄帶移動方向吹進風洞。從風洞出來的空氣溫度為大約100℃，基于用一臺類似于MikronM90SeriesPortableIRThermometer，MikronInstrumentCompany，Inc.Wyckoff，NJ制的裝置對條件相同的聚脂膜進行紅外測量，估計從風洞出來的薄帶溫度大約為50℃。然后使涂敷后的膜通過中壓汞汽燈，用400J/m2的254mm光照射。當以位于涂敷后的襯底部的相同的天然橡膠/樹脂粘合劑為背景進行測試時，隨后固化的涂層呈現滿意的舒張和再附著特性。實施例5本實施例描述使用此工藝分配底層材料。將95份(重量)的二丙烯酸己二醇酯和5份的二苯甲酮(CatalogNo.B930-0，Aldrich制)混合，再添加甲醇(CatalogNo.17933-7，Aldrich產)，將此溶液稀釋到90%(重量)。適宜于電噴鍍的物理性質是電導率為2.6μs/m，粘度為9mPa-s，介電常數為10.1，表面張力為34.2mN/m。用Sage255型的注射泵，將溶液注入電噴射涂敷頭系統10。將電噴射涂敷頭系統10裝配在一個大的金屬平底盤66之上方，如圖6所示。縫隙的寬度410μm，長度76mm。用Hipotronics產的例3的高壓直流電源，給金屬線施加正24KV的電壓。線徑為1.7mm，位于縫隙下762μm，金屬盤上90mm。分離棒54直徑為6mm，距線25mm，并接地。當溶液流出縫隙時，涂敷一段89mm的線。當進入噴射頭的總流量從1.36增至13.56毫升/分時，所獲得的流束總數和每流束的流量如下。(A、B、C、D分別標示各流量)總流量總流束每流束的流量毫升／分(毫升／小時)流束A1.36126.8B1.97129.8C5.091127.8D13.56990.4當增加上述各流束的流率時，流束長度似乎變長些，在流束間斷成液珠前，流束直徑也大些。較低的兩個流率(A和B)處于電噴射范圍，而較高的兩個流率(C和D)則趨于或處于諧振噴射范圍。在不脫離本發明范疇和精神的前提下，本發明的各種改型和變更對本領域的技術人員而言是易于理解的。權利要求1.一種用于電噴射涂敷工藝的電噴射涂敷頭系統，其特征在于包括a)一個將液體分配給下部成形裝置的計量部分；和b)一個置于所說的計量部分下方的下部成形裝置，致使分配的液體從所說的計量部分流到所說的下部成形裝置以便環繞所說的下部成形裝置，所說的下部成形裝置建立起一層分配液體，該層液體環繞下部成形裝置，并具有單一的連續且基本上恒定的局部曲率半徑，以便所說的從下部成形裝置延伸的液體的流束數目和位置可隨施加于下部成形裝置周圍的液體表面的電勢之高低而變化，以及因而在特定的電勢下，使所說的液體流束在空間上暫時固定，以產生一個高荷電的均勻液珠霧。2.如權利要求1的涂敷頭系統，其特征在于所述計量部分包括一個細長元件，該元件具有限定接收液體的貯液腔的內壁，和一個沿元件的長度從所說的貯液腔延伸至外孔的縫隙。3.如權利要求1的涂敷頭系統，其特征在于所說的下部成形裝置包括細長的線狀元件的一部分。4.如權利要求3的涂敷頭系統，其特征在于所說的線狀元件包括導電的金屬線。5.如權利要求1的涂敷頭系統，其特征在于所說的計量部分包括一個細長的葉片狀元件，該元件包括具有上部分和底面的兩個側壁，兩個側壁至少為待分配的液體的連續液流提供一條從上部至底面的液流通路，并達到下部成形裝置，形成一均勻不間斷的與下部成形裝置相接的液體簾。6.如權利要求1的涂敷頭系統，還包括位于下部成形裝置的端點形成結構，該端點形成結構將潤濕線固定在下部成形裝置的兩個端頭。7.如權利要求1的涂敷頭系統，還包括位于計量裝置上的端點形成結構，該端點形成結構將潤濕線固定在計量裝置的兩個端頭。8.如權利要求1的涂敷頭系統，還包括至少一個導電的構件，其電勢比下部成形裝置周圍的液體低，該構件緊靠著下部成形裝置放置。9.如權利要求8的涂敷頭系統，其特征還在于下列之一a)該導電構件包括一個導電棒，或b)該導電構件包括一個導電板。10.如權利要求9的涂敷頭系統，其特征還在于該導電構件具有一非導電的外表面涂層。11.一種可變控制均勻發射被施于電噴射涂敷工藝中作涂敷材料的液體的方法，其特征在于，所說的方法包括下列步驟a)提供一個將液體分配給下部成形裝置的計量部分;b)將一個下部成形裝置放置于所說的計量部分下方，致使分配的液體從所說的計量部分流到所說的下部成形裝置以便環繞所說的下部成形裝置，所說的下部成形裝置建立起一層分配液體，該層液體環繞下部成形裝置，并具有單一的連續且基本上恒定的局部曲率半徑，以便所說的從下部成形裝置延伸的液體的流束數目和位置可隨施加于下部成形裝置周圍的液體表面的電勢之高低而變化;以及c)調節施加于液體表面的電勢，以便由一特定的電勢產生所要的所述液體流束的數目和位置，以及因而在待定的電勢下，使所說的液體流束在空間上暫時固定，以產生一個均勻的高荷電的液珠霧。12.如權利要求11的方法，其特征還在于均勻的霧珠數目密度通過調節施加于下部成形裝置的液體表面的電勢得以控制。13.一種可變控制發射被施于電噴射涂敷工藝中作薄膜涂敷材料的液體的方法，其特征在于，所說的方法包括下列步驟a)提供一個將液體分配給下部成形裝置的計量部分;b)將一個下部成形裝置放置于所說的計量部分下方，致使分配的液體從所說的計量部分流到所說的下部成形裝置以便環繞所說的下部成形裝置，所說的下部成形裝置建立起一層分配液體，該層液體環繞下部成形裝置，并且有單一的連續且基本上恒定的局部曲率半徑，以便所說的從下部成形裝置延伸的液體的流束數目和位置可隨施加于下部成形裝置周圍的液體表面的電勢之高低而變化;c)調節施加于液體表面的電勢，以便由一特定的電勢產生所要求的所述液體流束數目和位置，以及因而在特定的電勢下，使所說的液體流束在空間上暫時固定，以產生一個高荷電的均勻液珠霧;以及d)將霧流引向可移動的底面上的選定的淀積位置。14.如權利要求13的方法，基特征還在于，該方法還至少包括下列之一a)加熱所說的淀積在基底上的液體;或b)固化所述淀積在基底上的液體。全文摘要一種將薄涂層施加于基底上的電噴射涂敷頭系統及噴涂方法。該系統包括一個縫隙或葉片，以計量進入成型構件的液體，迫使環繞成型構件的液體具有單一連續且基本恒定的曲率半徑，將一電壓施加于成型構件周圍的液體，使液體產生一簇空間上暫時固定的流束，流束的數目可通過簡單地調整施加的電壓來確定，流束間斷，形成均勻的荷電液珠霧，再由電場引向基底，產生涂層。文檔編號B05D1/04GK1088135SQ9311825公開日1994年6月22日申請日期1993年9月30日優先權日1992年10月2日發明者阿爾伯特·E·西維爾,威廉·R·伯格倫,丹尼爾·R·丹尼爾森,歐格內·E·哈金斯,羅斯·M·凱德爾申請人:明尼蘇達州采礦和制造公司