專利名稱：多層涂覆的方法
技術領域：
本發明涉及制備多層涂層。尤其，本發明涉及用同時施加的多層涂覆液來涂覆一基片的系統。
發明的背景涂覆是用一層液體取代與一基片相接觸的空氣的過程，該基片通常為一固體表面，例如一帶料。有時，多層涂層被一層接一層地涂覆。在涂上一層涂層之后，它能夠仍為液體，就象金屬卷材加工時將潤滑油施加到金屬上的情況，或是施加化學試劑來活化或化學變化一基片表面。另外，倘若涂層含有易揮發的液體，涂層能夠被干燥留下一固態的涂層比如一層油漆，或者它能被固化或通過其它方式使其固化成具有功能的涂層，例如將不粘附壓敏粘結劑的一防粘涂層。
往往為了使涂過的基片具有適當的功能，必須要涂上不同成分的多層涂層。關于這點有許多例子。通常在一層油漆之下加一層低漆來改善油漆牢度。在制造彩色膠片中，以具有幾乎均勻容差的一特殊層狀關系，涂上十二層之多不同成分的涂層。制造高性能記錄磁帶需要涂覆不同成分的多層磁粉層。
順序涂覆的操作能在基片上產生許多特殊的疊層。然而，代價過高，浪費時間，并且在順序涂覆和干燥工位上要花費大筆投資。
同時涂上多層涂層的方法在1992年紐約VCH出版社出版的由科恩，E.D.和古托夫，E.B.撰寫的《現代涂覆及干燥技術》第四章中已詳述了。在美國專利2,761,419和2,761,791中揭示了槽或擠壓，預先計量的模涂覆器，并在這些年開發出了許多改進之處。使用這些涂覆器，待被涂的帶料表面與模表面接觸或與模表面靠得很近，帶料表面被涂上許多相疊的涂層。計量施加到涂覆模上的每個涂覆成分，涂覆模將涂層涂到帶料上。在這些方法中，最高涂覆速度被限制，并且模與帶料間空隙的均一性限制了涂層的質量。
另一種同時涂上多層涂層的方法是屏幕涂層。美國專利3,508,947揭示了關于使用這種方法來涂覆攝影器材。屏幕涂層使用垂直自由下落的液幕，所述液幕在帶料途經涂覆工位時沖擊到其上。這個專利揭示了一種從許多特殊涂層中形成屏幕涂層的方法，以便在帶料上完成多層涂覆。所述涂覆模與帶料間的空隙大于其他方法中的空隙，并且施加的速度也大大地增長。然而，甚至這些技術也存在局限性。
為形成具有零或接近于零界面張力的可混合的層成分或涂層成分的多層液幕，液層的流動為避免混合必須保持層流。如果使用較佳的滑動裝置的幾何結構，則在滑動裝置上由層流到湍流的轉變限制了最大流速。如果涂層速度是固定的，則此因素限制了可以施加的涂層的最大厚度。如果涂層厚度是固定的，則限制了可以施加的涂層的最大速度。
屏幕涂層的另一個局限性是所述自由下落的液幕被常量且受限制的重力加速。利用自由下落獲得的動能從帶料表面上取代空氣，以防止不合需要地夾帶有空氣。從自由下落中獲得的動能隨著液幕高度地增加而增加，但是增加液幕高度也就增加了干擾液幕使其易損的可能性。實際上，想獲得25厘米以上液幕所形成的高質量的涂層是很困難的。這就限制了涂層厚度與速度的范圍。希望高液幕可獲得高速度，薄涂層，而低液幕獲得高質量涂層是矛盾的，必須進行折衷，這就限制這種方法的應用。另外，屏幕涂覆器不能在低重和失重的環境下使用。
屏幕涂層的另一個局限性是液幕永遠垂直下落。這限制了涂覆工位的幾何結構和定位。另外，如果屏幕涂層將被附加到一個現存的制作過程中，此過程必須適合所述液幕限制的垂直下落方向，而不是將涂覆模及其設備定位在現存過程的現存帶料的通道上。
美國專利4,348,432中揭示的軸對稱涂覆器講述了如何從相對的沖擊圓柱體的多層射流中形成多層徑向伸展的涂層，以及如何傳送帶料通過所述裝置以產生同時形成的多層涂層。然而，除其他的局限性之外，這種方法受到由流體動力學所強加的帶料最大寬度界限的嚴格限制。寬度大于1米是被禁止的，并且寬度大于0.75米也是不可行的。
在造紙工業中從槽中流出單層液體射流是已知的，在用刮刀涂覆器計量前提供給帶料表面過量的涂覆液或者提供給凹版涂覆器的滾花輥過量的涂覆液。
然而，并不知道多層射流涂覆的使用情況。需要一種系統，此系統沒有已知的涂覆方法中定位，幾何結構，以及重力的限制而能以較高的速度同時施加多層薄涂層。還需要一種改進的系統，該系統能夠同時在一基片上涂覆多層，其中每一層被精確地計量，并沿基片的寬度方向均勻分布，同時保持該涂層于一受控，層疊層，并列的關系中去。
發明概述本發明系統在一片基片上同時涂上多層涂覆液。所述基片沿一條軌道移動途經涂覆工位，同時許多涂液層以互相層疊層的方式流動來形成復合層。所述復合層作為高速的射流流動足以形成連續流動的液體橋與基片表面相接，并不顧重力方向橫過涂層寬度。所述流動的復合層射流沖擊基片，并將涂覆液涂至基片上。復合射流液橋比施加的涂覆液的濕厚度要長。
所述系統也包括所述復合層在接觸基片前，先涂至一個傳移表面上，如輥或傳送帶。同樣，所述系統可包括一個阻擋器，它在射流接觸到帶料前通過攔截射流來阻礙涂覆進程，而不用停下基片和其它的工序。
所述液橋至少能被重力，磁力，或靜電力中的一個力來加速。然而，這并不是必要的，而且涂層能在低重環境下形成。在不同的實施例中，可能至少存在一種涂覆液不能浸潤基片，或者不會與鄰近的涂覆液混合，或者具有與鄰近涂覆液不同的表面張力，或者是湍流流動，或者會與鄰近的涂覆液混合。
附圖的簡要說明

圖1所示為射流涂覆模的示意圖。
圖2所示為本發明涂覆系統的示意圖。
圖3所示為本發明另一實施例的涂覆系統的示意圖。
詳述通過圖1所示射流涂覆所用的一個單層模的圖解說明，射流涂覆裝置能被很好地理解。模10有一個單腔12，用來容納從入口處(未示)抽入的液體。空腔12與出口槽14相連，所述出口槽14能讓液體從模流經槽口16而流出，槽口16形成于槽14在模本體10的出口處。另外，所述的模和它的槽出口用一片其上鑿有一個孔口的帶料封閉所述空腔的一邊即可形成。
所示的槽14水平定位，與重力方向垂直。在很低的流速并且槽口旁沒有任何基片和障礙物的狀態下，液體從槽口16流出將與模的下表面20相接觸，并且在脫離下表面及在重力的影響下垂直下落之前，將沿著下表面流過一段可測量的距離。
倘若液體從槽口16流出時所產生的動能很大，本發明射流涂覆裝置即可形成。這在高流速時形成。液體在這些速度下從槽口流出只會與槽口16的上下邊緣22和24相接觸，完全與模表面18和20脫離，并形成一股水平的射流。所述射流是水平地射出一段可見距離的液帶。首先形成所述射流的高流速取決于槽的尺寸，液體密度，液體的表面張力，以及液體的流變性能。涂覆器凸緣界定了槽14的出口，涂覆器凸緣和帶料之間的間隙可大于施加給帶料的液層厚度的十倍。雖然上述說明描述了一種水平的射流，但是只要在流出槽口的流速足夠高，所述射流可在任何的角度上形成。這是射流涂覆器的優點；所述射流能夠克服重力向上噴射成任何角度的噴射，并且射流可在失重的環境下形成。
多層射流涂覆器能在一片移動的基片上同時涂上三層相疊的液體，如圖2所示。所述基片是一連續的帶料，它由支撐著它并基本向上引導它的輥32，34引導著經過涂覆工位。
射流涂覆模36與帶料的軌道橫向定位。所述的涂覆模36具有第一個空腔38，它用來容納由第一臺計量泵42恒速地從供液箱41中抽出，并流經第一個入口44而流入其中的第一種涂覆液40。涂覆液40從空腔38流經第一條延伸槽46后流至共用槽48。
所述的涂覆模36還具有第二個空腔50，它用來容納由第二臺計量泵54恒速地從供液箱51中抽出并流經第二個入口56而流入其中的第二種涂覆液52。涂覆液52從空腔50流經第二條延伸槽58后流至共用槽48，然后在槽48中與涂覆液40結合在一起形成一種復合流動的液流。所述的涂覆模36還具有第三個空腔60，它用來容納由第三臺計量泵64恒速地從供液箱61中抽出并流經第三個入口66而流入其中的第三種涂覆液62。涂覆液62從空腔60流經第三條延伸槽68后流至共用槽48，然后在槽48中與涂覆液40和52結合在一起形成一種復合流動的液流。
涂覆液40，52，62以一種層狀的，層疊層并列的形式流過共用槽48，由此產生很大的合成流速，足以形成從槽口78流出的具有特殊的三層疊加層72，74，76的復合層自由液體射流。流過每條獨立槽46，58，68的流量足以形成射流，或者這些流量過小，而通過共用槽48的流動由于提高了速度，亦足以形成射流。定位射流涂覆模36使槽48與重力方向垂直。在替換的實施例中，所述射流和帶料能夠在任何方位定位包括向上和向下地噴射射流。這種涂覆方法能夠應用在低重和失重的環境下而不會受到重力的阻礙。令人驚嘆的是，形成射流所需的高流速不會在沖擊帶料30時引起多層涂覆液的混合，這樣多層涂層就形成了。
另外，所述的涂覆液在進入到形成復合層射流的模之前，能夠合成為復合層。
復合層射流70沿著一不需要筆直的軌跡前進。所述軌跡是射流的自由表面上各表面力，由于在槽48出口上的速度分布變化而引起的粘滯阻力，由射流的加速或減速引起的粘滯力，以及作用于射流的任何外力包括磁力，靜電，聲音，壓差，重力和離心力的合成結果。復合射流70沖擊在移動的帶料上能夠在帶料上涂上具有特殊的三疊加層72，74，76的涂層。，而不使涂層相互混合。適當調整從模槽口78到帶料30的距離，以及射流沖擊帶料的角度對于獲得連續的涂層是至關重要的。
圖2示出了一塊截流擋板，它由傳動裝置帶動著向上地移動，并在射流沖擊到帶料30前欄截射流。在重力存在的條件下使用擋板84可使啟動和關閉生產過程變得簡單，并能在不停下帶料移動和涂覆液流動的情況下停止涂覆操作。當擋板84攔截涂覆液射流時，如圖中虛線所示，涂覆液將沿著擋板流至收集容器86中。
在圖2中，形成射流70的多層液體的合成流速對于某些液體是每秒每厘米射流寬度一般大于1.5立方厘米。為了在帶料上保持涂層的特殊層狀關系，若界面張力很低或涂液層較易混合，則各個涂液層要避免湍流的產生。如果存在很大的界面張力，即使界面不斷裂也可能產生湍流。
在剛好接觸之前，帶料30表面的速度與射流的沖擊速度相等時，則移動的帶料30上各層涂層72，74，76所合成的厚度與沖擊前多層射流的厚度相同。當帶料的速度大于射流的沖擊速度，則各層涂層合成的厚度小于沖擊前射流的厚度。過快移動的帶料會產生過薄的涂層。只要射流沖擊的動能足以將帶料上的空氣以一種均勻穩定的方式取代，很高速移動帶料是可行的。當帶料的速度小于射流的沖擊速度，則各層涂層合成的厚度大于沖擊前射流的厚度。由于眾多因素，射流的沖擊可能在帶料涂層面(即帶料靠進射流的那面)沖擊點上引起“液面傾斜”。當這種傾斜變大，涂層的質量就會受到影響并且可能發生混合現象。影響如上所述現象的因素有涂覆液的流動性質，涂覆液的表面及界面張力，沖擊時與帶料形成的角度，外力，以及外壓力梯度。涂覆液的流速，帶料的移動速度，帶料與射流模間的距離，及沖擊角度是為了穩定射流與帶料間的接觸而進行更改的主要變量。
許多不同的幾何模結構可以用來產生多層射流。復合液流在流入一個單模腔前能夠集合在一起，然后在從單腔槽流出前，在空腔中呈現出層狀的形態。一種液體射流能從具有與射流口外部相接觸的附加層的模槽中產生，如圖3所示。所述射流可為單層或有外部添加附加層的復合層。同樣，從一個或多個模的分離的槽口中射出的復合射流在離開相應槽口在空中合成后，形成復合射流。同樣，射流口邊緣也可偏置。
所述復合涂覆層在涂覆帶料的工序前，先涂到一個轉移表面上，如輥或傳送帶。圖3所示為兩個同步涂覆裝置。涂覆液88流經模90。涂覆工位92緊挨著模90。一片連續的帶料94途經涂覆工位92，并繞過包覆著彈性橡皮材料的從動輥96。傳送輥98按逆時針方向轉動，并且和從動輥96滾動接觸。涂覆模90具有一個內腔100，所述內腔100與槽102及槽口104相連。所述內腔100通過精密計量泵108，過濾器110及水泡收集器112與供液箱106相連。
第二種涂覆液114由供液箱116供給，并由泵110計量且流經過濾器120和水泡收集器122流入模90的空腔124中。所述涂覆液114從空腔124流經槽126并在槽口128處流出模90。涂覆液88從空腔100流經槽102并由位于模表面130上的槽口104流出。從槽口104流出的涂覆液88的流速對于形成一自由射流而言還不夠快，所以它沿著模表面130往下流并在槽口128處流到涂覆液114上。涂覆液114快速流動并與涂覆液88合成形成具有雙層涂層134，136的復合雙層自由射流132。所述涂覆液114的涂層136僅在槽口128的邊緣處與模90相接觸。復合射流132流經與從動傳送輥98之間的空隙并在其表面涂上雙層涂層。若槽126水平且無障礙存在，射流132將流經與槽口128右端間距1.5毫米的垂直平面。
傳送輥98按逆時針方向轉動并將其表面上的復合涂液層138傳送至從動輥96和傳送輥98間的軋點。傳送輥98以將帶料94與傳動輥98的表面相接觸的方式使帶料94通過軋點。帶料帶動復合涂層，并且所述復合涂層涂至帶料的表面上。
所述基片可為以每分鐘10米至3,000米的速度經過涂覆工位的連續的帶料，或者可為一不連續的薄片，堅硬的不連續的單個零件，或是一組被傳送經過涂覆工位的片料或零件。涂層可有不同的成分，并粘度，表面張力，以及厚度比方面有很大的變化范圍。復合涂層具有合成的表面張力及粘度，以使它在途經涂覆工位的運輸期間與其表面接觸后，不會從基片表面上去濕。可用此方法涂覆的涂覆液的例子有有單體，齊聚物，溶解了固體的溶液，固體-液體分散體，液體混合物，以及乳化液。
因為不論屏幕涂層還是射流涂層都包括使用自由的無須支持的移動液層，許多用來改進屏幕涂層的裝置和設備可在射流涂覆中使用。這些包括邊緣導槽，空氣擋板，空氣屏障，以及除去邊緣珠球等裝置。
所述方法應用廣泛，如在紙或類似的基片上涂上攝影材料，或制造磁帶，磁盤，以及其它物品。
權利要求
1.一種使用多層涂覆液(72，74，76，134，136)涂覆一基片的方法，它包括下列工序沿一條軌道移動基片通過涂覆工位；至少形成第一層和第二層流動圖覆液層(72，74，76，134，136)；從動態的射流涂覆器(36，90)的槽(48，126)的槽口(78，128)中流出至少其中一層液層，其流速足以形成一條連續，水平地從槽口射出的射流；將各液層以層疊層的形式放置，用以形成一復合液層(138)，而不管各液層的單獨流速是否足以形成連續流動的射流；復合液層的流速足以使所述復合液層形成一條連續，水平流動的射流，并在基片上涂上一定寬度的涂層；以及用流動的復合液層(138)的射流與基片(30，94)接觸來將涂覆液以特殊疊層的形式涂到基片上。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述放置液層的工序包括將第一層和第二層液層(72，74，76，134，136)以相互層疊層的形式放置，用以在槽(48，126)中形成復合液層(138)，其流速足以使所述復合液層形成一條連續，水平流動的射流，并在基片上涂上一定寬度的涂層。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述放置液層的工序包括，在至少第一層涂液層(76，136)流經槽并從槽流出后，至少提供第二層涂液層(134)位于第一層涂液層上，以形成一條復合層射流而不破壞第一層射流。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于所述復合層流動工序包括通過射流涂覆器的槽來連續地計量第二涂覆液，并且所述第二液體沿涂覆器表面流動。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于還包括配合槽的尺寸，液體密度，液體的表面張力，以及液體流變性能為涂覆液第一流動層(76，136)選擇其流速以形成一射流。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述復合層流動工序包括在射流涂覆器的分離的模槽(102，126)中形成各液層，并且各單層射流離開各自的模部分，在模槽外部匯合形成所述的復合層。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于至少一種涂覆液不會浸潤基片。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于至少一種涂覆液不會與鄰近的涂覆液相混合。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于至少一種涂覆液具有與鄰近的涂覆液不同的表面張力。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于至少一種涂覆液呈湍流流動。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于沿一條軌道移動基片(30，94)通過涂覆工位的工序包括從射流的開端到放置基片的距離比涂在基片上的復合層(138)的厚度大十倍以上。
12.用多層涂覆液涂覆基片(30，94)的一射流涂覆器設備，它包括具有連接涂覆液源和模出口的第一通道的模(36，90)；離模出口一間斷距離處移動基片(30，94)的裝置；從模出口流出第一涂覆液(76，136)的裝置，其流速足以使涂覆液從模出口流出，并形成具有涂覆寬度的，到達基片的一連續流動的射流橋；至少使第二涂覆液層(74，134)以層疊層方式與涂覆射流接觸的形式流動的裝置，用來形成具有涂服寬度的，到達基片的一復合層射流橋。
13.如權利要求12所述的設備，其特征在于所述第二涂覆液層(74，134)與第一涂覆液(76，136)一起流出模的出口。
14.如權利要求12所述的設備，其特征在于所述模包括容納第一涂覆液(76)的第一個空腔(60)，其中第一條通道是連接第一個空腔和第一條槽出口的槽(68)；容納第二涂覆液(74)的第二個空腔(50)；以及連接第二個空腔和第二條槽出口的第二槽(58)；以及接收從第一條和第二條槽流出的第一和第二涂覆液的第三條槽(48)，并且與模出口相連；其中第一和第二涂覆液在第三條槽(48)中形成復合層，第三條槽的尺寸大小能讓復合層的流速足以使所述復合層從模出口流出并完全脫離模表面不接觸更多的模槽出口邊緣，而不考慮第一和第二液體在它們各自的第一條和第二條槽中各自的流速是否足以形成射流。
15.如權利要求12所述的設備，其特征在于所述流動的設備包括至少一層涂液層流經模的設備和至少在所述流出模的涂液層上施加另一層涂液層的設備。
全文摘要
當基片沿一條軌道移動途經涂覆工位時將許多同時施加的涂覆液(72,74,76,134,136)涂覆到基片(30,94)上。流動的多層涂液層以相互層疊層的方式形成,并形成一層復合層。所述復合層的流速足以形成一條連續流動的復合層射流,并不管射流的流動方向,在基片表面涂上一定寬度的涂層。
文檔編號B05C9/06GK1174523SQ95197482
公開日1998年2月25日 申請日期1995年12月27日 優先權日1995年2月2日
發明者威廉·K·倫納德 申請人:美國3M公司