片材涂布装置的制作方法

专利名称：片材涂布装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来涂布有限长度的基材以及改善不均匀或有缺陷的涂层的均匀性的装置和方法。
背景技术：
已有许多已知的用来涂布移动的卷材和其它固定的或移动的基材，以及使所得的涂层变得平滑的方法和装置。有些方法和装置描述在Booth，G.L.的“涂布器(The Coating Machine)”，纸浆及纸的制造(Pulp and Paper Manafacture)，第8卷，涂布、印染加工和过程(Coating，Converting and Processes)，第76-87页(1990年第3版)，以及Booth，G.L.的涂布的发展(Evolution of Coating)，第1卷(Gorham International公司)中。例如，还可使用多辊涂布器(例如参见美国专利Nos.2,105,488、2,105,981、3,018,757、4,569,864和5,536,314)来提供薄涂层。多辊涂布器由Booth示出并描述在Benjamin，D.F.、Anderson，T.J.和Scriven，L.E.的“多辊系统稳定状态操作(Multiple Roll SystemsSteady-State Operation)”中，AIChE J.，第41卷第1045页(1995年)；以及Benjamin，D.F.、Anderson，T.J.和Scriven，L.E.的“多辊系统停留时间和动态响应(Multiple Roll SystemsResidence Times and Dynamic Response)”中，AIChE J.，第41卷第2198页(1995年)。市售的前辊转移涂布器一般使用一系列3-7个相对旋转的辊子，将涂布液通过辊子从储器转移到卷材上。这些涂布器能以薄达大约0.5-2微米的湿涂层厚度，施涂聚硅氧烷可剥离衬里涂料。巧妙地设置辊隙、辊速比例和辊隙压力，能得到所需的涂层厚度和质量。另一种类型的涂布装置显示在美国专利4,569,864号中，它描述了一种涂布装置，它通过一个挤压喷嘴在第一旋转辊上施涂连续预计量的涂料，然后用一个或多个附加的辊将其转移到快速移动的卷材上。
涂布长度有限的基材(如小的片材)的装置也是有的，可以用它来制备实验或试验涂层，而无需设置或操作卷材涂布设备。它们通常被称为手工摊铺装置，由一个刮涂装置构成，在其刮刀边缘和底板之间有一个间隙，充有涂布液的片材则移动通过此间隙。另一个例子是线绕棒涂布器，被称为“Mayer棒”(参见Mayer的美国专利1,043,021)，它可用来在小的试验片材上形成手工摊铺层。
发明概要许多现有的涂层用途需要非常薄的涂层，例如，10微米左右或更薄。对于这种薄的涂层，很难形成有所需厚度和涂布质量的手工摊铺层。当制造合适的手工摊铺层不现实时，则通常需在合适的卷材涂布设备上进行涂布。这需要较长时间并会产生大量昂贵的废料。此外，连续涂布也需要大量原料。
对于较厚的涂层，目前的手工摊铺技术更加合适。然而，较厚的手工摊铺涂层在涂层质量、厚度均匀性或精确达到目标平均厚度方面通常有缺陷。
一方面，本发明提供用来涂布长度有限的基材的涂布装置和方法。在一个实施方案中，本发明的装置包括a)旋转的支持体，它具有一个表面，此表面至少被可除去的长度有限的基材部分覆盖；b)至少一个移放辊，它夹持着支持体上的基材，其旋转周期不等于所述支持体的旋转周期；c)将一定量的涂布液涂施在基材或移放辊上的涂布装置；d)动力装置，它使支持体和基材旋转许多圈数，使得移放辊的潮湿表面反复地部分接触基材。
在另一个实施方案中，本发明的方法包括a)提供旋转的支持体(如固定辊)，所述支持体具有一个表面，此表面至少被可除去的长度有限的基材部分地覆盖，并先后依序进行下面的步骤i)和ii)或者ii)和i)i)将基材夹持在支持体和至少一个移放辊之间，移放辊的旋转周期不等于所述支持体的旋转周期；ii)将一定量的涂布液施涂在基材或移放辊上；b)让支持体和基材旋转许多圈数，使得移放辊的潮湿表面部分反复地接触基材。
在一个本发明装置和方法的特别优选的实施方案中，(a)不均匀地施涂涂料(例如，有重复变化的不连续或间歇的厚度变化)，(b)使用两个或更多的移放辊，(c)相对于支持体或其它移放辊的转速，改变至少一个移放辊的转速，(d)至少一个移放辊的旋转周期不与支持体的旋转周期周期性地相关，或者(e)至少一个移放辊的旋转周期不与至少一个其它移放辊的旋转周期周期性地相关。
本发明的装置和方法有助于采用成本的低花设备在长度有限的基材上形成无空穴、均匀且特别薄的连续涂层。
附图简述

图1a是本发明装置的侧试示意图。
图1b是本发明另一装置的侧试示意图。
图2是固定在可旋转支持体上长度有限的片材的透视图。
图3是本发明装置的透视图。
图4是个改进效果图，它说明了通过对固定在本发明装置上的基材上周期性地施涂与基材宽度垂直的条纹涂层可得到的最小厚度，所述装置具有一个旋转式支持体和一个移放辊，此支持体旋转20周，此图用无量纲的辊尺寸和无量纲的条纹宽度作变量。
图5是与图4类似的改进效果图，但是是在支持体旋转200周后得到的。
图6是与图4类似的改进效果图，但是用具有一个旋转式支持体和两个移放辊的本发明装置得到的。
图7是与图4类似的改进效果图，但是是在支持体旋转40周后得到的。
图8是与图4类似的改进效果图，装置有个膨胀的水平轴。
图9是与图4类似的改进效果图，但是是在支持体旋转100周后得到的。
图10是改进效果图，它说明了当移放辊有2％的速度变化时，无量纲的范围最小值与辊尺寸的关系。
图11是改进是图象，它说明了可通过对固定在本发明装置上的基材上周期性地施涂具有恒定的无量纲条纹宽度的与基材宽度垂直的条纹涂层可得到的无量纲范围最小值，所述装置具有一个旋转式支持体和两个移放辊，此支持体旋转10周，此图用这两个移放辊的无量纲辊尺寸为变量。
图12是与图11类似的改进效果图，但是是在支持体旋转20周后得到的。
图13是与图11类似的改进效果图，但相对辊速有2％的变化。
发明详述试看图1a，它显示了本发明装置10的截面图。钢质“移放”辊即接触辊12和14由罩在基座18上的两个支座15和16中的低磨擦轴承(未显示在图1a中)支持。辊12和14相互平行放置，并在水平方向上有一定间隔。在图1显示的实施方案中，接触辊12和14尺寸相等。如果需要的话，可以使用两个以上的接触辊。辊12或14或者这两个辊可以以例如每分钟1-1000转的速度由图1a中未示的变速驱动装置驱动。旋转式支持体即固定辊20外面包有橡胶覆盖层22和片材24。片材24具有有限的长度，且片材24的两端26、28在区域30略微重叠。辊20搁置在辊12和14之间的空挡中并由这两个辊支撑。应该仔细控制并对准接触辊12和14以及固定辊20的直径和轴，直径和表面直度的容差优选在±10微米以内。辊20的重量提供了夹持力，促进了片材24与辊12和14在夹持点32和34的紧密接触。止动装置36和辊20另一端的止动装置(未显示在图1a中)是用来防止辊20作横向的轴移动。当驱动辊12旋转时，辊14和20由表面牵引力以与辊12几乎相同的表面速度驱动。
来自注射泵38的涂布液由供应管40和进料机构42供应到针头44。振荡机构46使针头44在辊20表面上往复移动。在振荡冲程的两末端都有停止位置。挡板48和辊20另一端的另一个挡板(未显示在图1a中)阻止涂布液在振荡机构46冲程两端的流动。两个挡板之间的距离控制着辊20上涂层的宽度，并且这两个挡板将过量的涂布液排进收集槽50。
图1b是与图1a中装置10类似的本发明的装置60，但其中没有辊14，且辊20直接放在辊12上。辊12和20都由低磨擦轴承62承载。可用常规的辊隙调节器66调节夹持点64位置的夹持力。
图2是安装在可旋转的固定辊20上的长度有限的片材24的透视图。如图2所示，片材24的两端26和28以对接关系放置。然而，如图1a和图1b所示，末端26和28可以重叠，或者如果需要的话，两端之间也可以有一小段空隙。轮轴67支持着辊20。
图3是本发明装置70的透视图。装置70像图1a中的装置10，但它的结构，是使涂布液施涂在辊20上的凸起部分68，而不是在辊20上的片材24上。装置70是轻便的，可用在例如工作台上。辊20搁置在辊12和14之间，由这两个辊支撑。辊12和14分别由位于基座18上的支座15和16中的低磨擦轴承支撑。支柱37上的止动装置35限制了辊20的轴横向移动。变速传动马达72通过连接器74将旋转力施涂给辊12。马达72的转速(因而辊12的转速)是由箱子78中的开关75和电位计76控制的。指示灯77表明马达72在工作。由于螺旋形导螺杆82的旋转作用，振荡机构46使供应管40和针头44沿着钢轨80往复移动。电源开关84和常规的速度调节装置(未显示在图3中)可以调节螺杆82的速度和机构46的振荡速度。可以使用水准气泡86和调平螺钉88来调节装置70的水平。把手90则可用来用手将装置70由一处移至另一处。
提交于2001年11月10日的上述美国专利申请序列号09/757,966，和同日提交的题为COATING DEVICE AND METHOD USING PICK-AND-PLACE DEVICES HAVINGEQUAL OR SUBSTANTIALLY EQUAL PERIODS的待审批美国专利申请序列号(律师备案编号55476US003)中更加详细地描述了图1a-图3所示装置的基本操作原理，其全文参考结合于此。
使用本发明的装置，先用合适的固定技术将片材24固定在辊20上，来实现样品片材的涂布。如果片材24有合适的介电特性，则静电力就足以将片材24固定而不需要其它固定措施。然后，将辊20放在接触辊12和可能存在的其它接触辊(如辊14)附近，这样片材24就被夹在辊20和此接触辊或几个接触辊之间。
可以预先计算为得到所需涂层厚度所需要的涂布液的总体积。假设恒定厚度膜的涂料在夹持点(例如图1a中的夹持点32和34)分流，则总的涂布液体积将等于所需厚度乘以润湿表面的面积。润湿表面的面积等于所有接触辊(例如辊12和14)的润湿面积与辊20的润湿面积之和。然后将所需体积的涂布液以一个或多个条纹的形式施涂在至少一个接触辊(如辊12和辊14)的长度上，或施涂在辊20上片材24的表面上。涂布液的施涂通常可以在针头44往复运动的情况下使涂布液流经针头44来进行。通过改变所施涂条纹的数目和流出针头44的速量，可以非常准确地控制片材24上所需的最终厚度。所施涂的涂布液条纹可在一个或多个接触辊或片材24上随机施加，也可以施加在一些特定位置上。如果条纹的宽度和施涂位置适当，则在旋转数次后就可使均匀性改进。条纹状涂布比设法均匀涂布在接触辊或片材24上较好，因为与施涂均匀的薄涂层相比，施涂较厚条纹的不均匀涂层较为容易。在涂布时液体的流量最好保持稳定，为的是在最终涂层中得到较好的卷材宽度上的均匀性。
在装置的各个辊旋转几圈时，因为片材24和一个或多个接触辊的润湿表面部分和即将被润湿的表面部分将在依次的不同位置上互相接触并再接触，所以接触辊或片材24上最初的纵向不平整涂层就变成了均匀的涂层。这时可从片材24上移取涂布液，再将其再放置在片材24上，涂层迅速变得更加均匀。例如，在图3所示的装置中，当给变速传动马达72通电后，接触辊12和14以及固定辊20都以大致相同的表面速度旋转。使辊20旋转适当圈数(如10圈以上、20圈以上或100圈以上)，并对下面讨论的可变因素进行适当控制，就可得到厚度非常均匀的涂层。旋转所需圈数后，将片材24从辊20上取下，如果需要的话可使其干燥或硬化。为便于取下片材24，可将辊20抬高离开本发明的装置，将其置于合适的架子或工作台上。然而，由于辊20的重量，用手将辊20抬起可能有些困难。本发明的装置可配有适当的抬升装置(如气动千斤顶，它可以抬升辊20)来帮助片材24的取下。
最好辊20和12各自的周长(以及辊20和其它接触辊如可能存在的辊14各自的周长)之比不要以分子和分母都是1-20的整数的分数表示。然而，如果各自的辊周长互成整数倍，我们已发现用下面讨论的改进效果图实现均匀性的方法。我们还发现了减为达到均匀性所需的辊旋转圈数或使其最少的方法。使用计算机模拟已经实现了就本发明的装置和方法对大量操作模式进行的研究。
图4中的改进效果图进一步说明了本发明的特征。图4显示了用各种操作模式对图1b所示装置60中的固定辊20或接触辊12施涂涂布液后获得的结果。这些操作模式包括改变接触辊尺寸和所施涂的涂布液条纹的宽度。在图4和这里所示的其它改进效果图中，将最终在片材24表面上所得的最小涂层厚度除以最终的平均涂层厚度，由此计算出被称为“无量纲最小厚度”的均匀性量度。图4中的改进效果图是用阴影表示的等高图。图例中列出了表示各种无量纲最小厚度的阴影。深灰色区域表示无量纲的最小厚度值的范围是0-0.3。黑色区域表示无量纲最小厚度值的范围是0.3-0.6。浅灰色区域表示无量纲最小厚度值的范围是0.6-0.9。白色区域表示无量纲的最小厚度值的范围是0.9-1。无量纲最小厚度值为0.0说明在装置60的操作后，片材24上至少有一个未被涂布的部位。无量纲的最小厚度值为1.0说明在装置60的操作后片材24上有完全均匀的涂层。
可以施涂非常厚的涂层条纹。它们在第一次通过辊隙后通常会铺展成较宽的条纹。我们将条纹宽度定义为条纹第一次通过辊隙后当时的宽度。我们还将接触辊12的实际周长和实际条纹宽度除以辊20的实际周长定义为两个无量纲参数(在图4中称为“无量纲辊尺寸”和“无量纲条纹宽度”)。图4所示改进效果图上的每一点因此都代表在施涂一条涂布液条纹并通过装置60旋转20周后，得到的辊12的无量纲尺寸和无量纲条纹宽度。图4显示了将0-1的辊12的无量纲尺寸和0-1的无量纲条纹宽度结合所得的结果。改进效果图上任一点都代表了这两个变量的可能的选择。在这一点的阴影情况代表了所得的无量纲最小厚度。因此，图4中白色区域代表了当辊12的尺寸和所施涂的条纹宽度的结合可在片材24的涂布表面产生“良好均匀性”(即无量纲的最小涂层厚度大于0.9)时的操作条件。图4中深灰色区域代表了当辊12的尺寸和所施涂的条纹宽度的结合可在片材24的涂布表面产生一个或多个空穴或近乎空穴时的操作条件。
对于这种简单的两辊装置，尽管较差选择和不实用的条纹宽度占据了此改进效果图大部分的面积，但在图4中令人吃惊地有辊尺寸和条纹宽度的良好选择。它们的例子包括图4中的区域102、104和106。
应避免辊12的尺寸是辊20尺寸的整数倍或合适分数，除非选择了适当的条纹宽度并使用辊20合适的转动圈数。图5是个改进效果图，它显示了用两辊装置(辊20加上辊12)在辊20旋转200周后得到的结果。与图4中的改进效果图相比，图5中的改进效果图有大得多的白色区域，这说明使用本发明的装置时，辊20旋转较多圈数是有利的。在图5的操作条件中，辊20的尺寸是辊12的尺寸的1、2、3、4、5、6、7、8、9或10倍不合需要。这些情况对应于辊12的无量纲尺寸是1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7、1/8、1/9和1/10，在图5中表示为深灰色、黑色或浅灰色的垂直延伸区域。辊12的其它无量纲尺寸也不合需要，例如图5中其它用浅灰色和黑色区域表示的那些无量纲尺寸。例如，无量纲辊尺寸对应于分数比例2/5、2/7和2/9以及无量纲辊尺寸对应于分数比例3/5、3/7、3/8、3/10和3/11都是不合需要的。
尽管上述辊尺寸是不合需要的，但在一些特定情况下，当条纹宽度等于特定值时用这些辊尺寸也可得到良好的均匀性，这种特定的值称为“最小无量纲条纹宽度”。这些值的整数倍也可产生良好的均匀性。这种最小无量纲条纹宽度的例子示于图5中的区域108、109、110、111、112、113、114和115。当无量纲辊尺寸分别为1/2、1/3、1/4、1/5、2/3、4/5、3/5和2/5时，它们可得到良好的均匀性，尽管大于或小于这些条纹宽度范围的操作不会得到良好的均匀性。
图5阐述了使用较多旋转周数得到的结果。然而，在合适的情况下可以进行数千甚至数万次旋转，只要涂布液不会受到会妨碍长时间运转的因素的限制。随着时间推移发生的干燥、固化、胶凝化、结晶或相变会带来限制。如果涂布液含有挥发性成分，则旋转数百或数千圈所需的时间会，让液体干燥到可能固化的程度。在辊旋转过程中，由于某种原因引起的相变通常都会在所施涂的涂层中产生断裂和花纹。因此，一般优选在尽可能少的旋转次数中形成所需程度的涂层均匀性。
对于工业涂层用途，我们优选使用小于约0.2，最好是约在0.05-0.15之间的无量纲条纹宽度。通常，与较宽的条纹宽度相比，狭窄的条纹宽度比较容易形成。然而，如果需要的话，较宽的条纹宽度(如宽度大于约0.2)也可使用。
当可施涂0.1-0.2的条纹宽度比例时，图5中辊12的无量纲尺寸的一个优选范围在0.205-0.24之间，或通常在分数1/5-1/4之间。对于这些以及较宽的条纹宽度比例，其它优选的辊12无量纲尺寸范围在0.02-0.195、0.255-0.28、0.34-0.36和0.44-0.48之间。
通过广泛的研究，我们发现了以下规律。对于每个等于合适分数的辊12的无量纲尺寸(如辊12的无量纲尺寸为1/2、2/5、11/20)，存在着一个小于1.0的最小无量纲条纹宽度，使得，如果使辊20旋转足够圈数，就可得到良好的均匀性。但是分数n/1是个例外，其中n是整数。超过这个最小无量纲条纹宽度，会导致但不足以确保良好的均匀性。对于任何给定分数的辊尺寸，只有使辊20旋转足够圈数才可得到良好的均匀性。同样，在旋转任何固定圈数后，只有有限范围的条纹比例可提供良好的均匀性。
当无量纲的辊尺寸的选择受到限制时，知道了这些最小无量纲条纹宽度的存在，就能够选择合适的条纹宽度。同样，这些知识通常有助于以给定的无量纲辊尺寸，通过从一系列可获得的条纹宽度选择中选用较窄或较宽的条纹宽度来得到所需的厚度。当这一系列选择存在时，则选择较容易形成的较窄条纹宽度，相比于较宽的条纹宽度较好。
我们描述为“无量纲范围最小值”(定义为当无量纲条纹宽度在0.05-0.15之间变化时，可得出的最低无量纲最小厚度)的值，用来选择无量纲辊尺寸的优选范围。这一范围对于工业用途特别合适，但不能将其作为约束条件。在无量纲范围最小值以外进行的操作也是可以接受的。
除顶住固定辊20的辊20外，还使用更多的辊，良好涂层厚度的区域可以扩大。图6是用如图1b所示的三辊装置(辊20加上辊12和14)进行20次旋转后得到的改进效果图，其中辊12和14的尺寸相等。比较图4和图6可以看出，图6有着良好涂层厚度的扩大的或新的区域，尤其是当无量纲辊尺寸小于0.5时。然而，如果无量纲条纹宽度限制在0.05-0.15之间，则在图6的等高图中优选白色区域只有不很大的扩大。对于较小的辊，人们可能预料用两个接触辊(即三辊装置)得到的结果与使用一个接触辊(即在两辊装置中)其辊20的旋转圈数两倍大得到的结果相同。需要注意的是，图7纵轴显示的无量纲的条纹宽度只有从0到0.5。比较图6和图7可知，使用只有一个接触辊的两辊装置且辊20旋转40圈，比使用有两个等大接触辊的三辊装置而辊20旋转20圈实际要好些。
图8和图9是使用图1a所示两辊装置中的辊20旋转20和100圈后得到的改进效果图。这两张图都使用了扩大范围的无量纲辊尺寸比例(从0-2)和减小范围的无量纲条纹宽度(从0-0.5)。比较图8和图9可见，辊12无量纲尺寸比例小于1.0比大于1.0较好。然而，如果使辊20旋转较多圈数的话，用大于1.0的比例也可得到良好的均匀性。
通过采用固定的或可变的速度差异，不同的速度操作各接触辊可在本发明的装置中得到进一步的改进效果。也可以改变一个旋转体相对于另一旋转体的表面旋转周期通过改变其尺寸，例如，使辊膨胀或压缩或者扩大或缩小，而另一个旋转体表面速度恒定。如果辊子是由热膨胀材料制成的，则也可以在不同温度操作辊子用以改变辊的大小(因而辊的周期)。同样，在操作中也可以改变辊的位置。例如，可对辊20的轮毂67末端并平行于该轮毂67施加一定的力，使辊20相对于辊12和14的接触面往复振荡。这个运动可导致液体在片材宽度上的侧向运动，并改善整个涂层的均匀性，尤其是当最迟施涂的条纹不是非常均匀时。所有上述变化都是有用的，都可用来影响并改进本发明装置和方法的效果以及最终涂层厚度的均匀性。
相对辊表面周期或表面速度的微小变化被发现是有用的。例如，可以用各自独立的马达分别驱动各个辊子并用电改变马达速度，来实现速度变化。本领域的技术人员会知道，可以使用许多机械变速装置，包括变速传送装置、皮带和滑轮或者联动档链系和链轮装置(其中滑轮或链轮的直径可以改变)、以及使用止滑离合器或制动装置来减慢旋转周期。可以使用各种函数形式的速度变化，例如，随机或受控变化，包括有周期性或非周期性特征的变化，随机游走式变化，时间和间歇变化的线性斜坡函数。所有这些都可用来减少在片材上形成均匀涂层所需的辊20的旋转周数。优选的速度变化模式是当辊20旋转时，正弦改变接触辊和辊20之间的表面速度差异。幅度小到平均值0.5％的微小速度变化就能得到改进的效果。通常需要避免较大幅度的变化，尤其是当辊20需要旋转较多圈数时，为的是避免非常高的速度差产生的热量。
当使用两个或多个接触辊时，较好的是这些接触辊有相互不同的旋转周期，且最好这它们的旋转周期不要周期性地相关。这一点通常可以通过选择适当挑选的不同直径的接触辊来达到。可用其它方法改变接触辊的周期，包括按照上述的用动力学方法改变辊的表面速度、直径或位置。
当用动力学方法改变接触辊的周期时，优选的变化周期已不再是辊20的旋转周期。我们对接触辊和辊20定义“无量纲相对速度周期”，其含义为接触辊和辊20之间存在相对速度差异的周期除以辊20的标称旋转周期。无量纲相对速度周期取决于所选的无量纲辊尺寸和无量纲条纹宽度。通常，当无量纲相对速度周期的倒数在0.02-0.3之间时，对于0.05-0.15之间的无量纲条纹宽度，可以得到改进的效果。图10使用同样的阴影表示了上述无量纲范围的最小值，就好象用来在图4-图9中表示无量纲最小厚度一样。图10表明，当接触辊有2％正弦形式的速度变化时，类似图4中装置中一个接触辊旋转20圈后带来的影响。这一速度变化将原来有空穴或厚度均匀性差的区域转变成了具有良好厚度均匀性的区域(如图10中的区域120)。类似的速度变化还可用于包括两个或多个接触辊的装置。当这种周期性变化不同步时，在这类装置中得到了改进的效果。例如，当使用两个接触辊时，有180度相位差的周期性变化是优选的。
使用有两个尺寸不同的接触辊作用于片材24的三辊设备，可以在只旋转几周后就可形成特别好无量纲范围最小值在1.0附近。通常，与只使用一个辊12或两个尺寸相等的辊12和14相比，这种装置只需要固定辊20旋转较少的圈数。图11和图12是采用尺寸不同的辊12和14的三辊设备的改进效果图。图11和图12不同于以前的改进效果图。图11和图12中任一点的阴影值给出了上面定义的无量纲范围最小值。X轴表示辊12无量纲的尺寸，Y轴表示辊14的无量纲尺寸。效果较差的区域集中在等于分数u/v的横坐标和纵坐标值的附近，式中u和v是整数。区域的尺寸局部地与由分数表示的区域的中点的横坐标和纵坐标的最小公分母成比例。效果比较差的带从两个各沿直线轴散发，其中各轴的值为分数。这些直线可用一类参数方程式y＝(s/t)x+u/v表示，式中s、t、u和v都是正或负的整数，y是纵坐标，x是横坐标。如图11所示，有多个与辊尺寸的组合相应的、可经过10个循环得到良好厚度均匀性的区域(改进效果图上是白色区域)。如图12所示，当旋转20周时，可选范围增大。图11和图12证实，可用非常简单的辊装置在片材上得到均匀的涂层。它们确定了为使涂层质量达到所需的水平可使用的辊尺寸和应避免的辊尺寸。
比较图11和图13还可以发现，这种改进效果是由速度差异造成的。图13是三辊装置在旋转10圈后得到的结果，其中使用了相位差为180度并且辐度为固定辊平均周期的2％的两个正弦形差异。使用即使这么小的差异能大大地增加改进效果图中白色区域的面积。
一开始可采用图1所示振荡式针式涂布器以外的方法，将涂布液施涂成条纹以外的各种不均匀图案。例如，可以用合适的非接触式喷头或其它液滴产生装置在辊12或片材24上喷出由液滴组成的图案。合适的液滴产生装置的例子包括点源喷嘴，如真空、静电、旋流片和气动喷嘴。线源雾化装置也是已知的，可以使用。液滴的尺寸可以从非常大(例如大于1mm)到非常小。一个或多个喷嘴可往复振荡，例如，以类似于上述针式涂布器的方式。特别优选的液滴产生装置描述在上面提到的美国专利申请序列号09/841,380和提交于2001年4月24日、题为“VARIABLEELECTROSTATIC SPRAY COATING APPARATUS AND METHOD”的待批美国专利申请序列号09/841,381中，它们的全文参考结合于此。
本发明的周期性移放装置的好处可就各种具体的用途通过实验或者模拟来确定。许多标准可用来判定涂层均匀性改善的效果。例如厚度的标准偏差、最小(或最大)厚度与平均厚度之比、范围(定义为在长时间范围内在固定的观测点观测到的最大厚度减去最小厚度的值)、以及空穴面积的减小。例如，采用了本发明，上述定义的范围的减小大于75％、大于80％、大于85％、或者甚至是大于90％。对不连续的涂层(或者换句话说，起先具有空穴的涂层)而言，本发明能使总的空穴面积的减小大于50％、大于75％、大于90％、或者甚至是大于99％。本发明方法的应用可生产无空穴的涂层。本领域的技术人员会认识到，所需程度的涂层厚度均匀性的改善取决于许多因素，包括涂料的类型、涂布设备和涂布条件、以及涂布的基材打算的用途。
采用了本发明，100％固体涂料组合物可转变为平均厚度非常小的无空穴或基本上无空穴的固化涂层。例如，容易得到厚度小于5微米、小于1微米、小于0.5微米、甚至是小于0.1微米的涂层。也可以得到厚度大于5微米的涂层。在这些情况下，涂布棒的线绕表面对于提供增加的湿涂层厚度特别有用。
具有其中涂布物质有欠缺的随机或周期性区域的涂层，可以将其视作是组成相同的有空穴的涂层下面有一均匀基础涂层的叠加来分析。本文中所述的改进装置将用与在单独的有空穴涂层上起相同作用的方法，在上部的有空穴涂层上移去及重新放置涂料。这样，本文中提供的用于有空穴的涂层的方法还可应用在含有凹陷的但无空穴的不均匀涂层上。用类似的方法，涂层中的周期性的或随机出现的涂料过厚的缺陷情况，可将该涂层视作是不连续的上部涂层下面有相同的基础涂层的叠加来分析。这样，本文中提供的用于有空穴的涂层的方法还可应用于含有涂层骤增部位的无空穴不均匀的涂层。
本发明的另一个方面是本发明的装置和方法可以增大基材上挥发性液体干燥的速度。干燥通常在基材被清洗后或者通过一种处理液处理之后进行。这里过程的主要目的不是施涂液体涂料，而是移去液体。例如，液滴、小片状或膜状的液体一般在卷材的处理操作如电镀、涂布、蚀刻、化学处理、印刷和水针开槽过程后，以及电子工业使用的卷材的冲洗和清洁后，会残留在卷材上。当液体以不同均匀性的液滴、小片状或膜状的液体存在在基材上时，此时如果需要干燥的基材的话，则液体当然必须移去。这种移去可通过例如，蒸发或者将液体转变为固体残余物或膜的方式来进行。在工业处理中，干燥通常使用烘箱来完成。生产干燥卷材所需的时间，由最厚液层干燥掉所需的时间来决定。常用的强制通风烘箱能产生均匀的热传递，但不能为较厚液层提供较大的干燥速度。因此，烘箱的结构和尺寸必须考虑最大的预期干燥负载。
本发明的装置和方法能大大增加基材的干燥速度，并大大减少获得干燥基材所需的时间。不想受理论解释的限制，可以认为卷材涂层与一个或多个接触辊的重复接触会增加外露液体的表面积，由此增加传热和传质速度。基材上液体的重复分离、移去和再放置，还可通过提高温度和浓度梯度以及传热和传质速度来增加干燥速度。另外，一个或多个接触辊与卷材基材很靠近而且其移动，还有助于破坏湿涂层表面邻近的限速边界层。所有这些因素都会促进干燥。
本发明的方法和装置可用来在各种柔性或刚性基材，包括纸张、塑料、玻璃、金属和复合材料基材上施涂涂层，使涂层更均匀或对涂层进行干燥。这些基材可以是基本上连续的(例如卷材)或具有有限长度(例如一段片材)。这些基材可具有各种表面形貌，包括光滑的、有结构的、有图案的、微结构的和多孔的表面(例如，光滑膜、有皱纹的膜、棱柱光学膜、电子线路和非织造织物)。这些基材可以有各种用途，包括用作带子、膜(例如燃料电池膜)、绝缘物、光学膜或部件、电子膜、它们的部件或前体等。基材可在其涂层下面还有一层或许多层。本发明对于在将大面积卷材制造过程放大之前，用来快速评估一系列涂布的基材特别有用。本发明对于准备校准标准，以及在不采用手工摊铺或者不用溶剂或水对涂料组合物进行极度稀释的情况下修改片材表面的光学、化学、机械或电学特性也是有用的。本发明对于可获得特别薄的涂层厚度尤其有用。
本发明将在下述实施例中作进一步说明，除非另有说明，所有的份数和百分数均为重量的。
实施例1-9用图3所示的涂布装置(但设计成用电驱动辊14而不是辊12)，将经过改性的润滑油施加在双轴取定向聚丙烯薄膜(“BOPP”)片材上，由此可制得一系列涂布的片材。所用的BOPP片材是152mm宽的连续卷材，对它进行过电晕处理并切成矩形片。涂布装置的固定辊表面宽度为203mm，直径为305mm，其表面上覆盖有耐油的Buna-N橡胶，其硬度为肖氏A52。矩形BOPP片被切割成可卷绕在固定辊上，且卷起后在其两端有13-51mm的重叠(即152mm宽×970-1008mm长)。
此涂布装置有两个钢质移放接触辊，接触辊的表面宽度为305mm，直径分别为69.24mm和52.45mm。这两个移放辊分别被称为第一辊和第二辊。它们的无量纲辊尺寸分别为0.07209和0.05461。第一辊在其两端都分别切削下凹，在中部形成114mm的凸起部分。第二辊由受DAYTOMTM4Z527E型直流调速器控制的DAYTOMTM2H530型直流齿轮马达驱动(都来自Dayton Electric Mfg.Co.，奈尔斯，伊利诺斯州)。
在9份润滑油中加入1份荧光有机液体(9-烯丙基芴)，以此来使润滑油IL 1TM，Exxon Mobil Corp，设计粘度范围5w-30)改进。使用注射泵(55-1144型，来自Harvard Apparatus，South Natich，马萨诸塞州)，经过外径为4mm的柔性塑料管将所得涂布液送到固定在UNISLIDETMMB2515W2J-S2 1/2型移动装置(Velmex Inc.，布卢姆菲尔德，纽约州)架子上的有柔性塑料针头，所述移动装置由BODINETMNSH-12R型齿轮马达(Dodine Electric Co.，芝加哥，伊利诺斯州)驱动并受BHLDIGISYSTEMTMDXT-15VR型马达调节器控制。针头的直径为0.86mm，其位置使得针头末端与第二辊接触。
涂布样品的制备使用以下步骤。将覆盖有橡胶的固定辊放在搁放装置上，将BOPP片材包在固定辊上，其经电晕处理的一面朝外，且放在辊子中部。静电作用将片材固定在位。将所得裹有片材的固定辊从搁放装置上抬起，放在此涂布装置第一和第二辊上，并使其与第一辊的凸起部分接触。
改变一个或多个变量可改变所施涂涂布液的体积，这些变量包括注射泵的排液流量、针头在第一辊表面来回移动的次数以及针头移动的速度。这些变量经过调整，使得所需体积的涂布液在第一辊上形成该辊宽度方向上的均匀连续的带状或线状的液体条纹。
对第一辊施涂了液体条纹后，开动第二辊驱动马达，并且包有橡皮的辊子以每分钟125转的速度旋转3分钟。在旋转过程中，涂料在两个接触辊和片材表面之间不断地来回转移，在外观上变得均匀。大约375转后停止旋转。小心取下包有橡皮的辊子，将其置于搁放装置上。然后取下经过涂布的BOPP片材，并把它粘贴在硬纸板框架上以进行检查。假设在涂布结束时第一和第二辊以及BOPP片材上覆盖平均，可以计算出所施涂涂布液的体积以及片材上的平均液体厚度。从片材上取出一块或几块尺寸为38mm×38mm的正方形进行荧光测量。用波长254nm的光照射样品，测量波长为312.66nm的荧光的强度。下表1中列出荧光测量的结果。
表1样品号 涂层厚度(微米) 相对荧光强度1 5.413.00210.926.02319.333.00421.838.06538.652.46677.176.967a5.413.007b5.414.297c5.414.037d5.415.257e5.415.627f5.415.647g5.414.458a 10.926.028b 10.925.898c 10.925.428d 10.926.648e 10.926.048f 10.927.498g 10.927.639a 21.838.069b 21.838.029c 21.839.929d 21.833.879e 21.835.829f 21.834.599g 21.835.83
实施例1-9的涂布片材上都是均匀的无空穴涂层。所有涂层都是使涂布器针头在第一辊上通过一次形成的。表1中的结果表明，除了在最低厚度时，算出的厚度和荧光强度之间几乎是线性相关的。实施例7a-7g(以及类似地实施例8a-8g和实施例9a-9g)是取自同一片材的多个样品。这些样品证明，本发明的涂布法能获得均匀性很好的涂层，且可以得到非常薄的平均涂层厚度。
实施例10-16用实施例1-9的装置和方法，在BOPP片材上涂布含有65份甘油、35份水、0.25份氟化湿润剂(3MTMFLUORADTMFC 129，Minnesota Mining and ManufacturingCompany，圣保罗，明尼苏达州)和0.25份光学增亮剂(TINOPALTM，Ciba PerformanceChemicals)的涂布液。通过使针头多次在第一辊宽度上往返通过，得到了比实施例1-9所得涂层更厚的涂层。在针头每次移动之间，轻微旋转一下第一辊，由此可使涂布条纹以与第一辊旋转轴平行的直线形式，间隔均匀地涂布在第一辊上。用360nm波长的光照射涂布样品，测量430nm的荧光强度。涂层外观上均匀且无空穴。样品取自各个片材的四个部分。结果列在表2中。
表2

如表2所示，涂层厚度和荧光强度之间线性相关良好。在针头移动速度保持恒定情况下，改变针头流量和针头通过的次数，得到了较广的涂层厚度范围。这说明了一种可得到较宽目标涂层厚度范围的简便方法。
不偏离本发明的范围和精神，对本发明进行各种修改和改变，对本领域技术人员而言是显而易见的。本发明不应限制于本文中上述的仅为了说明的那些内容。
权利要求
1.一种装置，其特征在于，所述装置包括a)旋转的支持体，它具有一个表面，此表面至少被长度有限的可除去基材部分覆盖；b)至少一个移放辊，它夹持着支持体上的基材，其旋转周期不等于所述支持体的旋转周期；c)将一定量的涂布液涂施在基材或移放辊上的涂布装置；d)动力装置，它使支持体和基材旋转许多圈数，使得移放辊的潮湿表面部分反复地部分接触基材。
2.如权利要求1所述的装置，它包括至少两个移放辊。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述那些移放辊没有相同的旋转周期。
4.如权利要求2所述的装置，其中，所述那些移放辊有相同的旋转周期。
5.如权利要求1所述的装置，其中，在操作所述装置时，可通过动力学方法改变一个移放辊的旋转周期来减少涂层缺陷或使其最少。
6.如权利要求1所述的装置，其中，可以在相对于所述支持体表面速度固定的或可变的表面速度差异的情况下操作所述移放辊。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述表面速度差异在所述支持体旋转时作正弦变化。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述移放辊的旋转周期不与所述基材的旋转周期周期性地相关。
9.如权利要求8所述的装置，其中，在操作所述装置时，可以改变所述支持体或移放辊的旋转周期来减少涂层缺陷或使其最少。
10.如权利要求1所述的装置，其中，在操作所述装置时，可以改变所述支持体或移放辊的尺寸或位置来减少涂层缺陷或使其最少。
11.如权利要求1所述的装置，其中，所述移放辊的无量纲辊尺寸在0.02-0.195、0.255-0.28、0.34-0.36和0.44-0.48之间。
12.如权利要求1所述的装置，其中，所述涂布器施涂不连续涂层。
13.如权利要求1所述的装置，其中，涂布器施涂条纹图案的涂层。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述图案的无量纲条纹宽度小于0.2。
15.如权利要求13所述的装置，其中，所述图案的无量纲条纹宽度在0.05-0.15之间。
16.如权利要求1所述的装置，其中，所述涂布器施涂点状图案的涂层。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述图案是不连续的。
18.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置可将不连续的涂层转变为连续的无空穴涂层。
19.如权利要求18所述的装置，其中，所述转变成的涂层的无量纲最小厚度大于0.9。
20.一种方法，其特征在于，所述方法包括a)提供旋转的支持体，所述支持体具有一个表面，此表面至少被长度有限的可除去基材部分地覆盖，并先后依序进行下面的步骤i)和ii)或者ii)和i)i)将基材夹持在支持体和至少一个移放辊之间，移放辊的旋转周期不等于所述支持体的旋转周期；ii)将一定量的涂布液施涂在基材或移放辊上；b)让支持体和基材旋转许多圈数，使得移放辊的潮湿表面部分反复地接触基材。
21.如权利要求20所述的方法，它用的是至少两个移放辊。
22.如权利要求21所述的方法，其所用的移放辊没有相同的旋转周期。
23.如权利要求21所述的方法，其所用的移放辊有相同的旋转周期。
24.如权利要求20所述的方法，其中，可通过动力学方法改变所述移放辊的旋转周期来减少涂层缺陷或使其减最少。
25.如权利要求20所述的方法，其中，可以在相对于所述支持体表面速度固定或可变的表面速度差异的情况下操作所述移放辊。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述表面速度差异在所述支持体旋转时作正弦变化。
27.如权利要求20所述的方法，其中，所述移放辊的旋转周期不与所述基材的旋转周期周期性地相关。
28.如权利要求27所述的方法，其中，在操作所述装置时，可以改变所述支持体或移放辊的旋转周期来减少涂层缺陷或使其最少。
29.如权利要求20所述的方法，其中，可以改变所述支持体或移放辊的尺寸或位置减少涂层缺陷或使其最少。
30.如权利要求20所述的方法，其中，所述移放辊的无量纲辊尺寸在0.02-0.195、0.255-0.28、0.34-0.36和0.44-0.48之间。
31.如权利要求20所述的方法，其中，所施涂的涂层是不连续的。
32.如权利要求20所述的方法，其中，所施涂的涂层为条纹图案。
33.如权利要求32所述的方法，其中，所述图案的无量纲条纹宽度小于0.2。
34.如权利要求32所述的方法，其中，所述图案的无量纲条纹宽度在0.05-0.15之间。
35.如权利要求20所述的方法，其中，所施涂的涂层为点状图案。
36.如权利要求35所述的方法，其中，所述图案是不连续的。
37.如权利要求20所述的方法，其中，所施涂的涂层被转变成连续的无空穴涂层。
38.如权利要求37所述的方法，其中，所述转变成的涂层的无量纲最小厚度大于0.9。
39.如权利要求20所述的方法，其中，所施涂的涂层被转变为平均厚度小于5微米的无空穴涂层。
40.如权利要求20所述的方法，其中，所施涂的涂层被转变为平均厚度小于1微米的无空穴涂层。
41.如权利要求20所述的方法，其中，所施涂的涂层被转变为平均厚度小于0.5微米的无空穴涂层。
42.如权利要求20所述的方法，其中，无量纲条纹宽度和无量纲辊尺寸在图4所示的白色区域内。
43.如权利要求20所述的方法，其中有至少两个移放辊，而无量纲条纹宽度和无量纲辊尺寸在图11所示的白色区域内。
44.如权利要求20所述的方法，其中有至少两个移放辊，而无量纲条纹宽度和无量纲辊尺寸在图12所示的白色区域内。
全文摘要
在长度有限的基材(24)上形成连续的无空穴均匀涂层。基材包在固定辊(20)周围并被夹在固定辊和一个或多个移放接触辊(12，14)之间。对基材或移放辊施涂涂布液，优选以条纹的图案施涂。固定辊(20)、基材和移放辊(12，14)旋转许多周。移放辊潮湿的表面部分反复接触基材，涂层从基材上被反复移取并放置在基材上，这样涂层就变得更加均匀。可以迅速且简便的获得极其均匀且非常薄的涂层，最终涂层厚度的调节也容易。
文档编号B05D1/26GK1500012SQ02803578
公开日2004年5月26日 申请日期2002年1月10日 优先权日2001年1月10日
发明者W·K·伦纳德, D·W·伦纳德, B·D·沙伦斯, W K 伦纳德, 伦纳德, 沙伦斯 申请人:3M创新有限公司