專利名稱：張力上升刮板涂敷方法
技術領域：
本發明與提供涂料給帶狀物的刮板涂敷方法有關。更特別是，本發明與改進的、使用粘彈性液體的刮板涂敷方法有關。
本發明的技術背景涂敷是利用一層流體、諸如液體代替氣體與一基層(通常是一堅固表面基層)接觸的過程。有時提供相互層疊的若干層涂料。通常，基層是一長的、繼續不斷的片狀形式，諸如一帶狀物，并被卷繞成一卷筒。例如塑料薄膜，機織物或非織造織物，或者紙。涂敷帶狀物一般包括退繞卷筒，提供液體層于卷筒，使液體層固化，并且將已涂敷的帶狀物再卷繞成卷筒。
在涂料附著之后，它能夠保留液體，諸如在金屬卷材加工中對金屬提供潤滑油時，或者在提供化學反應物激活基層表面或者使基層表面發生化學變化時。此外，如果涂料包含易揮發的液體，或者能被固化，或者經過其它處理后留下一固體層，涂料能夠干燥。其例子包括涂料，清漆，粘合劑，光化學的以及磁性的記錄媒介。
提供涂層給帶狀物的方法在E.D.柯恩和E.B.格托夫的《現代涂敷和干燥技術》(VCH出版公司，紐約1992)和D.薩特斯的《帶狀物加工和轉化的技術和設備》(Van Vortstrand Reinhold出版公司，紐約1984)中進行了討論，并且包括刮板涂料器。
刮板涂敷包括在一靜止的固體部件、即一刮板和一帶狀物之間通過液體，且刮板和帶狀物之間的間隙小于所提供的液體層厚度的兩倍。液體在帶狀物和刮板之間被剪切，同時層的厚度在很大程度上取決于間隙的高度。對于許多材料和加工約束條件，刮板涂料器提供平整的涂層，無波紋，凸痕，或者濃稠的邊界。帶狀物可由一支撐輥在其后側支承，以消除涂敷操作時因帶狀物縱向張力的變化而引起的懸垂，這對于紙和塑料薄膜基層來說是普通的。刮板涂料器也能直接提供涂料給一輥子，接著該輥子將涂料傳送給帶狀物。
區別各種刮板涂料器的一個特征是使液體通向刮板通道的方法。在
圖1中顯示的重力供料刮板涂料器，通過一漏斗接受自一敞口料槽來的液體，而該料槽對著帶狀物。在圖2中顯示的薄膜供料刮板涂料器，通過其它方法從提供給帶狀物的一層面接受液體，但沒有要求的厚度，均勻度，或平整度。任何多余的材料從刮板上流掉，并且被收集以供再循環。在圖3中顯示的模具供料刮板涂料器，接受來自一狹縫的液體，該狹縫與一上游管道結合，橫跨帶狀物均勻地分配提供給刮板通道的液體。該模具包括兩塊板，它們將一墊片或一有開槽的板夾在當中，以形成該狹縫通道。在圖4A和4B中顯示的溝槽供料刮板涂料器，從一寬闊的縫槽、或者溝槽接受液體，該液體是由一狹窄的縫槽和管道輸送的，以提供橫跨帶狀物的均勻的液體分配。圖4B中的涂料器，在涂料器的帶狀物上游側發生溢出。溢出的液體再循環使用。
當被涂敷的液體彈性較大，刮板涂料器對在涂料珠滴上游區域不穩定的流動是敏感的，液體首先在那里接觸帶狀物(涂料珠滴是在涂料器和基層之間的液體搭接)。在涂料珠滴的上游區域，液體必須從幾乎零速度加速到移動的帶狀物的速度，這個距離大約相等于刮板涂料器上游側和移動帶狀物之間的間隙。該加速流動使液體受到高的伸展速度。彈性較大的液體顯示出在伸展(無旋流動)方面的粘性，在高速伸展時的伸展方面的粘性比高速剪切時剪切(旋轉流動)方面的粘性高得多。伸展粘性和剪切粘性之間的不同使涂料珠滴上游區域產生不穩定的流動，從而造成不受歡迎的涂敷缺陷。
涂敷過程對流動不穩定的敏感性隨涂料液體彈性的增加和帶狀物速度的增加而增加。這種不穩定性的本身通常顯示出從一在上游側的、在空間上暫時均勻的涂料珠滴轉變成在帶狀物橫向方向上被分割的部分。進一步增加涂敷速度或液體彈性將導致涂料珠滴上游區域內的、更進一步的短暫的和空間的非一致性。在涂料珠滴上游區域的不穩定流動將在涂敷后的薄膜中形成涂敷缺陷。通常，缺陷呈與帶狀物下游方向平行的、或者是對角橫跨帶狀物的條紋或“刷痕”形式。當在重力供料、模具供料和溝槽供料刮板涂料器中涂敷彈性液體時，會發生這種流動不穩定性。在薄膜供料刮板涂料器中也可能發生，這取決于將原始薄膜置于帶狀物上的方法。當在一刮板涂料器中涂敷彈性液體、而在該刮板涂料器中液體只充填在涂料珠滴上游側的比較小的間隙時，不穩定就會發生。
因此存在著對操作刮板涂料器的方法進行改進的需要，以使彈性較高的液體能高速涂敷，而不會產生流動不穩定性和相關的涂敷缺陷。
本發明的簡要說明本發明的方法是將涂料流體提供給一表面，并包括在一涂敷裝置和該表面之間提供相對運動。涂料流體直接輸送給一溝槽，并且通過沿該表面橫向延伸的溝槽開口提供給該表面。涂層厚度通過刮板調節。保持分離線(涂料流體，溝槽的帶狀物上游側和周圍氣體的相交線)和濕潤線(涂料流體，將要被涂敷的表面和周圍氣體的相交線)之間的一足夠的距離，以便消除涂料珠滴流動的不穩定性。
涂料流體可是具有伸展粘性與剪切粘性之比大于10的的彈性液體。溝槽開口至少橫跨涂敷所要求的寬度。分離線和濕潤線之間的距離可大于0.5cm。分離線能被定位在刮板通道之下。
通過控制液體流入溝槽的速度和流出刮板通道的速度可控制分離線和濕潤線之間的距離。
液-氣交界面是在上游涂料珠滴處連接分離線和濕潤線的表面，基本上可是平的。同時，涂料液體的流變性質和帶狀物速度能被選擇，以改變上游液-氣交界面的斷裂距離。
通過使涂料珠滴上游區域內保持低的伸展速度，實現沒有流動不穩定性的刮板涂敷彈性液體的方法，這樣液體的伸展和剪切粘性之間的差異是小的。通過增加液體必須加速通過的距離，可在涂料珠滴上游區域內保持低的伸展速度。通過確保涂料珠滴上游液-氣交界面相當平直，可延遲流動不穩定性出現。這是通過允許彈性液體將自己從溝槽拉出一比較大距離并進入刮板通道之中而完成的。通過在涂料珠滴上游區域內的伸展流動形成的流體張力的作用，流體上升進入刮板通道。
附圖的簡要說明圖1是一已知的重力供料刮板涂料器示意圖。
圖2是一已知的薄膜供料刮板涂料器示意圖。
圖3是一已知的模具供料刮板涂料器示意圖。
圖4A和4B是一已知的溝槽供料刮板涂料器的示意圖。
圖5是一橫向流動刮板涂料器的示意的側視圖。
圖6是張力上升刮板涂料器的部分剖視的示意的側視圖。
本發明的詳細說明常規的刮板涂敷彈性液體對在涂料珠滴上游區域中的不穩定流動是敏感的。當涂敷比較無彈性的液體或在一些實例中保持低的涂敷速度時，不存在不穩定的流動，且涂料珠滴的上游液-氣交界面在空間上和時間上無變化。然而，當液體的彈性或帶狀物的速度增加時，涂料珠滴上游區域內的流動可能變得不穩定。
在圖5中顯示的和1994年2月8日提出的、美國專利申請號為08/193,425中公開的橫向流動刮板涂料器是一溝槽供料刮板涂料器，從其一端向溝槽供料。這種供料方式與帶狀物表面移動結合產生沿溝槽寬度的螺旋流動。
雖然液體的彈性能以若干形式顯示出來，但在這種流動不穩定性中的活動形式是一提高的伸展粘性。與在剪切(旋轉)流動中顯示的剪切粘性相反，這種伸展粘性由在純粹拉伸(無旋)流動中的液體顯示。彈性液體具有可與在低的變形速度中的它們的剪切粘性相比較的伸展粘性(通常，伸展粘性是低速中的剪切粘性的3-4倍)。在高速變形中，彈性液體的伸展粘性通常(有時戲劇性地)增加，而剪切粘性或者保持穩定或者降低。伸展粘性與剪切粘性之比(有時稱為Irouton比率)是一好的指示器，可確定涂料液體是否對常規的刮板涂料器的涂料珠滴上游區域中的流動不穩定性是否敏感。如果Trouton比率在1和1000秒-1之間的變形速度的范圍內大于10，它可能顯示出在常規的刮板涂料器中上游涂料珠滴流動的不穩定性。
因此，上游涂料珠滴流動不穩定性是由出現在常規的刮板涂料器的涂料珠滴上游區域里的變形速度內的液體的伸展和剪切粘性之間的差異而形成的。為了阻止流動不穩定性的發生，上游涂料珠滴的伸展速度必須降低，以降低伸展-剪切粘性的差異。在涂料珠滴上游區域內的伸展速度大約等于移動的帶狀物的速度與在帶狀物和在涂料珠滴附近的刮板涂料器上游側之間的間隙之比。重力供料，模具供料，和溝槽供料刮板涂料器以上游刮板間隙在0.1到1毫米(0.004到0.040英寸)范圍為特征。在諸如0.5米/秒(100英尺/分鐘)的適度的帶狀物速度時，這個量級的間隙產生出在500到5000秒-1范圍內的伸展速度。
本發明方法使用一種刮板涂料器，以阻止上游涂料珠滴流動不穩定性的發生。這是通過確保涂料液體能在一較大距離上伸展、從而在涂料珠滴上游區域經歷較低的伸展速度而實現的。較佳的是，在涂料珠滴上游區域內的加速距離在0.5到12.7厘米(0.2到5英寸)范圍內。在0.5米/秒(100英尺/分鐘)的帶狀物速度時，增加供伸展用的距離將降低伸展速度，液體將經歷4到40秒-1范圍的兩個數量級的伸展速度。伸展速度的降低大大減少了在涂料珠滴上游區域內的液體的伸展和剪切粘性之間的差異。此外，涂料珠滴的上游液-氣交界面的路徑變平，這有助于消除上游涂料珠滴流動不穩定性。
圖6顯示了利用張力上升刮板涂敷方法的涂料器。如圖所示，將要被涂敷的表面是環繞通過可變形的支承輥14而運行的帶狀物12。此外，涂料能利用諸如傳送輥之類的中間部件傳送給基層。其它的流體也能被涂敷，而基層能在一自由的跨度中被涂敷。
涂料器包括一溝槽15，它具有至少橫跨所需涂敷寬度的開口26。帶狀物12移動通過在溝槽開口26之上的涂敷工位。在帶狀物12和溝槽15的帶狀物下游側之間的間隙區域是刮板通道，涂料液體流動通過該通道而形成涂層。刮板28調節提供給帶狀物12的涂料液體的厚度。刮板28可是固定在溝槽壁20上的一單獨的元件，或者可是該壁的一表面。刮板28可是平面，彎曲面，凹面，或者凸面。刮板28或者支承輥14可是柔性的，并在刮板28和帶狀物12之間具有由液體壓力維持的間隙。
溝槽15有相反設置的帶狀物上游壁46。分離線48(它是涂料液體，溝槽15的帶狀物上游壁46，以及周圍空氣或其它氣體的相交線)位于溝槽15的帶狀物上游壁46處。上游液-氣交界面50是連接分離線48與濕潤線52的表面，該濕潤線52位于液體與移動的帶狀物12首先接觸的位置處(濕潤線是涂料液體，帶狀物12，以及周圍空氣的相交線)。涂料珠滴的上游區域是上游液-氣交界面50最接近的區域。利用一泵通過一具有一縫槽和一腔室的、單個或多個供料孔的管道，將涂料液體提供給溝槽。
該張力上升刮板涂料器的操作包括在相交線48和52之間保持足夠大的距離，從而使上游涂料珠滴的流動不穩定性不會發生。這段距離通常大于0.5厘米(0.2英寸)。交界線48和52之間的距離由流入溝槽的液體速度以及流出的刮板通道的液體速度控制。將液體流入量保持在比液體從溝槽流出量較低的值上，將降低溝槽中的液面高度，并增加相交線48和52之間的距離。當這段距離足夠大時，上游涂料珠滴的流動不穩定性不會發生，溝槽中的液面高度以及相交線48和52之間的距離可通過保持流入和流出液體基本相等而保持穩定。
使用具有比較長的上游氣-液交界面，可確保在刮板涂料器的涂料珠滴的上游區域內的液體經受的伸展速度比已知的刮板涂料器的要小。結果，在涂料珠滴的上游區域內的液體的剪切和伸展粘性之間的差異被縮小，而涂料珠滴的流動不穩定性和伴隨它的涂敷缺陷被消除。此外，上游液-氣交界面是比較平的，它提供了防止上游涂料珠滴流動不穩定性的附加保護。該液體能通過彈性液體的伸展性質而產生的張力和重力的相互作用而保持長和直的上游氣-液交界面。該張力通過帶狀物的運動能使涂料液體繼續不斷地克服重力的拉動從溝槽開口進入刮板通道。多余液體通過刮板通道返回溝槽。
如果相交線48和52之間的距離太大，上游液-氣交界面50將斷裂，而移動帶狀物12上的繼續不斷的涂敷將停止。上游氣-液交界面發生斷裂的距離取決于若干條件，包括涂料液體的流變性質和帶狀物的速度。較大的斷裂距離可從具有較大彈性流變性質(較大伸展粘性)的液體上看到。同時，斷裂距離一般隨著帶狀物速度的增加而線性地增加。具有非常小彈性的涂料液體具有非常小的斷裂距離(不到0.5厘米)。
在不脫離本發明范圍或者精神的情況下可對本發明作各種各樣的變化和修正。例如，當帶狀物在自由的、沒有支承的跨度中被涂敷的時候，在溝槽和帶狀物之間的間隙由液體壓力支承，它能平衡因拉伸的帶狀物偏轉而產生的壓力。
權利要求
1.一種提供涂料流體給表面(12)的方法，包括在涂敷裝置和表面(12)之間提供相對運動；通過橫向延伸經過該表面的溝槽開口(26)提供涂料流體給表面(12)；直接將涂料流體提供給溝槽(15)；利用一刮板(28)調節提供給該表面的涂料厚度；以及在分離線與濕潤線之間保持一足夠的距離，以消除上游涂料珠滴的流動不穩定性。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，供料步驟包括將在常規的溝槽供料刮板涂料器中顯示出上游涂料珠滴流動不穩定性的涂料流體直接提供給溝槽(15)。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，提供步驟包括通過至少橫向延伸經過涂層所需寬度的溝槽開口(26)提供涂料流體給表面。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，分離線(48)和濕潤線(52)之間的距離大于0.5厘米。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，涂料流體是一種伸展粘性與剪切粘性之比大于10的彈性液體。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，分離線(48)定位在刮板通道之下。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括通過流入溝槽的液體速度和流出刮板通道的液體速度控制分離線(48)和濕潤線(52)之間的距離的步驟。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，液-氣交界面是連接分離線(48)和濕潤線(52)的表面，且液-氣交界面是平的。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括選擇涂料液體的流變性質和帶狀物速度，以改變上游液-氣交界面的斷裂距離的步驟。
全文摘要
為了用刮板涂敷彈性液體而無流動不穩定性，可通過增加液體必須加速的距離而使涂料珠滴上游區域內的伸展速度被保持在較低水平上。通過確保使涂料珠滴的上游液-氣交界面比較長而平，使不穩定流動延遲。這是通過允許彈性液體自身拉動經過一比較大距離、離開溝槽并進入刮板通道之中而完成的。通過在涂料珠滴上游區域內的伸展流動所獲得的液體張力，使液體能夠上升進入溝槽。
文檔編號B05D1/26GK1159774SQ9519541
公開日1997年9月17日 申請日期1995年8月24日 優先權日1994年10月6日
發明者馬克·R·施特倫格, 羅伯特·B·塞科爾, 伯恩哈德·G·倫茲 申請人:美國3M公司