专利名称：往刮脸刀片锋刃上涂敷高聚物的方法
技术领域：
本发明涉及刮脸刀片的制造方法。更具体地说，是涉及一种在刀片锋刃表面上塗佈有高聚物材料的刮脸刀片的制造方法。
在先有技术中，已经知道制造带有各种塗层的刮脸刀片的方法，开发这些方法是为了使刀片不易磨损以及在大气条件下不受侵蚀，以及在贮存过程中或在刮脸过程中与各种材料(这些材料可能会使刀片的基本材料发生降解)接触时不受损害。
除了保护制造刀片的材料以外，也配制了各种用于刀片锋刃上的塗料，试图消除在刮脸过程中发生的不良效应，这些放应可能导致刺激刀片用户的皮肤。具有低磨擦系数的材料常被用于这一目的。
为实现上述目的，刀片锋刃的表面可用熔融方法塗佈上高聚物材料而将刀片进行处理。一般，把高聚物材料塗敷到刮脸刀片上是通过将分散在溶液中的高聚物材料喷雾到刀片上，然后在非氧化性的环境中加热刀片，使高聚物材料熔融而铺展在刀片锋刃的表面上来完成的。当刀片最后被冷却时，塗层即固化并粘附在刀片上。一般，加热刀片以产生上述熔融过程是通过红外线加热或电阻加热，使其达到200℃至400℃的温度范围来完成的。这一方法的各种示例已在Creamer等人的美国专利No.3,224,900以及Nizel的美国法定发明注册H640号中公开。
电阻和感应加热的能量消耗很高并需长时间加热刀片，因为它加热整个刀片(包括支架或固定装置)。虽然红外线加热比电阻加热或感应加热稍为快些——加热一英尺长(12英寸)堆积起来的刀片只需40秒钟，而电阻或感应加热则需要大约20至30分钟——但它的加工窗口实际上是相当小的，因为刀片堆积后的辐射系数随着磨尖的刀片的角度而变化。此外，使塗层充分固化以便处理刀片之前所需的冷却时间仍嫌过长。
本发明的一个目的是对先有技术中把高聚物材料的塗层塗敷到刮脸刀片的锋刃上的方法提供一种改进，即在制造方法中引入射频加热、最好是微波加热的方法。
本发明的另一个目的是减少用来熔融和固化高聚物塗层材料的加热和冷却的时间，同时对刀片锋刃没有不利的影响。
另外一个目的是生产出高聚物与基底的刀片锋刃具有良好粘接性的带塗层的刀片。
本发明还有一个目的是通过使用微波能量来降低把高聚物材料熔融在刀片锋刃表面所需的能量。
本发明涉及一种制造在刀片锋刃上塗佈有高聚物材料的刮脸刀片的方法，它包括以下步骤提供一个其中充有非氧化性气体的腔室以及一种能放出射频能量、最好是微波能量的装置；把一种高聚物材料、优选的是碳氟聚合物、最优选的是聚四氟乙烯塗敷到刀片的锋刃上，并把所说的刀片保持在所述腔室中，从而使所说的射频能源有效地感应加热所说刀片的塗佈过的锋刃表面的温度，并使所说的高聚物材料熔融。
本发明的上述目的以及其它的特征将结合优选的实施方案并参照附图作更具体的描述。
图1是以横向电流摸式112(TE112)操作的单一式微波谐振腔的示意图，其中刀片显示是平行于磁场(H)并垂直于电场(E)的。
这里叙述的百分数和比率除非特别指明都是按重量计的。
这里所用的术语“刮脸刀片的切割锋刃”包括刀片的切割点和面。申请人认识到整个刀片都可以用本文描述的方法来塗佈，但相信塗佈整个刀片对于本发明不是很必要的。
供本发明中塗佈使用的刮脸刀片的准备过程与先有技术中所使用的方法类似，即先用溶剂或洗涤剂洗涤以溶解可能积聚在刀片上的油垢和灰尘，以准备好接受要固定在刀片表面上的塗层的洁净表面。
刀片经洗涤后，即可放在本领域众所周知的任何类型的支架型装置中进行干燥，并用高聚物材料塗佈。许多商品刮脸刀片在钢的刀片和高聚物之间还有一层铬/铂中间层。这种类型的中间层是在高聚物塗佈之前经阴极溅镀镀在刀片锋刃上的。另外，刀片材料在高聚物塗佈之前可按美国专利NO.5,142,785和5,232,568所述方法塗佈似金刚石的碳(Diamond Like Carbon，DLC)，这两项专利在此引入作为参考。
高聚物材料可以是任何一种能在刀片的切割锋刃上熔融并在数次刮脸过程中保持粘附的材料。典型的高聚物材料是碳氟高聚物、基于聚硅氧烷的高聚物或它们的混合物。适合的碳氟高聚物包括那些含有主要由-CF2CF2-基团组成的碳原子链的高聚物，诸如四氟乙烯的高聚物，也包括它的共聚物，诸如它与占较小比例、例如至多5％重量的六氟丙烯形成的共聚物。这些高聚物在碳链的终端带有性质各不相同的末端基因，如众所周知那样，这些基团依赖于制造该高聚物的方法，这类高聚物通常的末端基因有
-H，-COOH，-Cl，-CCl3，-CFClCF2Cl，-CH2OH，-CH3，-CF2H，…等虽然优选的高聚物的精确分子量以及分子量的分佈还不确切知道，但相信它们具有低于700,000、最优选地是具有大约25,000的平均分子量。优选的含氯高聚物是那些含有0.15至0.45％重量的氯(它们是存在于末端基因中)的高聚物。也可以使用两种或多种碳氟高聚物的混合物，前提条件是这种混合物具有上面指定的熔体和熔流速率特性，即使组成这一混合物的个别高聚物并不具有这些特性。最优选的原料是聚四氟乙烯。
高聚物在一种合适的溶剂诸如水、挥发性有机溶剂诸如醇、氟利昂碳氟化合物溶剂或它们的可相互混溶的混合物中所形成的分散体，可以用任何一种适宜的、能给出尽可能均匀塗层的方法，例如浸渍或喷雾法，塗敷到刀片的切割锋刃上。喷雾塗佈是优选的工业塗佈方法。对于切割锋刃的塗佈，喷雾或雾化方法涂布是特别优选的。可使用一种静电场连同喷雾器一道使用以求增进喷敷的效率。有关静电喷雾技术的进一步的讨论，可参看1973年1月30日授权给Fish的美国专利No.3,713,873，在此引入作为参考。为使喷雾容易进行，最好预先加热分散体。预热的程度有赖于分散体的性质。
一旦刀片锋刃被塗佈好，就可加热除去溶剂并熔融高聚物，使它粘附在刀片上。加热操作可导致生成烧结的、部份熔融或熔融的塗层。全部熔融的塗层是优选的，因为它能让塗层展开成连续的薄膜并更彻底地覆盖刀片的锋刃。有关熔融、部份熔融和烧结的更详尽的讨论，可参见McGraw-Hill Encyclopedia of Science and Technology第12卷，第5版，第437页(1992)，在此引入作为参考。虽然刀片可在空气中被加热，但最好是在一种惰性气体诸如氦、氮等的气氛中、或在还原性气体诸如氢气、或这类气体的混合物的气氛中、或在真空中进行加热。加热必须充分，以使各个高聚物的颗粒至少发生烧结。最好是，加热必须充分到能使高聚物展开成基本上连续的具有适当厚度的薄膜，并使它牢固地粘附在刀片锋刃材料上。
射频加热射频加热克服了所有先有的传统加热方法的不足。它打开了比红外线加热更大的加工窗口，并且由于实际被加热的只是刀片锋刃暴露的外表面，从而能快速地加热、冷却并且节省空间。任何一种能够加热刀片锋刃的射频能量都可用于本发明。微波(300MHz至30GHz)辐射是优选的射频源。在应用于刮脸刀片的锋刃时，典型地用波长为大约12厘米的2.45GHz频率的微波来加热在刀片锋刃上的聚四氟乙烯(PTFE)塗层。电场随时间变化从而在刀片锋刃表面感生出电流，因此只有表面浅层被充分加热至熔融并使聚四氟乙烯塗层流动。此外，由于选择性的加热，在锋刃表面被快速加热至使PTFE熔融并流动以后，刀片本体起着散热片的作用，导致比红外线加热更快的冷却。这一冷却作用可通过在微波处理之前、处理过程中和/或处理之后把刮脸刀片冷却到大约5℃至大约20℃而得到增强。这意味着由于去除了冷却室或减小了冷却室的尺寸而使生产单元变得更短，也节省了空间。
已知射频能量、特别是微波能量能有效地加热金属。其物理原理被称为焦耳加热。与磁能被转化为热量的感应加热类似，射频加热同时利用电场和磁场来加热导体材料。当在金属中被感生出表面电流时，加热作用即发生。描述电流的数学表达式为
J=▿AH-dDdt]]>其中J为感生电流，H为磁场，D为电场，t为时间。简单地说这一方程意味着电流可通过磁场的旋转或电场的时间微商而在金属表面产生。在微波频率段的电流由于集肤效应主要是在金属的表面层流动。集肤效应主要是由于在理想金属的内部电场永远等于零这一事实，因此电流必须在表面流动以满足这一电磁边界条件。在2.45GHz时表层深度大约为1微米。这意味着刀片受热的大部份发生在暴露于微波场的表层。然后加热作用通过欧姆损耗而产生。加热时消耗的功率相应于P=12|2R]]>其中|是电流，R是电阻。在用微波电磁场照射金属表面的情况下，方程式成为P=12J2Aσδ]]>其中A是金属的表面积，σ是导电率，δ是表层深度δ=1f]]>表层深度反比于激发频率f的平方根。这就是为什么对于加热刀片来说微波更为有效的原因加热过程首先是从暴露的外表面开始，然后才通过传导作用来加热刀片整体的其余部份。
加热的均一性是一个很重要的问题。因为微波功率变换方程是一个向量方程，重要的是要知道磁场和电场的方向性有什么影响。2.45GHz的微波波长大约为12厘米，这意味着在实际生产情况下刀片支架将暴露于多于一相的微波功率空间分佈中。
在多模(家用)谐振腔的微波炉中用微波加热的一个共同的问题是金属材料以及那些导体金属含量高的材料倾向于电弧放电。这种类型的电弧放电可能对刮脸刀片的锋刃造成有害的凹痕。申请人已经发现通过小心地调节微波谐振腔使反射功率减至最小，即可消除电弧放电。这可用单模谐振腔最有效地做到。关于单模和多模谐振腔的讨论可参看Gandhi编写的“Microwave Engineering&APPlication”，Pergamon出版社，NY(1935)以及Asmussen等人在Rev.Sc.，Instrum.，58(8)，1477-1486页(1987)发表的论文，在此引入作为参考。最优选的是以TE112模式运行的单模谐振腔。
刀片应这样安放在谐振腔中，使刀片或者是垂直于或者是平行于电场。图1描绘了以横向电流模式112(TE112)操作的单模微波谐振腔。磁场H以虚线的形式表示。电场E以实的箭头形式来表示。在这一附图中电场E是垂直于安置在谐振腔(1)底部的刮脸刀片(2)的。像可从图中看到的那样，形成的磁场H是在平行于刮脸刀片(2)的长度方向上运行。刮脸刀片的切割锋刃(3)被安置在这一图中的上部。重要的是只有刮脸刀片的切割锋刃(3)(即要被处理的部份)被允许穿透到磁场H内。否则，能量场即被扰动从而可产生多模谐振腔的效果。这样将导致电弧放电并对刀片造成损害。把刀片的锋刃表面快速加热到高聚物的熔点是合乎需要的。申请人已经发现63片厚度为0.004英寸的刮脸刀片可以用高达1200瓦的功率在大约15秒钟内加热到能使聚四氮乙烯高聚物很好地粘附的温度。当功率升得太高时折射的能量损失会成为一个问题。
加热条件，即最高温度、加热时间等必须这样来调节，即要避免高聚物的显著分解和/或切割锋刃金属的过度回火。最好是温度不要超过430℃。
虽然本发明的具体实施方案已被显示和描述，但仍可对这一方法进行改变而不会超出本发明的范围。因此，本发明包含所有那些在所附的权利要求范围内的实施方案。
下面的具体实施例例解说明了本发明本质。用下面每个实例制得的刀片进行开头五次刮脸得到的质量等于或优于目前可买到的以含氯氟烃溶剂制造的塗佈有碳氟化合物高聚物的刀片所得到的质量。并且对每个具体实施例的刀片的情况，继续用它刮脸时质量的下降也小于或等于用通常加热方法制造的塗佈有碳氟化合物高聚物的刀片质量的下降速度。
实施例1制备一种含有10％重量Vydax 1000(E.I.Dupont Nemours生产，是分散在氟利昂碳氟化合物溶剂中的聚四氟乙烯，数均分子量为大约25,000)在异丙醇中的分散体，并用超声分散器均化。然后用这种分散液喷雾在不锈钢刮脸刀片的锋刃上。干燥后，把1/4英寸的刀片堆积在密西根州普里茅斯Wavemat Inc.公司生产的MCR 1300型微波发生器CMPRTM250型微波谐振腔中。整个谐振腔用氮气以10 SCFH(标准立方英尺/小时)的速度吹扫15分钟。用这样一种方式来调整微波发生器，使微波发生器所产生的电场平行于刀片的锋刃(TM112模式)。往刀片上施加900瓦的功率20秒种，使最大的加热温度为400℃(表面)。这样处理过的刀片与在红外线加热炉中处理过的类似的刀片具有同样的刀片质量和相类似的塗层耐久性。
实施例2
制备一种含有10％重量Vydax 1000(E.I.Dupont Nemour生产)在异丙醇中的分散体，并用超声分散器均化。然后把这种分散液静电喷雾在不锈钢刀片的锋刃上。干燥后，把1/4英寸的刀片堆积在密西根州普里茅斯的Wavemat Inc公司生产的MCR 1300型微波发生器的DMPRTM250型谐振腔中。整个谐振腔用氮气吹扫5分钟。用这样一种方式来调整微波发生器，使微波发生器所产生的电场垂直于刀片的锋刃。往刀片上施加536瓦的功率。经这样处理过的刀片比类似的(按通常方法制备)在红外线加热炉中处理过的刀片具有更好的塗层耐久性。
实施例3制备一种含有10％重量Vydax 1000(E.I.Dupontde Nemours生产)在异丙醇中的分散体，并用超声分散器均化。按美国专利No.5,142,785和5,232,568所描述的方法在刮脸刀片上塗佈一层1000埃厚的似金刚石的碳(DLC)。然后把分散液静电喷雾到刀片锋刃上。干燥后，把1/4英寸的刀片堆积在密西根州普里茅斯的Wavemat Inc公司生产的MCR1300型微波发生器的CMPRTM250型谐振腔中。整个谐振腔用氮气吹扫5分钟。用这样一种方式来调整微波发生器，使微波发生器所产生的电场垂直于刀片的锋刃往刀片上施加536瓦功率15秒钟，使温度达到375℃(表面)，这样处理过的刀片比类似的在红外线加热炉中加热过的刀片具有更好的刀片质量和更好的塗层耐久性。
权利要求
1.一种制造在刀片的切割锋刃上具有高聚物材料涂层的刮脸刀片的方法，它包括以下步骤a)提供一个其中充有非氧化性气体的腔室以及一种能放出射频能量的装置；b)把高聚物材料涂敷到刀片的锋刃上；c)把所说的刀片保持在所说的腔室中，使所述的射频能量源感生的热能有效地加热升高所说刀片的塗佈过的锋刃表面温度，并使所说的高聚物材料熔融。
2.权利要求1的方法，其中，所说的放出射频能量的装置能放出频率为大约300MHz至大约30GHz的微波能量。
3.权利要求2的方法，其中，所说的腔室是一种单模谐振腔。
4.权利要求3的方法，其中，所说的腔室是以横向电流摸式112操作的。
5.权利要求3的方法，其中，所说的刮脸刀片锋刃垂直于或平行于电场方向被放置，并且调整所说的单模谐振腔以使反射的功率减至最小。
6.权利要求5的方法，其中，所说的高聚物材料选自碳氟高聚物、基于聚硅氧烷的高聚物或它们的混合物。
7.权利要求6的方法，其中，所说的高聚物材料是四氟乙烯的高聚物。
8.权利要求7的方法，其中，经塗佈的锋刃表面的温度不超过430℃。
9.权利要求8的方法，其中，在步骤b)中，高聚物材料是通过将分散在溶剂中的高聚物塗佈液浸渍或喷雾到刀片的锋刃上而使之塗敷到刀片的锋刃上的。
10.权利要求9的方法，其中，所说的溶剂选自水、挥发性有机溶剂、碳氟化合物溶剂或它们的可相互混溶的混合物。
11.权利要求10的方法，其中，所说的分散液是通过静电喷雾塗敷到所说的锋刃表面上的。
12.权利要求10的方法，其中，所说的微波能量的频率为大约2.45GHz。
13.权利要求1的方法，其中，所说的分散液在步骤b)之前先被预热。
14.权利要求10的方法，其中，所说的刮脸刀片在步骤c)之前先被冷却到大约5℃至大约20C的温度。
15.权利要求10的方法，其中，所说的刮脸刀片在进行步骤c)的过程中被冷却到大约5℃至大约20℃的温度。
16.权利要求10的方法，其中，所说的刮脸刀片在进行步骤c)之后被冷却到大约5℃的温度。
17.权利要求10的方法，其中，所说的刮脸刀片被这样安放，使得只有刮脸刀片的切割锋刃穿透磁场。
全文摘要
公开了一种制造刮脸刀片(2)的方法，它是把一种高聚物材料涂布到刀锋的切割锋刃(3)上。高聚物材料是在一种涂布溶液中被涂敷到锋刃上，然后把刀锋通过射频源加热来熔融高聚物，最好是用微波源加热。
文档编号B05D3/00GK1133576SQ94193889
公开日1996年10月16日 申请日期1994年9月20日 优先权日1993年9月22日
发明者H·M·特兰基姆, M·S·格雷沃 申请人:吉莱特公司