专利名称：：槽缝式涂覆的方法和设备的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用单个或多个流体层涂覆一基底。特别是，本发明涉及当采用一滑模时对液珠式(bead)和垂幕式涂覆的改进。这种技术对于纸张涂覆和照相胶片、磁性记录介质、胶带的生产，以及光学涂层的涂覆而言特别有用。
背景技术：
：经常需要在一个基底上涂覆成分各异的单个或多个涂层。例如，在照相胶片的生产过程中，必须涂覆多达12层的各种成分的涂层。在均匀性方面需要有比较小的误差。采用依次连续涂覆的操作可以在一基底上产生多个重叠的、各异的涂层，或者也可以在一个工位上同时涂覆所有涂层。在采用涂覆技术时，希望能生产出厚度不超过限度的涂层，以便实现所期望的功能。实际上，同时进行多层涂覆的一个主要原因在于通过把涂层组合在一复合层内，可以使它们变得非常薄，以致于不可能将其作为多个单独的层来涂覆。还有，较厚的湿涂层会增加产品的材料成本。类似地，还希望能降低涂层流体配料中的溶剂数量。虽然因溶剂和稀释剂能降低粘度并增大体积而使得配料便于加工，但是它们的成本以及对它们进行安全处理的成本相对较高。在照相行业常用的、重要类型的涂覆模具是滑动涂覆模。美国专利2,761,419中教导了其用于多层涂覆的情况。这种涂覆模还可用于比较薄的单层涂覆。图1示出了一多层涂覆模10’的特征。该模具有三块通过流体分配槽18、20隔开的板件12、14、16，流体分配槽是设置成能让流体从槽缝流到倾斜平面22、24上并向下流动。在倾斜平面24的终点，涂层流体从模具唇部26经过一个很小的间隙后转移到一个移动着的基底28上。美国专利3,632,403中揭示了一种滑动垂幕式的涂覆。在滑模倾斜平面的终点，流体与倾斜平面分开，借助重力呈幕布状下落，而后再与移动基底接触。图2示出了这样一种涂覆模具。对此有一种改进在于，可将其用于同时多层的垂幕式涂覆。美国专利3,508,947中教导了这种用于涂覆照相元件的方法。日本专利51-39264中揭示了另一种型式的滑动垂幕式模具，其中，槽缝以及涂覆液流于其上的倾斜平面的取向相对于重力颠倒过来。在进行涂覆操作时，涂覆模具经常会被表面能量较低的材料沾染。这样会导致涂层缺陷，并增加产生废品的可能性。在用活性的或易固化的涂层流体生产涂覆产品时，经常需要清洁滑模表面，以避免胶状材料结壳。用低能量释放材料，例如硅酮或聚四氟乙烯覆盖模具表面，可便利于清洁工作。因此，最好是把涂覆模具改进为可在其表面具有较低表面能时进行涂覆。本发明的研制W.K.Leonard等人的共同待审的专利申请08/383,962中揭示了一种利用携带流体进行薄层涂覆的滑模。流体从一槽缝流出至模具的斜面，然后再流入一复合层。对于单层涂覆而言，涂层流体的流动带和携带流体的流动带通过槽缝流到模具的滑动面上。虽然前述的模具涂覆技术采用了流速范围在0.5-5立方厘米/每秒-每厘米槽缝宽度[立方厘米/(秒-厘米)]的涂层流体，但是该方法也经常采用比上述小一千至一万倍的流速，即0.00005-0.005毫升/(秒-厘米)。在该工艺中，携带流体经常具有非常低的粘度。涂层流体的粘度是10-1000厘泊，而携带流体的粘度可以只有0.2-1厘泊。与通常采用的密度为0.7-1.1克/立方厘米的涂层流体相比，采用密度为8-13克/立方厘米(液态金属)的携带流体是比较有利的。采用具有较高表面张力的携带流体也是较为有利的。工业上采用的普通涂层流体的张力是在20-60达因/厘米的范围内。液态金属的表面张力是100-1000达因/厘米，而熔融无机盐的表面张力通常有几百达因/厘米。业已发现，流体特性的极限情况或者是非常低的槽缝流速经常会造成难以从涂层流体槽缝或携带流体槽缝流出连续的、全宽的流体流动带。当一种流体不润湿滑模的倾斜平面时(通常在一个较大的接触角上发生流体聚集成液滴或流体湿润线收缩)，欲使以低速沿倾斜平面向下流动的流体流动带在模具的宽度上保持连续、均匀就会变得困难。在较低的流速下，当流动带沿槽缝的整个宽度方向流出时，流体的流动会经常地并且是不能预计地发生停滞现象。它将从槽缝的某些部分，而不是其它部分流出。在流体粘度较低的情况下，流动带经常会分成很多窄的流动带。在另外一些情况下，当最初的单个流动带刚刚从槽缝排出之后，其宽度会变得小于整个槽缝的全宽。这样便造成了一种槽缝流的不稳定性。虽然从槽缝流出的流动带在宽度上的微量减小不一定会造成危害，但是本发明的发明人还是发现，这种宽度缩减的流动带很容易造成非周期性地分叉为多股流动带，特别是在宽的模具中尤其如此。这种不稳定的流动方式将会产生大量不稳定的产品。因此，不能大量地生产高质量的产品。为了便于理解，需定义一个没有量纲的数-毛细管数(Nca)，它直接和流体在槽缝出口的速度成正比。这个毛细管数是由等式Nca＝μU/σ算出，等式中的μ是在表观的槽缝壁切变速率下测得的流体速度；U是在槽缝出口处的平均流体速度；而σ是结合覆盖在出口处的流体而测得的槽缝出口处的流体表面张力。当流体流速比较小时，尤其是当毛细管数小于约0.04时，流体在排出速度上的不稳定性显得尤为不利。过去，工业上的涂覆工作没有遇到过这种不稳定的问题，因为它们是在毛细管数高10至1000倍的情况下工作。然而，当趋向于较薄涂层时，就需要在避免不稳定的同时，于非常低的槽缝毛细管数下可靠地工作。当采用W.K.Leonard等人的共同待审的专利申请08/383,623中所揭示的设备和方法时，涂层流体的毛细管数通常是在0.00001至0.02的范围内。如果携带流体是水，那么毛细管数是在0.0001至0.02的范围内。如果携带流体是液态金属，毛细管数是在0.00003至0.01的范围内。如果流体能润湿倾斜平面并能自发地散布在倾斜平面上，那么就可以避免出口流体的不稳定性。出于各种原因，通常是采用另外添加表面活性剂的办法来降低流体的表面张力。还包括这些办法，即帮助被涂覆基底润湿、在基底上均匀地涂覆、以及尽量减少边缘的液滴。使表面张力降低同时还能润湿倾斜平面，而且使本
技术领域：
的专业人员无需应付和避免不稳定的问题。虽然本发明人认识到降低表面张力对润湿而言是有用的，但是这并不是通用的，必须寻找其它的方法。如果倾斜面是由例如聚四氟乙烯之类的低表面能材料构成，就难以找到一种能进行润湿的表面活性剂。如果倾斜平面上覆盖了一层低能油，那么也难以找到一种能进行润湿的表面活性剂。如果流体是熔融的无机盐或液态金属，可能也没有能降低其表面张力的表面活性剂。即使能找到一种可降低表面张力的试剂，它也可能和涂层流体组份或基底发生化学反应，或者是以其它一些不可预计的方式来破坏被涂覆产品的功能，或使产品质量降低。因此，需要有这样一种方法，它可避免槽缝流出的不稳定性，无需改变涂层流体组份，不靠流体润湿滑动面。发明概要本发明能生产较薄且均匀的流体涂层，能使滑模在有沾染的情况下进行涂覆，并能在采用通常不能被涂层流体润湿的低能模具表面的情况下进行涂覆。本发明扩大了流体分配装置，特别是滑动式或滑动垂幕式涂覆模具的应用范围。本发明提供了一种能使连续的流体流动带在毛细管数比较低的情况下流到一倾斜平面上，不会分成两股或更多股流动带，也不会使流体流动带的宽度在槽缝出口处减小。利用本发明可使流体沿槽缝的整个宽度流到倾斜平面上。当槽缝的雷诺数小于0.04时，可以通过选择槽缝间隙来实现。槽缝出口间隙S不能小于由等式(1)S=6.25μ2Nreaρσ]]>所定义的槽缝间隙。流体可以通过槽缝出口作为一个单个连续的流动带流出，无需降低表面张力来实现槽缝表面或模具面的润湿。在一个实施例中，槽缝出口S可以从由等式(1)所定义的临界槽缝间隙的0.5-0.8倍的范围内选择。在另一实施例中，把槽缝出口间隙选择为小于临界槽缝间隙的0.5倍。所述流体可以是用于涂覆工艺的涂层流体。流体可以是水、乳状液、水溶液、液态金属、熔融的无机盐、熔融的有机材料、超临界流体、液体混合物、以及有机液体之一。或者，流体可以是可溶于水的，并且该流体包括与电磁场和电磁辐射中至少之一能起反应的材料。本发明的设备包括相互间隔的第一和第二板件。槽缝出口间隙S的尺寸小于由等式(1)定义的临界槽缝间隙。槽缝流的毛细管数小于0.04，并且该槽缝可以是一涂覆模具的一部分。涂覆模具可以是滑动式、垂幕式、液珠式或挤压式的涂覆模具。附图简要说明图1是一已知的多层模具的示意图；图2是一单层模具的示意图；图3是用来比较三个常见类型的粘度曲线的曲线图；图4是表示等式(1)之实验验证情况的曲线。详细描述本发明扩大了流体分配装置，特别是滑动式和滑动垂幕式涂覆模具(但也可以是任何其它的流体分配装置)的应用范围。本发明提供了一种设备和方法，能使连续的流体流动带在毛细管数比较低的情况下流到一倾斜平面上，并且不会分成两股或更多股流动带，也不会使流体流动带的宽度在槽缝出口处减小。经过深人研究，本发明人发现流体的粘度、表面张力、密度和质量流速，以及槽缝的宽度都会大大影响不稳定性。经过进一步的研究之后，实现了本发明。在本发明的方法和设备中，流体可从槽缝流出至固体的倾斜平面上，于是当流体不润湿倾斜平面材料时，便在槽缝的出口处形成了一个沿整个出口宽度方向延伸的流体流动带。槽缝出口的尺寸应和流速以及流体特性相匹配，以避免发生不稳定。槽缝出口的尺寸可以小于临界间隙，该临界间隙可以由等式(1)给出S=6.25μ2Nreaρσ----(1)]]>这里的S是以厘米为单位的槽缝间隙，μ是以泊为单位的流体粘度，ρ是以克/立方厘米为单位的液体密度，σ是以达因/厘米为单位的液体表面张力，而Nre是由等式(2)定义的雷诺数，等式(2)是Nre＝4M/μ(2)这里的M是以克/秒-厘米为单位的每个单位宽度上的液体流速。指数a可以由等式(3)来定义a＝0.981+0.3406logNre0.3406(3)通过槽缝出口处的表观切变速率的特性曲线，可以很方便地确定流体的粘度。图3示出了三个常见类型的粘度曲线。曲线1举例示出了一个牛顿流体，其中，粘度不随切变速率变化。曲线2举例示出了一个所谓的“幂函数”流体，其中，粘度的对数是切变速率之对数的线性函数。曲线3举例示出了另一种液体，其中，粘度是以一种已知的但是更复杂的方式随着切变速率发生变化。即使流体是非牛顿流体，表观的切变速率也可以通过等式(4)来确定γ＝6Q/WS2(4)这里的S是以厘米为单位，表示在槽缝出口处沿垂直于槽缝表面至倾斜平面的方向测得的槽缝间隙；W是以厘米为单位，表示槽缝开口沿模具宽度方向的宽度；而Q是流体从槽缝中流出的体积流速，其单位是立方厘米/秒。流体从槽缝中流出的流速需加以选择，以满足被涂覆产品的特性需求，包括最终在基底上的湿涂覆厚度、所要涂覆基底的宽度、基底经过涂覆工位时的移动速度。流体从槽缝中流出时的表面张力主要是受到流体的化学成分以及槽缝出口周围的流体介质的影响。由于当新鲜流体流出槽缝时流体表面是暴露的，所以正确的表面张力应该是紧随着新表面的形成之后来测量的。通过下面将要描述的若干例子，可以更清楚的了解如何采用本发明的方法使流体从一槽缝流到一固体倾斜平面上。例子1结合图2中所示的滑动垂幕式涂覆模具可以最清楚地理解这个例子，图2中示出了一个能利用本发明来加以改进的涂覆工位。滑模10是这样安装的，即，槽缝18相对水平线的取向是25°。可以在倾斜平面22、24上涂覆一层由纽约州纽约市的MobilOil公司生产的Mobil1TM，5W-30机油作为在倾斜平面上生成非润湿表面的沾染物。所用的测试流体32是来自市政供水源的、没有添加任何表面张力改性添加剂的自来水。水通过一节流阀34和流量计36后流入一真空脱气罐38，该脱气罐是在绝对压力为115mm汞柱的压力下工作。通过两个相同的旋转流量计36和40分别测量水流进入和离开真空脱气罐时的流速。这两个流量计可以是从宾夕法尼亚州，海特菲尔德的Brooks仪器公司购得的1307EJ27CJ1AA型，0.2-2.59gpm的测量仪。来自容器罐的水流可以由渐进空腔泵42(progressivecavitypump)来泵送，所述的泵可以是由俄亥俄州，斯普林菲尔德的Robbins&Meyers公司生产的2L3SSQ-AAA，MoynoTM型的泵。为了通过该泵获得一个真空密封，泵是以和正常工作方式相反的方式运行。也就是说，泵转子的旋转方向和标准方向相反，来自真空罐的水是这样来泵送的，即，通过正常的MoynoTM排放口、泵、而后再从送给口排出。来自泵的水经过一个1升的密封调压水箱44、一精细过滤器46、排放端的旋转流量计后流人涂覆模具10。通过人工调节入口旋转测量仪入口处的流量节流值，就可以调整入口处的流量。来自真空罐的水的排放流速可以通过调整MoynoTM型泵的转速来控制，并由排放端的旋转式流量计来监测。在工作过程中，通过人工调节节流阀并使之与标示的排放速度匹配，就可以控制入口处的流速。所采用的过滤器是一个用后即弃型的过滤容器。该过滤器可以从明尼苏达州，圣保罗的PorousMedia公司购得，其部号是DFC1022Y050Y，等级是用于5微米颗粒。脱气罐的真空是由一水环(waterring)真空泵提供的，该真空泵是来自伊利诺斯州，唐纳格鲁夫的Nash工程公司的NHC-25型产品。首先设定水流速度，以获得一个从槽缝流出并沿倾斜平面24向下流动的连续的流体流动带，然后再设定一系列不同的水流速度并且观察流动带。这是借助若干个模具槽缝来完成的，槽缝的宽度是25.4厘米。水的粘度可以利用纽约的迈克格罗黑尔书局的Perry等人的《Perry’s化学工程师手册》第四版第201页上的表3-267来估算。测得的表面张力是70达因/厘米，而密度是1.0克/立方厘米。水的温度是11℃。模具倾斜平面是从水平方向倾斜65°。比例中，把板件22和24之间分配槽的出口缝隙23设定为四个值0.102、0.052、0.081和0.027厘米。各次测试是通过设定槽缝间隙，而后再改变流速来进行的。在这种方式下，拿根据等式(1)计算出来的临界间隙值与实际间隙值作比较。可以观察到在槽缝出口处出现多股流动带或者是流动带宽度缩减的情况。被测试流体不会润湿模具倾斜平面。测试的结果列在表1中。表1在临界槽缝间隙和实际槽缝间隙的情况下，流体流动带在槽缝出口处的宽度比较</tables>业已发现，如果把槽缝间隙选择成小于由等式(1)推算出的临界间隙，那么就很可能防止从槽缝流到倾斜平面上的流体流动带的不稳定。在第一个例子中，临界间隙、实际间隙和槽缝出口的不稳定性之间有直接相应的关系。从上表中的第六栏可以看出，当临界间隙减去实际间隙的差是正的时候，可以避免不稳定性。而当临界间隙和实际间隙之差接近于零或负值的情况下，不稳定性会通常会导致流体流动带从槽缝排出时变窄。经常可以观察到这些宽度变小的流动带会随着时间的流逝而反复地出现分叉，因而在倾斜平面上产生多股流动带。例子2结合图2中所示的滑动垂幕式涂覆模具可以最清楚地理解这个例子。滑模10是这样安装的，即，槽缝18相对水平线的取向是25°。在倾斜平面22、24上涂覆一层由纽约州纽约市的MobilOil公司生产的Mobil1TM，5W-30机油作为在倾斜平面上生成非润湿表面的沾染物。所用的槽缝测试流体32是来自市政供水源并且没有添加任何表面张力改性添加剂的自来水和甘油的混合物。甘油-水的混合物在室温下直接由脱气罐38供给。真空脱气罐38是在大气压力下工作。由于这些混合物可以通过在一敞开的容器内暴露于大气之下而自然地脱气，因而无需对其进行脱气处理。没有采用节流阀34和流量计36；在测试前，容器38内充满了上述混合物。在每一种情况下，测试流体都不会润湿模具倾斜平面。测试的过程与例子1相同，只是甘油的浓度在研究过程中也是变化的。槽缝间隙和流速还是变化的。测试进行时，把根据等式(1)计算出来的临界间隙与实际间隙作比较。注意了流动带在槽缝出口出的表观。测试的结果列在表2中。流体流动带在槽缝出口处的宽度小于槽缝的全宽就表明槽缝出口的流动状况不稳定。表2中说明了临界间隙、实际间隙和槽缝出口流体不稳定性之间的直接相应的关系。从表2的第7栏中可以看到，当临界间隙和实际间隙之差是正值时，可以避免不稳定性。当临界间隙和实际间隙之差接近于零或负值时，不稳定性可导致流动带宽度缩减。表2采用甘油-水混合物时，在临界槽缝宽度和实际槽缝宽度情况下的流体流动带宽度的比较。例子3采用了例子2的设备，但是在模具槽缝和倾斜平面上覆盖了聚四氟乙烯，以在倾斜平面22、24上生产非润湿表面。滑动面24是倾斜成60°。流体32采用的是甘油、甘醇和自来水混合物，其组份可以变化，以获得0.01至2.5泊的粘度。槽缝间隙和流体流速可以变化，以使雷诺数落在0.05至600的范围内。槽缝出口流的毛细管数可以在0.002至0.05的范围内变化。该混合物是在室温下直接从脱气罐38供给的。在每一种情况下，被测试流体都不润湿模具倾斜平面。在这个例子中，对某一设定间隙的临界流速是这样确定的，即，对某一给定槽缝间隙和流体而言从较高的流速开始。通过减小流量，在从槽缝流出的流体流动带的某些点上就开始发生宽度减小的情况，或者是发生流动带分成一股或多股的情况。这些条件的设定值是用来定义一个在那里排出流变得不稳定的间隙。图4中的曲线A示出了用于不稳定性测试的实验间隙和根据等式(1)推算出来的临界间隙之间的较佳的相互关系。业已发现，临界间隙与流体特性和流速有关。如果采用接近临界值的间隙，那么槽缝出口流就很容易发生不稳定现象。正如其它的流体流动不稳定区域一样，最好是通过宽度限制来加以避免。因此，较佳的是采用比临界值乘以0.8更小的间隙，最好是采用比临界值乘以0.5更小的间隙(图4中的曲线B)。还可以有很多种变型。例如，可以采用一种组合式的槽缝，其在模具的内部时比较大，但在槽缝出口处变得比较窄。此外，可以采用一障碍物(例如沿槽缝出口宽度方向延伸的一金属丝)来部分地充填槽缝出口以对间隙加以限制，这种变型也应落入本发明的范围。限制间隙的开度，提高流体在槽缝出口处的速度，在槽缝出口处局部地改变流体密度、粘度或表面张力，这些都应落入本发明的范围。权利要求1.一种使流体沿一槽缝18的整个宽度流动到一倾斜平面上的方法，其中毛细管数小于0.04，而且流体不润湿倾斜平面，该方法包括如下步骤选择一个槽缝出口间隙S，其尺寸小于6.25μ2Nreaρσ]]>这里的S是以厘米为单位的槽缝间隙，μ是以泊为单位的流体粘度，ρ是以克/立方厘米为单位的流体密度，σ是以达因/厘米为单位的流体表面张力，而Nre是由等式Nre＝4M/μ定义的雷诺数，该等式中的M是以克/秒-厘米为单位的每个单位宽度上的流体流速。指数a是由表达式a＝0.981+0.3406logNre0.3406来定义；使流体通过该槽缝出口流出。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择步骤包括选择这样一个槽缝出口间隙S，其尺寸小于0.8倍的6.25μ2Nreaρσ]]>3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体流动步骤包括使一用于涂覆工艺的涂层流体流动。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体是水、乳状液、水溶液、液态金属、熔融的无机盐、熔融的有机材料、超临界流体、液体混合物、以及有机液体之一。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体包括对电磁场和电磁辐射中至少之一能起反应的材料。6.一种使流体沿一槽缝18的整个宽度流动到一倾斜平面上并能防止所述流体润湿所述倾斜平面的设备，该设备包括第一和第二板件，它们相互间隔开来，以形成一具有一出口间隙的槽缝，流体可通过该出口间隙流出，所述槽缝出口间隙S的尺寸小于6.25μ2Nreaρσ]]>这里的S是以厘米为单位的槽缝间隙，μ是以泊为单位的流体粘度，ρ是以克/立方厘米为单位的流体密度，σ是以达因/厘米为单位的流体表面张力，而Nre是由等式Nre＝4M/μ定义的雷诺数，该等式中的M是以克/秒-厘米为单位的每个单位宽度上的流体流速。指数a是由表达式a＝0.981+0.3406logNre0.3406来定义。7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述槽缝的毛细管数小于0.04。8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述槽缝和倾斜平面是一涂覆模具的部件，流体是一涂层流体，而涂覆模具是滑动式、垂幕式、液珠式或挤压式的涂覆模具之一。全文摘要一种使流体沿一毛细管数小于0.04的槽缝的整个宽度流动到一倾斜平面上的设备和方法。槽缝出口间隙S的大小不超过文档编号B05C5/02GK1175221SQ95197552公开日1998年3月4日申请日期1995年11月15日优先权日1995年2月2日发明者W·K·莱昂纳多申请人:美国3M公司