专利名称：在聚焦电场下的静电辅助涂覆方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及静电辅助涂覆的方法和装置。本发明更具体地涉及在涂覆流体与移动薄片相接触的点使用静电场来取得改进的涂覆处理均匀性。
在沉积后，涂膜层能够保持住流体，诸如在金属箔处理中金属上润滑油的涂敷或活化化学反应或在化学上转换基层表面的应用中的流体。另一方面，如果涂层包含了挥发性的流体从而留下了诸如油漆的固体涂层，或者涂层能够被固化或用其它方法固化成有作用的涂层，诸如对压力灵敏粘合剂不易粘着的释放层。在1992年由纽约VCH出版社出版的由Cohen，E.D.和Gutoff，E.B.撰写的“现代涂覆和干燥技术”和1984年由纽约Van Vorstrand Reinhold出版社出版的由Satas，D.撰写的，“薄片处理和转换技术及装置”讨论了施加涂覆的方法。
精确涂覆应用的目的一般是在基片上均匀涂敷涂覆流体。在薄片涂覆处理中，移动薄片通过一个涂覆平台，其中涂覆流体层沉积在薄片的至少一个表面上。涂敷到薄片上的涂覆流体均匀性受许多因素影响，包括薄片速度，薄片表面特性，涂覆流体粘性，涂覆流体表面张力，和涂敷到薄片上的涂覆流体厚度。
在印刷和照相领域中已经应用了静电涂覆涂敷，其中滚动或滑动涂覆处于支配地位和使用了较低粘度的导电流体。虽然在涂覆区域施加静电力能够延迟夹带空气的开始并且导致能够以较高薄片速度运行，吸引涂覆流体到薄片的电场是十分充足的。在一种已知的施加电场方法中采用了预充电薄片(在涂覆平台前施加电荷到薄片)。另一种已知方法在涂覆平台下面使用通以电流的支持滚轴。薄片预充电的方法包括电晕导线充电和充电刷。对支撑滚筒充电的方法包括导电的电势升高滚筒，预充电的不导电滚筒表面，和供以电源的半导电滚筒。虽然这些方法对涂覆区域输送静电电荷，但它们不代表在涂覆层的高聚焦静电场。例如，对有预充电薄片的屏幕涂覆，流体被吸引到薄片并且流体/薄片接触线(湿润线)的平衡位置由力的平衡决定。静电场拉动涂覆流体到薄片并且拉动涂覆流体到薄片上面。薄片的运动产生了易于将湿润线拉到薄片下面的力。这样，当其它处理条件保持恒定时，较高的静电力或较低的线速度产生了向薄片上面拉的湿润线。另外，如果一些流动偏差存在于涂覆流体的交叉薄片流动中，较低的流动区域通常进一步拉向薄片上面，并且较高的流动区域通常拉向薄片正面。这些情况能够产生涂覆厚度均匀性的降低。工艺处理稳定性也比所需要的差，因为流体接触线(湿润线)不但不稳定而且依赖于一些因素。
有许多描述静电辅助涂覆的专利。有一些论述涂覆的特性，其它的是论述充电的特性。下面是一些有代表性的专利。美国专利3,052,131揭示了使用滚筒充电或薄片预充电的对水涂覆树脂的涂覆，美国专利2,952,559揭示了对薄片预充电的滑动涂覆乳胶，美国专利3,206,323揭示了对薄片预充电的粘性流体涂覆。
美国专利4,837,045教授了在支承滚筒上用直流电压，使用低表面能量用凝胶作内涂膜薄层。可以用于这种方法的涂覆流体包括凝胶，磁性的，滑润的，或是可水溶的或是有机物性质的粘合层。涂覆方法能够包括滑动，滚筒珠，喷射，挤压，或幕涂覆。
EP390774B1涉及在至少250cm/秒(492ft/分钟)的速度中高速幕涂覆流体，使用预施加的静电充电，并且其中充电量(电压)对速度(cm/秒)的比率为至少1∶1。
美国专利5,609,923揭示增加了最大实用涂覆速度的移动支承物幕涂覆的方法。可以由后向滚筒在涂覆点前或在涂覆点施加电荷。这个专利是指产生静电电压的技术，是十分有名的，它提出这是在涂覆点下面的滚筒的例子或先前的在涂覆前进行电晕充电的例子。这个专利也揭示了电晕充电。这里揭示的技术是在添加涂覆前把电荷转移到薄片上。要用电晕，滚筒，或电刷在涂覆点在薄片上建立电场前。
图1和图2示出静电辅助涂覆应用的已知技术。在图1中，薄片20纵向移过(在箭头22的方向)涂覆平台24。薄片20有第一主侧面26和第二主侧面28。在涂覆平台24，涂覆流体涂敷装置30横向撒布一股涂覆流体32到薄片20的第一侧面26上。因此，从涂覆平台24的下游，薄片20负担了涂覆流体32的涂覆34。
在图1中，通过在从涂覆平台24(电荷可替换地施加到第二侧28)上游纵向间隔的电荷施加台36施加静电电荷到薄片20的第一侧26，提供了用于涂覆过程的静电涂覆辅助器。在电荷施加台36，横向布置的电晕放电线38施加正(或负)电荷39到薄片20。线38能够或是在薄片20的第一侧或是第二侧。涂覆流体32接地(诸如通过将涂覆流体涂敷装置30接地)，并且在涂覆平台24静电吸引到充电薄片20。横向布置的空气屏障40可以设置在邻近涂覆平台24处并且设置到其下游来减小在涂覆流体薄片分界面41的薄片边界层空气干扰。电晕线可以沿着薄片的自由空间对准(如图1所示)或换一种方法，当薄片与在涂覆平台的后向滚筒接触时可以邻近薄片的第一侧面对准。
图2示出了另一个已知的静电辅助涂覆系统。在这个布置中，比较大尺寸直径的后向滚筒42支撑在涂覆平台24的薄片20的第二侧面28。后向滚筒42可以是充电绝缘滚筒，给以电力的半导电滚筒，或传导滚筒。导电或半导电的滚筒可以由高电压电源充电。在绝缘滚筒中，可以用适宜的方法向滚筒提供电荷，诸如电晕充电装置43。不论后向滚筒42的类型或它被充电的方法，它的外部柱面表面44适于输送电荷39到薄片20的第二侧面28。如图2所示，来自后向滚筒42的电荷39是正电荷，并且通过使涂覆流体涂敷装置30接地使涂覆流体32接地。因此，将涂覆流体32被静电吸引到位于在薄片20和滚筒42的外部柱面表面44之间的分界面上的电荷。空气屏障40在涂覆流体薄片分界面41减小了薄片边界层的空气干扰。
诸如那些在图1和2中示出的已知静电辅助涂覆设置通过延迟空气传输的开始辅助涂覆处理并且在涂覆湿润线改进湿润特性。但是，它们为大致处于湿润线下游的薄片提供电荷，并且产生十分宽阔的静电场。当交叉薄片涂覆流动变化或交叉薄片静电场变化时，它们在保持笔直湿润线方面没有太大效果。例如，在幕涂覆中，如果在通过幕的一些位置发生了局部的过度涂覆流体流区域，在这个较过度的涂覆区域中的湿润线能够响应依靠材料或处理参数向薄片下方移动。由于在幕上的应力和形变，在这个区域中能够产生更过度的涂覆，尤其是展示了弹性特性的流体(更有弹性的流体有与剪切有关的高延伸的粘度)。另外，如果静电场不均匀(例如电晕薄片预充电非均匀)，在薄片上较低的电压区域将使得在那个区域的湿润线向薄片下方移动，这样在那个区域增加了涂覆重量。当流体弹性增加时，这些效应越来越占主要地位。这样，交叉薄片流体流变化和交叉薄片静电场变化导致了在湿润线中的非均匀性，并且结果是在薄片上的非均匀涂膜的涂敷。
对静电辅助涂覆，没有来自电场施加装置的涂覆平台中所揭示的施加聚焦电场到薄片的技术来提高涂敷流体涂覆的特性并且也得到改进的处理条件的已知的装置或方法。这需要提供更聚焦电场到涂覆平台的薄片的静电辅助涂覆技术。
(电场力)产生步骤能够包括在基片的第二侧面上给电极电能以形成来自电荷的有效电场。在一个实施例中，有效电场为一部分半径不大于1.27cm的电极所限定(或，在一个较佳的实施例中，不大于0.63cm)。
在第二侧的邻近流体涂覆平台处能够提供基片或由电极本身能够提供基片。
用涂覆流体撒布器能够形成流体流，撒布器诸如幕(curtain)涂膜器，轮小球涂膜器，挤压涂膜器，载体流体涂膜方法，滑动涂膜器，刀片涂膜器，喷口涂膜器，槽口杠器，滚筒涂膜器或流体轴承(bearing)涂膜器。涂覆流体流能够切向引到基片的第一表面。
在流体流被施加到基片上前，电极的电荷可以有第一极性和第二电荷(有第二相对的极性)可以施加到流体流上。
产生步骤能够包括对电极充电以及声学激发电极。在一个较佳的实施例中，电极被超声频率声学激发。
本发明的方法也被称为一种涂覆流体涂膜液到基片上的方法，其中基片有第一侧和第二侧。本发明的方法包括在基片和流体涂覆平台之间提供相对纵向运动。在基片第一侧上以0度到180度的角度引导流体流在涂覆平台上沿着横向布置的流体薄片接触区域来形成流体湿润线。本发明进一步包括通过来自在基片的第二侧上位置中产生的有效电场的电场力在基本上位于流体湿润线或其下游的基片位置将流体吸引到基片的第一侧。
本发明也是涂敷涂覆流体到基片上的装置，所述基片有在其第一侧的第一表面和在其第二侧的第二表面。该装置包括将涂覆流体流撒到基片的第一表面上以形成沿着横向布置的流体接触区域的流体湿润线的装置。横向通过基片第二侧横向延伸的电场施加器(通常与流体湿润线相对)带有电荷，并且在基片上基本上位于流体湿润线下游的位置施加有效电场到基片来吸引流体到基片的第一表面。有效静电场主要发出来自电场施加装置上的电荷而不是把电荷转移到基片。
电场装置能够包括小直径的棒，传导带，或用于限定有效电场的有小直径部分的传导元件。空气轴承能够在邻近电场施加装置的基片上横向延伸来支承并且相对电场施加装置对准基片的第二侧。
在另一个实施例中，本发明被称为在基片上涂敷流体涂覆的方法，所述基片有在第一侧的其第一表面和在其第二侧的第二表面。该方法包括在基片和流体涂覆平台之间提供相对纵向运动，通过在接触区域沿着横向布置的流体薄片以0度到180度的角度进行流体流引导，把涂覆流体(邻近涂覆平台)曝露到电场力来吸引流体到基片，并且把流体涂膜(邻近涂覆平台)暴露到声学力把涂膜覆液吸引到基片，从而形成流体线。
在另一个实施例中，本发明是提供涂覆流体到基片上装置，所述基片有相对该装置的相对纵向运动。该基片有在第一侧的第一表面和在第二侧的第二表面。涂覆流体涂敷装置撒布涂覆流体流到基片的第一表面在沿着横向布置的流体接触区域的形成流体湿润线。电场施加装置在邻近流体湿润线的基片上的位置施加静电场来吸引涂覆流体到基片的第一表面。声学场施加装置在邻近流体湿润线的基片位置施加声学场来吸引涂覆流体到基片的第一表面。
图2是示出已知静电涂覆装置的示意图，其中从涂覆平台移动薄片下方的支架滚筒把电荷传递到移动薄片。
图3是示出本发明的静电辅助涂覆装置的一个实施例示意图，其中通过邻近与空气轴承装置结合的涂覆流体湿润线的横向电极限定有效电场。
图4是示出图3中结合电极的空气轴承装置的放大图。
图5是示出图2中说明施加电荷和电力线部分的放大示意图。
图6是示出图3中说明有效电场的静电力线的放大示意图。
图7是示出本发明的另一个静电力辅助涂覆装置实施例的示意图，示出了它在切线幕涂膜器上的应用。
图8是示出有多个电极的空气轴承和静电力场发生系统的放大示意图。
图9是示出由现有技术尺寸动力滚筒的切线涂覆测试装置的示意图。
图10是示出一般在切向涂覆结构中的本发明静电辅助涂覆装置的另一个实施例的示意图。
图11是示出图10中电极装置的放大示意图。
图12是示出本发明静电辅助涂覆装置另一个实施例的示意图，其中由直径为一英寸的支架滚筒限定有效电场。
图13是示出本发明中与超声喇叭结合的静电场电极的示意图。
图14是示出在薄片上流体涂覆的“动态接触角”的示意图。
本发明另外的特性和优点将在下面的详细描述中阐述，那些普通技术人员从那个描述中可以部分地清楚这个发明或通过实施这里所描述的发明，包括下面的详细描述，权利要求，和附图来达到认识。
虽然在本发明的较佳实施例中阐述了上述一些附图，也需要考虑在讨论中注出的其它实施例。在所有的例子中，这个描述所代表的发明不受限制。需要理解那些普通技术人员能够实现其它多个在本发明原则的范围和精神中的修改和实施。
具体实施例方式
这个发明包括在被涂覆的基片(诸如薄片)和被施加到基片的流体涂覆材料之间分界面的更强聚焦静电场的装置和涂覆方法。发明者发现更强的聚焦电场能够通过稳定，矫直，和控制涂覆湿润线的位置来改进涂覆过程使能取得更宽的处理窗口，促进涂覆过程。例如，本发明不仅能够有较宽涂覆重量的范围，涂覆速度的范围，涂覆尺寸的范围，诸如介质强度的薄片特征的范围，诸如粘度表面张力，和弹性的涂覆流体特性，以及冲模薄片(die-to-web)间隙，而且提高了交叠薄片涂覆均匀性。伴随幕涂覆，静电涂覆辅助允许较低的幕高度(因此有较大的幕稳定性)并且允许弹性溶液的涂覆，这种涂覆在以前没有输送的空气是不能涂覆的。聚焦场大大地提高了使流体运动的功能(特别是弹性流体)，因为它们更精确地控制了湿润线的位置，线性，和导致了增加的操作稳定性的湿润线稳定性。另外，则就能够甚至在较低的线速度中制造前述的较薄涂覆，这对于干燥或固化速度受限制的处理是重要的。
在挤压涂覆中，发现静电力不仅允许使用较低弹性的水基流体(诸如一些水基乳胶粘合剂)，它们在不存在静电场时是不能挤压涂覆(在挤压模式中)的而且也允许使用较大的涂覆间隙。
在幕涂覆中，流体流与重力矢量对准，而挤压涂覆能够或者在其它的角度与矢量对准。当在幕涂覆处理中进行涂覆时，其中使用了较长的流体流，涂覆步骤包括了用涂覆流体代替分界层空气并且主要的力是基于动量的。相反，在挤压涂覆，其中流体流一般比幕涂覆短，则主要力是弹性力和表面张力有关。当使用静电力时，产生了一个能够帮助取代边界层空气的附加力，或它本身能够成为主要的力。
虽然本发明描述了有关平滑，连续的涂覆，当涂敷不连续涂覆时也能够使用本发明。例如，能够使用静电力来帮助涂覆有宏观结构的基片，诸如由涂覆填充的孔隙，无论在相邻孔隙的涂覆之间是否连续。在这个情况下，涂覆均匀性和增强的湿润度倾向，两者都保持在分立的涂覆区域中，并且这种保持是从区域到区域的。
基片能够是需要被涂覆的任意材料的任意表面，包括薄片。薄片能够是任意的片状材料，诸如聚酯，聚丙烯，纸，织物，纺织或非纺织的材料。改进的涂覆湿润性在粗糙织物或多孔薄片中特别有用，而不管细孔是否是微观的还是宏观的。虽然示例示出薄片通过了一个固定的涂覆涂膜器移动，但可以薄片是固定的，而涂覆涂膜器是移动的或薄片和涂覆涂膜器都可以相对于一个固定点移动。
一般来说，本发明涉及一种涂敷流体涂覆到诸如薄片的基片上的方法，并且包括在薄片和流体涂覆平台间提供相对纵向移动。在涂覆平台沿着横向布置的流体湿润线将流体涂覆流引导到薄片的第一侧。在从0度到180度的任意角度引入涂覆流体。从基本上处于流体接触区域(例如来自位于薄片第二侧的一个或更多的电极)或其下游的有效电场在流体上产生电场力。可以使用负或正电荷来吸引涂覆流体。涂覆流体可以包括基于溶剂的流体，热塑性塑料流体熔体，乳胶，悬浮液，可混合和不可混合的流体混合物，无机流体，和100％固体流体。基于溶剂的涂覆流体包括水基的和在性质上也是有机的溶剂。当处理诸如易燃性的挥发溶剂时必需采取一些安全预防措施，因为静放电会产生危险，诸如火灾或爆炸。这样的预防措施是已知的，并且可以包括在会发生静放电的区域中使用惰性气体。
已经知道，代替预充电薄片或使用充电的滚筒支撑系统，本发明的较佳实施例使用电场源，诸如在交叠薄片方向中线性伸展的狭窄传导电极，放置在流体薄片接触线会发生的地方。狭窄传导电极可以是诸如范围在大约0.16-2.54cm(0.06-1.0英寸)中的小直径棒，或是旋转的或是非旋转的，狭窄传导带，有锐利地限定的前缘(小直径部分)元件(一般，湿润线将位于邻近锐利前缘的地方)，或有把基本上在湿润线和其下游的已聚焦的和有效的电场朝向湿润线的几何形状的任意电极。通常，半径越小，电场聚焦得越透。但是如果半径变得太小，会发生增加的电晕生成。只要所加电压不足高到产生明显的电晕放电，就能够使用直径小于0.16cm(0.06英寸)的棒。如果放电太高，起支配作用的电场力能够来自布置在薄片的第二表面上的电晕电荷。较小的支撑结构能够支撑电极，诸如邻近在薄片上方和薄片下方电极的多孔空气支架材料。薄片能够由空气支架表面支撑或由电极自身支撑。电极可以与薄片有小间隔或可以与薄片物理接触，电极也可以有分立的不连续的交叉薄片支撑结构，或可以只支撑它的末端。也能够由多孔传导材料制造电极。
这个实施例的主要吸引力来自由电极产生的电场，不是来自由接触或寄生电晕放电移到薄片后侧的电荷。此外，(对涂覆流体的吸引)电场的聚焦应基本上位于薄片流接触线或其下游是有效的。在薄片后侧的电极产生了比已知静电涂覆辅助系统更为聚焦的电场。因为该场没有像现有工艺的下方薄片伸展的远(预充电薄片或充电涂覆滚筒)，流体被引到更锐利地限定的湿润线，保留更为线性的交叉薄片分布，并且通过必然能将湿润线锁定到位置上稳定湿润线。这意味着控制接触线位置的正常平衡力较不重要，并且在湿润线中的非线性性是较不显著的。这样，工艺上的变化，诸如涂覆流速，涂覆交叉薄片均匀性，薄片速度变化，输入薄片电荷改变，和其它工艺处理变化对涂覆工艺的影响较小。通常电极直径越小或电极结构所限定的前缘越尖锐，静电场的前缘和湿润线将变得聚焦更强，只要寄生电晕放电将保持得最小。
在聚焦电极场系统中工艺稳定性大大地加强。通常，如果静电辅助涂覆系统以特定的速度运行，涂覆厚度，电压，这些变化的一个改变将改变湿润线位置。例如，根据涂覆系统和被涂覆的流体类型，如果速度增加，则涂覆厚度增加，或所加电压减小，湿润线将移到薄片下方。这能够产生涂覆均匀性问题并且能够增加空气传输的电势。本发明的聚焦场系统大大减小了那些变量的工艺灵敏度并且在更稳定的直线位置保持湿润线。
在实施本发明时能够使用许多电极结构。图3示出了沿着薄片20的第二侧28支承的横向延伸电极100的例子。横向延伸电极100与薄片20的第二侧28是有均匀的小间隔或可以与薄片20的第二侧28相接触，纵向靠近包括横向涂覆流体接触线52的涂覆平台24。在诸如一对支撑滚筒54，56之间的涂覆平台24处支承薄片20。换句话说，通过电极本身，空气支架102(或任意适宜的气体支架，诸如惰性气体支架)，或其它支架能够在涂覆平台24支承薄片20。涂覆流体流32从涂覆流体涂膜器30被输送到薄片20第一侧26上的第一表面上。如图所示，涂覆流体涂膜器30能够接地，使涂覆流体32相对电极100接地。空气阀40能够是任意适宜的物理阻挡层，它在涂覆流体薄片分界面或涂覆幕构造点限制了边界层空气的干扰。
例如，用小尺寸棒或其它小尺寸传导电极(这不必需是圆的)可以形成电极100。电极100较佳的是布置在邻近空气支架102中，它可以与空气支架接触或不接触。空气支架102稳定了薄片位置并且使会不利于涂覆稳定性和均匀性的薄片振动减到最小。一般，把空气支架102做成圆角并且较适宜有与空气汇流管室106有流体联系的多孔材料104(诸如多孔聚乙烯)。通过由箭头110表示的一个或更多个适宜的入口108提供压缩空气到空气汇流管室106。空气流过空气汇流管室106并且进入多孔隔膜104。多孔隔膜104有比较平滑和通常做成圆角的在第二侧28上的邻近薄片20第二表面的支架表面112。离开支架表面112的空气当它横过涂覆平台24和电极100时，支撑着薄片20。虽然描述了有源空气支架，无源空气支架(只在薄片第二侧的空气边界层用作支架介质)可以在足够高的薄片速度中工作。该空气支架也可以是固体结构，当基片速度增加并且在薄片第二侧边界层空气上产生了空气支架效应时，它起着空气支架的作用。在空气支架表面和薄片之间的间隙是诸如空气支架半径，薄片张力和薄片速度参数的函数。其它已知产生空气支架的方法也能够用于诸如在干燥中通常使用的翼面设计。
图3的静电力涂覆辅助系统的实施例在流体薄片接触区域形成聚焦更强的静电场，所述接触区域约束了湿润线到在所需位置的更线性的分布。实施例“锁定”湿润线到横向延伸过薄片的稳定线(与在涂覆流体和薄片间提供较有聚焦静电吸引的图1和2中的涂覆辅助系统的较小作用相比较)。从电极发出的静电场在涂覆流体上产生了主静电吸力(也就是，有效)。静电电荷并不主要从电极放置到薄片本身。相反地，它们在充电装置上的出现，诸如增加电势的电极，吸引了涂覆流体。虽然在实践中，不想把那些来自电极的电荷被转移到薄片，但一些电荷将不可避免地在涂覆过程中传送和起到了辅助作用。
通过诸如适宜的电极装置能够将相反的电荷施加到涂覆流体32而不是把涂覆流体32接地。另外，加到涂覆流体32和薄片20上的电荷极性可以反过来。当使用诸如某些100％聚合体熔体或100％固体固化系统的电导率较低流体时，这个方法特别有用。例如，对于传导率低的流体，不论是经过冲模或通过电晕放电，可在涂覆前把电荷施加到流体。当由于使用低传导旁的流体导致静电提高得不充足时，可以使用这个系统。本发明系统能够在更线性的形式中保留流体湿润线的能力导致，提高的涂覆均匀性和稳定性。对于传导路径被隔离的传导流体，能够提高冲模电势来产生在流体中的相反极性。换句话说，沿着传导，隔离路径可以将相反的极性加到流体上的任何地方(例如甚至包括湿润线的下游)。
图5是图2中现有技术系统的扩充图，以及力线66由静电电荷相对涂覆流体32产生的力线66。对幕涂覆应用情况，当薄片是固定的(或当薄片为固定时初始涂覆流体湿润线(没有施加静电))所需湿润线通常是重力确定的涂覆流体湿润线(没有施加静电力)，并且如图2和5所示，是充电滚筒的顶部不通电的中心。但是，其它湿润线位置是通用的并且依赖于涂覆冲模，流体特性和薄片路径的类型。力线66示出了对充电滚筒(类似于图2中的滚筒42)，力没有较好地被聚焦，并且电荷是基本在湿润线(例如在薄片下方区域67)的下方薄片的涂覆流体上施加力。例如，对直径大于7.5cm(3英寸)的充电滚筒，电荷从所需湿润线施加力到基本上来自所需湿润线的薄片下方的涂覆流体上。但是，当传递到薄片上的电荷聚焦更强时，即，对给出相同电势的一英寸直径滚筒，电荷不会从会不利地影响湿润线均匀性(也就是，在薄片上的电荷相对涂覆流体是无效的下方薄片)的湿润上方施加力到涂覆流体。
图6是图3中本发明系统的放大图，示出当电场在涂覆流体接触线下面更强聚焦时，作为涂覆流体吸引体的电场是有效的地方。在这个情况中，力线69聚焦更强，这样产生了更尖锐地限定并且线性的湿润线，所述湿润线通过趋向于把它控制在横跨薄片移动的路径位置来稳定流体薄接触线。
在图3所示的发明的静电涂覆辅助系统，在由设置(诸如通过重力降)涂覆流体32到薄片20所确定的横向延伸涂覆流体薄片接触线下能够直接设置电极100。在薄片20第一侧上的薄片运动，表面张力，和弹性层效应以及涂覆流体32的弹力能够使得涂覆流体薄片接触线向薄片下方移动。因为在这个发明中能够获得强的静电吸引，当电极100发生作用时，电极100的位置将确定湿润线的工作位置。这样，由于电极易趋向于与吸引的相反极性的电荷调整它本身，电极100的位置(来自原始涂覆流体薄片接触线)能够导致接触线的相应运动。电极100较佳地放置在不超过离原始涂覆流体薄片接触线上游或下游的2.54cm(1.0英寸)处。
如上所述，电极可以采用许多种形式，但它必需产生能够高度聚焦的有效电场把涂覆流体吸引到所需的湿润线位置。这可以通过形成有某些特定几何结构的电极部分来完成。例如，可以形成引导边缘或邻近薄片的边缘使具有特定的可调半径来产生所需电力场线。在这个情况下，电极部分较佳的半径不超过1.27cm(0.5英寸)，更佳的半径不超过0.63cm(0.25英寸)。也可以使用其它场聚焦方法。例如，在邻近第一电极处可以设置附加电极来调整来自第一电极的电场。第二电极可以被设置到任意位置，包括在第一电极100的下游或甚至在薄片20的第一侧26上，只要它产生的电场在由第一电极100产生的静电场上有所需的聚焦效应。由电极100产生的静电场的聚焦效果是较强的湿润线，它对不均匀流体流或电极的电荷变化或输入薄片的电荷变化较不敏感，从而提供了更均匀的涂覆和对产品偏差的更大的工艺公差。
可以理解，电极的位置可以是流体湿润线的上游或下游，只要有效电场基本上位于流体湿润线上或其下游。例如，可以构件这样一个电极，使其表面电荷密度基本上高于在流体湿润线上或其上游处，在流体湿润线上或其上游处来聚焦有效电场。换句话说，通过用导电或不导电护罩或接地盘遮挡上游电场能够在流体湿润线上或其下游基本上聚焦有效电场，例如是申请于2000年4月6日的关于采用聚焦薄片电荷场的静电辅助涂覆方法和装置的美国专利申请，其作者是JohnW.Louks，Nancy J.Hiebert，Luther E.Erickson和Peter T.Benson(代理记录号51113USA4A)。
使用邻近湿润线的尖锐限定的电极结构来产生相对涂覆流体的有效电场，也让它较好地与流体涂覆相切，特别是与更有弹性的流体。图7示出了使用这样电极的切线涂覆装置(使用诸如图4所示的空气支撑架/电极装置)。切向幕涂覆通常能够操作具有比横向幕涂覆结构更高的延伸粘度的涂覆流体。切向涂覆结构也提供了在涂覆过程中与控制涂覆流体有关的优点。例如，如果发生了在图3示出的涂覆系统中的薄片中断，电极将被涂覆流体涂覆，这将导致用于涂膜器清洁的停机。另外，如果涂覆冲模在开始前清洗，就必需使用会使涂覆平台结构复杂化的俘获盘。切向涂覆的另一个优点是在涂覆中将更易于取得幕边缘珠的控制，这是由于在冲模底部或涂覆流体的涂敷装置30底部和薄片支持结构间的空间约束的移动(例如空气支持架102)。
图8示出了图7中示出的空气支架装置的另一个实施例。对于特定的流体，对特定薄片速度范围存在着最佳的幕长度。通常，较高的速度或较高的流体涂覆重量需要较长的幕，而较低的速度或较低的涂覆重量则需要较短的幕。虽然在图7中只示出了一个电极，在图8中示出的多个电极装置有允许操作者通过为相应电极充电以改变幕高度的优点。例如，较短的幕可以用于较薄的涂覆或较低的薄片速度，而较长的幕可以用于较大的线速度。距离冲模30最近的电极100a可以被充电，而不是向下移动冲模来限定较短的幕长度，距离冲模30最远的电极100b可以充电，而不是向上移动冲模来限定较长的幕长度。可以根据流体特性和所需速度范围选择电极的间距。
在本发明的所有实施例中，通过将涂覆流体接地，在涂覆平台可以把正电荷的有效电场曝露给薄片。另外，可以把负极性施加给涂覆流体。另外，可以反转电场和施加到涂覆流体电荷的极性方向。例如，图8示出了横向延伸电极120(诸如电晕线)，将它调整来施加正电荷到涂覆流体32上。通过一个或更多的适宜的横向延伸屏蔽罩122可以屏蔽电极120来引导并且聚焦它对涂覆流体32的正电荷124的提供。在那个情况下，在薄片20的第二侧28上的电极100有相对在通过那里的薄片20的负电荷，从而产生了所需的静电吸引效果。屏蔽罩122可以从非传导材料或绝缘材料形成，诸如由E.I du Pont de Nemours of Wilmington Delaware制造的DelrinTMacetal resin(乙缩醛树脂)或由在接地或高电势的半导电或传导材料形成。能够以任意形式来形成屏蔽罩122来取得所需的电屏蔽。
在对比实验聚焦电极装置(例如见图10)与有较大直径的充电滚筒(例如图9)的切向涂覆的一系列实验中，在流体湿润线中使用聚焦场来取得更线性和稳定的湿润线。涂覆流体是有大约3000厘泊粘度的100％固体固化流体。采用(从冲模缘底部到流体接触线测量的幕长度距离)了大约4.45cm(1.75英寸)的幕长度。采用了幕充电电晕线，它在冲模缘垂直下方大约3.18cm处(1.25英寸)并且垂直于下垂幕大约7.62cm(3.0英寸)处。当薄片速度为91.4m/分钟(300ft/min)，幕流体速率调整为给出50微米(0.002英寸)涂覆厚度。充电滚筒系统(图9)是有0.51cm(0.2英寸)陶瓷套筒的11.3cm(4.55英寸)的直径滚筒126。通过电晕线系统对陶瓷表面充电。该发明聚焦电极装置(如图11所示)包括了有3.18cm(1.25英寸)半径表面的非传导条128。传导箔130粘合到条128并且传导箔130的引导边缘132位于条切向点上面大约0.25cm处(0.1英寸)(切向点是不受静电力影响的涂覆幕使薄片通过条128的点)。非传导带131有邻接传导箔130引导边缘132的边缘。由箔130的引导边缘132产生聚焦场。采用提供负极性高电压电源对箔130充电。在这些实验中使用了由新泽西州，Whitehouse Station的Glassman High Voltage公司制造的正和负极性Glassman系列EH高电压电源装置。
使用在图9中示出的充电滚筒系统，幕充电晕线120设置为负20千伏并且滚筒126电晕充电器设置为正20千伏。通过从冲模缘到滚筒的垂直线产生的滚筒上(从图9中的点134下面薄片)的切向点下面薄片上大约1.27cm(0.5英寸)处通常发生湿润线。在速度为76m/分钟(250ft/分钟)时，湿润线的波动为1.27cm(0.5英寸)的总的薄片上方到薄片下方的偏差。相对这个的测量的涂覆厚度变化为大约17.9微米(0.0007英寸)。将速度增加到91.4m/分钟时(300ft/分钟)使得输送空气到涂覆层34。
使用聚焦场系统，将看到在湿润线均匀性和涂覆均匀性上的主要改进。图10和11中的电极装置类似于图7示出的切向方式定位，但是进入薄片处在更为锐的角度。幕充电电晕线120设置为正20千伏并且传导箔设置为负20千伏。当速度为91.4m/分钟(300ft/分钟)，观察到有大约3.6微米的相关测量涂覆偏差(0.00014英寸)的极好的湿润线线性。这些实验示出了有更强聚焦电场的湿润线性和涂覆厚度均匀性的改进。
执行图10和11中的两个聚焦电场设置的测试，在91.4m/分钟(300ft/分钟)的薄片速度的50微米(0.002英寸)涂覆厚度运行中来分析涂覆流体输入流速度和电流充电均匀性的处理灵敏度。首先，在涂覆流体涂敷装置30的狭缝中遮挡大约0.25cm的横向部分来在涂覆幕32上产生横向低流来的区域。其次，幕充电线长度的横向部分0.33cm(0.13英寸)被覆盖在另一区域吕，在涂覆带32上产生了减少电荷的横向区域。当条128的聚焦场系统激活时，通过设计的横向中断不会观察到涂覆流体/薄片接触线的视觉偏差。在不加入聚焦场时，在低流动区域中的幕32将向薄片上方弯曲并且在低电荷区域的幕32将向薄片下方弯曲，并且所有的条件增强了涂覆非均匀性。因此，采用静电聚焦电场促进涂覆有效克服系统在涂覆流体幕中的不规则性。
比较定量分析测试也用于估计预充电进入流体来对有有限电导率的流体增加静电系统的发展。在这一系列测试中，在0.0036cm(0.0014英寸)聚酯薄片上涂覆了100％的固体可固化流体。流体的粘度大约1400厘泊。采用了诸如在图12中示出的滑动幕冲模，它有只有2.54cm直径(1.0英寸)的传导后向滚筒200，连接到正极性的高电压电源上。冲模30直接位于滚筒200的顶部不导电的中心上，高度大约2.7cm(1.06英寸)。但是，人们发现涂覆流体32的低电导限制了涂覆方法的发展。为了达到此目的，涂覆流体32的表面充以充电的后向滚筒200相反极性的电荷。这样做的两种方法已被研究并且卓有成效，一种是提高了冲模30的电势，另一个使用电晕线220(和相应护罩222)对流体表面充电。在湿润线薄片下方侧的垂直下落幕大约6.35cm(2.5英寸)处由0.015cm(0.006英寸)直径钨电晕线完成了幕充电。这个电晕线220的确切位置不量最重要的，并且它不能位于在幕的相对侧，或邻近冲模30滑动表面的沿着下落幕的不同位置。
这系列的测试涉及图12的发明的静电涂覆辅助系统来确定在给定幕流动速度中可以得到的最大涂覆速度并且(a)没有静电力，(b)只有滚筒高电势，和(c)连同幕充电的滚筒电势升高。滚筒流体32的流速保持恒定并且开始在91.4m/分钟(300ft/分钟)产生14.3微米(0.00057英寸)的干燥涂覆厚度。在没有静电力时，在薄片速度为3.1m/分钟(10ft/分钟)时，在滚筒200的顶部不导电中心的薄片下方1.27cm(0.5英寸)处发生了湿润线。在较高的薄片速度中，湿润线更加偏离薄片下方，产生了弯曲的接触线，涂覆不均匀性，传输空气和幕破损。随着将后向滚筒200充电到正20千伏，湿润线在薄片速度为24.4m/分钟(80ft/分钟)时在薄片下方大约0.64cm处发生。在速度上的进一步增加导致湿润线移向薄片下方更远。当滚筒200充电到正20千伏并且幕电晕充电线220为负11千伏时，当薄片速度为97.5m/min(320ft/min)时在薄片下方大约0.64cm(0.25英寸)处发生了湿润线。这些测试示出充电较低电导率涂覆流体的效用，是改进了本发明静电力涂覆辅助系统的静电力充电吸引能力一个方法。在图12的静电涂覆辅助系统上实施一另一套实验(使用相同的涂覆流体)以确定在薄片速度为91.4m/分钟(300ft/分钟)时的最小涂覆厚度。在没有静电力时(也就是，在滚筒200或电极220上没有施加电荷)，所使用的泵系统不能提供足够的涂覆流体32来取得最小的必需流体速度来使得湿润线在滚筒200的顶部不导电中心位置发生(流体速度不够高，来产生使得湿润线在滚筒200顶部不导电中心和幕附近处发生的必需的动量，从而保持垂直位置)。在这个小于最小涂覆厚度的泵运速度下，在滚筒200的顶部不导电中心位置薄片下方1英寸处发生了湿润线，产生85微米的涂覆厚度(0.0034英寸)。使用静电力，如在前面实例中将后向滚筒200和电晕线220都充电，可能有更薄的涂覆，使得到最小的6.5微米(0.00026英寸)的涂覆厚度，并且在大约滚筒200顶部不导电中心位置发生了湿润线。
由于发现聚焦更强的电场产生了更线性和稳定的涂覆流体湿润线时，切向涂覆系统使用了聚焦电场装置，类似于在图7中所示出。在空气支架装置102中的电极100为0.157cm(0.062英寸)直径棒。这个设计的第一实验，将把粘度为大约3700厘泊的固体可固化流体用作涂覆流体。采用了两英寸的幕长度(幕长度为从冲模凸缘底测量部到棒的距离)。幕充电电晕线120为垂直于棒上面大约0.75英寸并且离棒水平隔开大约2.25英寸。棒电极保持为负16千伏并且幕电晕充电线保持在正10千伏。将这两种滚筒空气支架装置对准来使薄片20在相对垂线的约10度角接触涂覆流体32。在薄片速度为每分钟250英尺时用笔直和稳定的接触线产生了50微米(0.002英寸)厚的涂覆。产生于湿润线变化的涂覆厚度变化只有大约2微米(0.00008英寸)。因此静电涂覆辅助使处理变化变为最小并且提高了涂覆均匀性。
美国专利5,262,193和5,376,402揭示了在涂覆中涂覆流体和薄片间的原始接触线的声学触发增加了涂覆流体的均匀性和可湿性。发明者发现同时提供声音场和静电场对湿润线上的所需力有附加效应。例如，图13示出当涂覆冲模和超声波和静电复合电极228在薄片20的第二侧28下面时的采用0.076cm(0.03英寸)内部直径中空指针225的试验。复合电极由在它的绝缘聚酯带234的凸角表面层232上的超声凸角(horn)230和一层导电铝带236组成。如所示，指针225平行于在薄片20第一侧26上的凸角表面232，并且凸角230位于薄片20的第二侧28，类似于图3所示的方向，且薄片20通过在凸角表面232上的铝带236。调整指针225来撒布涂覆流体238到相对电极228的薄片20的第一表面上。在流体涂覆中，“动态接触角”即“DCA”是对涂覆系统对于空气传输产生故障的阻力。通常，动态接触角(见图14)随着薄片速度的增加而增加直到通常接近180度的空气输送开始发生。
超声波或静电力的施加减小了动态接触角。超声铝凸角为1.91cm宽(0.75英寸)，半径为1.27cm(0.5英寸)。所施加频率为20000千赫并且振幅为20微米(0.0008英寸)峰一峰值。通过将两层粘合带(聚酯234)附加到耦合到正高电压电源的铝带236的外部层形成静电力电极。涂覆流体238是丙三醇和水溶液，具有的粘度为100厘泊。可以看到，在薄片速度为3m/分钟(10ft/分钟)没有静电场或超声的“动态接触角”为135度，当只使用超声时它减小到105度，而只施加电场时它减小到90度，并且同时施加静电力和超声力时它减小到70度，表示出两个涂覆辅助力的附加效应。当没有超声或静电时薄片速度增加到30米/分钟(100ft/分钟)，“动态接触角”增加到大约160度，此处发生了空气传输。当只有静电力在薄片速度为30米/分钟(100ft/分钟)，动态接触角也只有110度。当只有超声时，动态接触角也只为110度。当超声和静电都施加时，动态接触角减小到100度，进一步表示出这两个涂覆辅助力的附加效应。在薄片速度为3米/分钟时(10ft/分钟)，为了示出在涂覆速度上减小动态接触角的外部力效应，没有静电或超声的“动态接触角”为135度，当只有静电场时，直到达到76米/分钟(250ft/分钟)的薄片速度，“动态接触角”才增加到135度。声音激发的优点可以在其它频率达到，包括声音和超声频率。
在涂覆环境中结合声音和静电的优点不限于上述的特定应用。在许多涂覆应用中，可以发现暴露涂覆流体到邻近涂覆平台的电场力和声学力的有益附加效应。例如，如果静电系统和超声系统用于力基本上在流体线上或薄片下方，可以看到诸如减小空气输送和较高涂覆速度所需效应的增加。但是，如果静电或超声的结构设计(或两者)为在流体接触区域中或下游都基本提供力，则可以实现进一步的改进。邻近流体湿润线的静电场和声音场的应用将吸引涂覆流体到被涂覆的基片来产生明显的优点，并且不仅限于特定在这里描述的静电和声音实施例和力施加装置的结构或方法。
通过申请于2000年4月6日的关于有聚焦薄片充电场的静电辅助涂覆方法和装置的美国专利申请也在这里合并引用，其作者为John W.Louks，NancyJ.Hibert，Luther E.Erickson和Peter T.Benson(代理号51113USA4A)。
在不背离本发明的范围或精神的情况下可以对本发明进行不同的变化和修改。例如，可以使用任意的方法来产生聚焦电极电场。静电聚焦场也可以制成为横向分立的，来只将涂覆流体的特定薄片下方带涂覆到薄片上，或能够充电来开始在一个区域中的涂覆并且取消充电来停止在一个区域中的涂覆，从而产生在薄片上的涂覆流体岛或有所需特性的涂覆流体的图案。电场可以制成为非线性的，例如通过横向非线性电极，从而产生非线性接触线和非均匀涂覆。这样如果电极在特定横向设置区域中有薄片向下方的曲线，在那个区域中的涂覆相对邻近区域而言更厚。
通过引用将所有引证材料合并到这个揭示中。
权利要求
1.一种施加流体涂覆到基片上的方法，其特征在于，其中基片在其第一侧有第一表面并且在其第二侧有第二表面，并且该方法包括在基片和流体涂覆平台间提供相对的纵向运动；沿着在涂覆平台横向设置的流体薄片接触区域通过以0度到180度的角度，引导一股流体到基片的第一表面上形成流体薄片湿润线；并且从来源于在基片第二侧位置的有效电场在流体上产生吸引主吸引电场力，其中基片基本上在流体湿润线之上和其下游，而当通过电场力吸引流体到基片的第一表面时，不需要电荷移动到基片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中产生步骤进一步包括在基片的第二侧给电极电能来形成有效电场。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括基本上在流体湿润线上或其下游设置电极的步骤。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中由半径不超过1.27cm的部分电极限定有效电场。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中由半径不超过0.63cm的部分电极限定有效电场。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括支撑邻近流体涂覆平台的基片第二侧。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括形成一股流体，其中涂覆流体撒布器从下面一组中选取，有幕涂膜器，载体流体涂覆方法，小珠涂膜器，挤压涂膜器，滑动涂膜器，刀片涂膜器，喷嘴涂膜器，槽口条，滚筒涂膜器和流体支架涂覆器。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中引导步骤进一步包括切向引导流体流到基底的第一表面上。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中电极的电荷有第一极性，并且进一步包括施加第二电荷到流体流，第二电荷有相对电极电荷的对立极性。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中产生步骤包括给电极电能，并且进一步包括声音激发电极。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中声音激发步骤包括在超声频率激发电极。
12.一种施加涂覆流体相对于装置该基片相对关于装置有相对纵向运动，其特征在于，其中基片在其第一侧上有第一表面并且在其第二侧上有第二表面，其特征在于，所述装置包括撒布涂覆流体到基片第一表面上来形成沿着横向分布的流体接触区域的流体湿润线的装置；和电场施加装置，通过基片第二侧横向延伸并且在基片第一表面上相对流体湿润线基本对准来负担电荷，并且在基片上的基本上位于流体湿润线和其下游的位置产生主要来吸引流体到基片的第一表面，其中有效电场主要发出在电场施加装置上的电荷，硬确切地从转移到基片第二表面的电荷发出。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，其中电场施加装置包括至少一个小直径棒，一个传导带，和有用于限定有效电场的小半径部分的传导元件。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于，进一步包括一种横向延伸通过邻近电场施加装置的基片的空气支架，用于相对电场施加装置支持和对准基片的第二侧。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，其中用于撤布的装置包括从下列一组中选出的涂覆流体撒布器，幕涂膜器，小珠涂膜器，挤压涂覆器，载体流体涂覆方法，滑动涂覆器刀片涂膜器，喷嘴涂膜器，槽口涂膜器，滚筒涂膜器和流体支架涂膜器。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，其中用于撒布的装置，使得在从0度到180度的角度将流体流撒布到基片的第一表面上。
17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，其中电场施加装置在基片第二侧均匀间隔。
18.如权利要求12所述的装置，其特征在于，其中由电场施加装置提供的电荷有第一极性，并且进一步包括施加有第二对立极性的第二电荷到涂覆流体流。
19.一种施加流体涂覆到基片上的方法，其中基片有在其第一侧上的第一表面和在其第二侧上的第二表面，其特征在于，该方法包括提供在基片和流体涂覆平台之间的相对纵向运动；通过沿着在涂覆平台的横向设置的流体薄片接触区域以0度到180度的角度引导流体流到基片的第一表面上，形成流体湿润线；使邻近涂覆平台的涂覆流体受到一个电场力；以及使邻近涂覆平台的涂覆流体受到一个声音力。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中电场力和声音力的效应是吸引涂覆流体到基片。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中电场力和声音力来源于一个共用源。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，其中声音力是超声波声音力。
23.一种施加涂覆流体到有相对该装置有相对纵向移动的基片上的装置，其特征在于，其中基片有在其第一侧的第一表面和在其第二侧的第二表面，并且其中该装置包括涂覆流体涂敷装置，撒布一股流体到基片的第一表面上来形成沿着横向分布流体接触区域的流体湿润线；电场施加装置，在邻近流体湿润线的基片上的位置施加电场力来吸引涂覆流体到基片的第一表面；和声音场施加装置，在邻近流体湿润线的基片的位置上施加声音场。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中电场施加装置包括在基片的第二侧上的电极。
25.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中声音场施加装置和电场施加装置是在基片第二侧的普通元件。
26.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中声音场是超声波声音场。
27.如权利要求23所述的装置，其特征在于，其中用于撒布的装置使得在从0度到180度的角度、将流体流撒布到基片的第一表面上。
全文摘要
涂敷流体涂覆到基片上的系统，包括沿着横向设置流体薄片接触区域，通过引导流体流形成流体湿润线。从基片的第二侧和基本上位于流体接触区域上或其下游位置发源的有效电场在流体上产生电场力。通过在基片第二侧尖锐地限定电极在相对涂覆流体的高效方式中产生电场。结合静电场的超声进一步提高了涂覆处理条件和涂覆均匀性。
文档编号B05C11/10GK1433340SQ01810695
公开日2003年7月30日 申请日期2001年2月28日 优先权日2000年4月6日
发明者J·W·库克斯, S·王, L·E·埃利克森 申请人:3M创新有限公司