CN1484553A - 使用线绕棒的涂布装置和方法 - Google Patents

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Abstract

通过使第一位置上的基材与至少两个旋转的线绕涂布棒(15，17)的润湿的表面部分接触，并使此基材再接与基材一个或几个不同位置上的这种润湿的表面部分再接触，由此可在基材上形成连续的无空穴的均匀涂层。涂料被重复地从基材上移取并放置在基材上，由此变得更加均匀。用低花费的设备可以快速简单地得到极均匀极薄的涂层。

Description

使用线绕棒的涂布装置和方法
                           技术领域
本发明涉及用来在基材上进行涂布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的方法和装置。例如，称为“Mayer Bar”的线绕棒涂布器(参见Mayer的美国专利1,043,021)可用来在小的试验片材上形成手工摊铺层。造纸机和纸张涂布机在纸幅的一面或两面装有线绕涂布棒(有时称为“刮棒”)，如Booth，G.L.的“The Coating Machine”，Pulp and Paper Manafacture，第8卷，Coating，Converting and Processes，第76-87页(1990年第3版；参见“Champion Rod Coater”第78页)；Booth，G.L.的 Evolution of Coating，第1卷(Gorham International公司)；美国专利1,043,021、2,229,620、2,229,621、2,237,068和2,245,045；以及 http：//www. ferron-magnetic.co.uk/coatings/meterrod.htm.中所揭示的。有时，这种机器中的线绕涂布棒在涂布时缓慢旋转，以便使绕线上裹着的涂料均匀。
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。它们通常由刮涂装置构成，其中在刮刀边缘和底板之间有一个间隙，充有随涂布液的片材则移动通过此间隙。
                           发明概要
上面提到的‘955申请描述了通过使用移放(pick-and-plane)涂布装置来消除或至少显著地减少重复及随机涂层缺陷的涂布装置和方法。在’955申请中，旋转辊(尤其是非驱动辊，在被涂布的基材通过它时能与其同步旋转)是优选的一类移放装置。特别优选的是不同尺寸的辊子，或以不同速度操作的辊子，其大小或速度(因此定义为装置上的点与基材相继接触的时间间隔的接触周期)不是周期性互相相关的。通过使涂层上的第一位置与周期性移放装置的润湿表面接触，并使涂层与基材上不同于第一位置且在与第一位置的距离方面不是周期性相关的一些位置上的润湿表面再接触，这样可以改进基材上涂层的均匀性。‘955申请的涂布装置和方法可以以非常高的速度提供极其均匀且极薄的涂层。
与本申请同日提交，题为COATING DEVICE AND METHOD USING PICK-AND-PLACEDEVICES HAVING EQUAL OR SUBSTANT IALLY EQUAL PERIODSD的待审批美国专利申请(律师备案编号55476US003)描述了其它使用移放装置的涂布装置和方法，该移放装置与基材的接触周期彼此相等或基本相等，其全文参考结合于此。
这两个待审批申请都声称，在涉及较厚涂层的涂布情况下，将一个或多个(或者甚至是所有)移放装置的表面开槽、压花、蚀刻或进行其它纹理化加工是很有用处的，因为这样它们可增加湿涂层厚度。本发明涉及在涂布设备和方法(如这些待审批申请中描述的那些方法)中作为移放装置的多线绕涂布棒的应用。可用低花费从各种途径获得绕线涂布棒，并得到有良好性能的涂布装置。可以仔细计量所用的涂料而避免浪费或过量。最终的涂料重量可以容易地微调。在涂布棒上未受控制的涂布液滚动积累的形成可以避免。
因此，一方面，本发明提供了改进基材上湿涂层均匀性的方法，它包括使涂层上的第一位置与至少两个旋转式线绕涂布棒的润湿表面部分接触，并使此涂层与基材一个或几个不同位置上的这种湿的表面部分再接触。
本发明还提供了用来实行这些方法的装置。一方面，本发明提供了一种装置，它包括2个或2个以上能在基材上的不同位置与湿涂层周期性接触及再接触的旋转式绕线涂布棒，这些装置的周期要选择使得涂层的均匀性获得改善。另一方面，本发明提供了一个向基材施加不均匀(最好是不连续)涂层的涂布装置和一个改进装置，所述改进装置包括2个或2个以上在基材上的不同位置与湿涂层接触及再接触的旋转式绕线涂布棒。再一方面，本发明提供一种涂布设备，它包括一个向第一基材施加不均匀(最好是不连续)的涂层的涂布装置；一个改进装置，所述改进装置包括2个或2个以上在第一基材上的不同位置与涂层接触及再接触的旋转式绕线涂布棒；以及一个将涂层从第一基材转移到第二基材的转移装置。
本发明的方法和装置还能促使基材上的湿涂层更快地干燥。这样，再另一方面，本发明的方法还包括通过使涂层与多个旋转式绕线涂布棒接触和再接触，来使涂层干燥，并且本发明的装置包括具有许多与具有湿涂层的基材接触及再接触的旋转式绕线涂布棒的干燥装置。
本发明的装置和方法有助于以廉价的设备得到连续的无空穴、均匀且极薄的涂层。
                             附图简述
图1是卷材上涂层缺陷的侧视示意图。
图2是本发明一个装置的透视图，其中，环形卷材上的涂层与两个绕线涂布棒接触。
图3是本发明一个装置的侧视示意图，此装置使用了一套5个非驱动型同步旋转的绕线涂布棒。
图4是本发明一个装置的侧视示意图，此装置使用了一套6个驱动型绕线涂布棒。
图5是本发明一个装置一部分的局部侧视示意图，此装置使用了一套20个非驱动型同步旋转的绕线涂布棒。
图6是本发明一个装置的侧视示意图，它使用了一个传递带。
图7是用于涂布有限长度基材的本发明一个装置的侧视示意图。
图8是安装在可旋转支持辊上的有限长度片材的透视图。
图9是用来涂布有限长度基材的本发明一个装置的透视图。
                             详细描述
本发明特别适合用来(但不限于)涂布移动的环形(或基本上环形)的卷材和带材。为简便起见，且除非文中另有说明，这种卷材或带材在这里统一称为“卷材”。本发明还可用来涂布有限长度的基材。为简便起见，且除非文中另有说明，这种基材在这里将被称为“片材”。卷材和片材(也可统称为“基材”)可以是事先未涂布过的、可以是事先施涂过硬化涂层的、或者可以是事先施涂了湿涂层但未硬化的。
在本发明中，湿涂层被施涂上基材或者是已经施涂在基材上，通过多个旋转式线绕涂布棒(如Mayer Bar涂布棒)的作用使其厚度更加均匀。当基材和涂布棒相对运动时，涂布棒作用于湿的涂层。通常，这种相对运动是使卷材在涂布棒上移动或者将片材固定于一旋转支持物上并使涂布棒顶住该片材而实现的。涂布棒可以与基材相同的周边速度旋转，也可以以较小或较大的速度。如果需要的话，涂布棒可以与基材的运动方向相反的方向旋转。优选的是，在涉及改进在有一定移动方向的基材上进行涂布的用途中，至少一个涂布棒的旋转方向与基材的移动方向相同。更加优选的是，至少两个涂布棒的旋转方向与基材的移动方向相同。再优选的是，所有的涂布棒以与基材相同的方向、并以与基材基本相同的速度旋转。这通常可以通过使用同速旋转式非驱动型涂布棒来实现，这些涂布棒顶住基材并随其一起运动。
现在试看图1，标称厚度为h的液体涂层11存在于卷材10上。如果由于某种原因以高度H高过标称厚度的一个随机局部尖峰12出现，或者由于某种原因出现一个随机局部凹陷(例如标称面以下深度为H’的局部凹陷13或者深度为h的空穴14)，则涂布的基材的一小段长度将是有缺陷的，不能使用。
图2显示了移动卷材10上的涂布液11，此时它与同速旋转的线绕涂布棒15和17接触。涂布棒15具有轮毂16，线20以螺旋方式缠绕着轮毂16。涂布棒15超出了移动卷材10的涂布宽度。涂布棒15是非驱动的，它围绕中心轴19和卷材10的的运动同速旋转。涂布棒17具有轮毂18，线22以螺旋方式缠绕着轮毂18。如图2所示，涂布棒17的直径小于涂布棒15，但如果需要的话可以有较大或相等的直径。和涂布棒15一样，涂布棒17超出了卷材10的涂布宽度，它是非驱动的，围绕中心轴21和卷材10的的运动同步旋转。起动该设备并让涂布棒15和17转动几圈后，涂布棒15和17被线覆盖的表面，被卷材10转移过来的涂布液11弄湿。涂布液11充满了入口点24和液体分流点25之间以及入口点26和液体分流点27之间的涂布棒接触区。在这两个分流点，一部分涂布液留在卷材10上，一部分留在涂布棒15或17上，而涂布棒继续旋转，同时卷材10移动通过涂布棒15和17。完成一次旋转后，涂布棒15和17分别将分流的液体置于卷材10上新的纵向位置上。用这种方法，部分液体涂料可以从一个卷材位置移取而在另一时刻放到卷材的另一位置上。涂布棒15和17都有这种作用。
如果需要的话，涂布棒可以仅在缺陷出现时和涂层11接触。或者，无论接触位置是否有缺陷存在，涂布棒都与涂层11接触。优选的是，旋转式涂布棒与基材连续接触，该线绕涂布棒表面的任何给定部分与基材周期性接触并再接触。
在图2中只显示了两个涂布棒。然而，优选使用两个以上的涂布棒(如3、4、5、10或20或者更多的涂布棒)。当多个旋转式线绕涂布棒(如涂布棒15和17)被涂层打湿的表面与湿的液体涂层(如涂层11)接触时，则过多的涂料(如图1中的尖峰12)被移去，然后放在基材的其它位置上。这些其它的位置包括涂料缺之的位置，如图1中的凹陷13或空穴14，以及涂布厚度低于平均厚度的位置。这种移放作用产生了更加均匀的涂层。线绕移放涂布棒的应用使得施加的涂料有可能仔细地预先计量，不致浪费或过量。因此最后的涂层重量容易微调。在涂布棒入口侧或出口侧未受控制的涂布液滚动积累可以避免或防止。
多个涂布棒的旋转周期最好经过选择，以使它们的作用不会增强基材的涂布缺陷。涂布棒的旋转周期可以表达为涂布棒从基材一个位置取出一部分湿涂料、然后将其放在另一位置所需的时间，或者表达为与涂布棒表面部分接触的基材上两个相继接触点之间的距离。例如，如果涂布棒15以60rpm旋转，且基材10相对于涂布棒15的移动保持恒定，则周期是1秒。本发明使用了多个这种旋转式涂布棒，它们优选有两个以上，更优选有三个以上不同的周期。通过使用合适数目的涂布棒，并适当选择它们与基材接触的周期，在极高的速度下可得到非常均匀的涂层。最优选的是，若干对这种周期相互之间不成整数倍。
可以用许多方法改变旋转式涂布棒的周期。例如，可以改变旋转速度；相对于固定的观察者看到的涂布棒的最初空间位置，沿着基材的长度(如延着卷材向前或向后)重复(如连续)移动涂布棒一段距离；或者改变基材相对于旋转式涂布棒的旋转速度的移动速度，来改变涂布棒的周期。所述周期不必是平稳变化的函数，且不必在随时间保持恒定。
涂布棒不一定需要有不同的周期。本发明可以采用大量有相同或基本相同放置周期的涂布棒，即放置周期在所需精密度内相同的涂布棒。所需的精密度取决于涂布棒的总数和所需的涂层厚度均匀性。通常，使用的涂布棒越多，在给定的放置周期精密度内就能得到越好的结果。例如，各周期可以是互相在±0.01％、±0.05％、±0.1％、±0.5％或±1％以内，较多涂布棒以较高的周期精密度(如±0.05％)提供的结果通常与用较少涂布棒以较低的周期精密度(如±0.5％)获得的的结果相当。当先在基材上施涂不连续或有意不均匀的涂层时，可以采用许多有相同或基本相同周期的涂布棒来获得厚度均匀的涂层。优选的涂层不连续性或不均匀性的周期要经过选择或控制，使得在通过这些涂布棒后得到均匀的涂层。当涂层最初的不匀性是带状时，优选控制或选择带的宽度，或者同时控制或选择带的宽度和带的周期，或者是带的宽度、带的周期和涂布棒周期，使得在最终的涂层中获得所需的厚度均匀性程度。
有关本发明装置基本操作原理的其它细节详细描述在上述‘955申请和申请序列号(律师备案编号55476US003)中。
图3显示了本发明一个装置30的侧视示意图，它采用了一列5个非驱动的同步旋转的线绕涂布棒。这些涂布棒可称为“改进装置”。这些涂布棒可改善卷材31的上表面湿涂层的厚度均匀性。在卷材31进入改进装置30之前用图3中未示的涂布装置对卷材31进行涂布。当液体涂层接触线绕涂布棒32时，卷材31上液体涂层的厚度在卷材的下游方向上呈即时的空间改变。对于固定的观察者，涂层厚度是随时间变化的。这种变化在卷材下游方向上可以包括暂时、随机、周期性和暂时周期性的成分。卷材31沿着一条通道通过装置30，并通过惰辊35和38与线绕涂布棒32、33、34、36和37接触。通道是经过选择的，使得卷材上湿的涂布面和线绕涂布棒物理接触。线绕涂布棒32和34有同样的直径。线绕涂布棒34、36和37的直径各不相同，且与涂布棒32和34的直径不同。每个涂布棒都是非驱动的并随卷材31的运动而旋转。
且看一看线绕涂布棒32，液体涂料在起离点即分流点32a处分流。一部分涂料和卷材一起向前移动，当涂布棒32旋转离开起离点32a时，其余的涂料，随同涂布棒一起转动。在分离点32a之前涂层厚度的差异，反映在当卷材和涂布棒32在起离点32a分离时卷材31上液体层的厚度和涂布棒32表面液体层的厚度上。在卷材31上的涂层第一次接触涂布棒32且涂布棒32旋转一周后，涂布棒32上的液体和卷材31上进入的液体在最初的接触点32b位置相遇，从而在接触点32b和32a之间的辊隙区32c充满了液体。区域32c中没有夹带的空气。对于固定的观察者而言，液体进入此辊隙接触区32c的流量是卷材31上进入的液体流量和涂布棒32上进入的液体流量之和。涂布棒32的实际作用是在一个位置从卷材31上取出物质并将一部分物质再放到另一位置上。用类似的方法，液体涂料在起离点33a、34a、36a和37a分流，一部分涂料在接触点33b、34b、36b和37b和卷材31再接触，重新施涂于卷材31上。最终结果是，离开改进装置30的卷材涂层更加平整。
一个随机的严重初始缺陷(例如，巨大的涂料骤增或者涂料的完全缺失)可以通过本发明的改进装置而显著地减少。输入缺陷可减少到不再成为是缺陷的程度。使用本发明的方法和装置，可在改进装置的出口形成卷材前进方向上新的涂层轮廓。即是说，由于使用多个涂布棒，由第一涂布棒传播和再传播的许多缺陷图像可用由第二涂布棒和随后的涂布棒和再传播传播的附加的许多缺陷图像来修正。这种情况可以以相长的和相消的叠加方式进行，使得最终的结果是更为均匀的或受控的厚度差异。在效果上，许多个波形叠加在一起，使得各个波形的相长和相消叠加结合起来产生了所需程度的均匀性。多少换一个角度来看，当涂层厚度不均匀的部位通过改进装置时，来自高位的涂料部分实际上被移去而向下放置到下面的低位上。
图4是本发明一个装置的侧视示意图，它使用了一套6个驱动型绕线涂布棒。在卷材41进入改进装置40之前用图4中未示的涂布装置在其两面进行了涂布。这两个涂布面在图4中被称为A和B。卷材41沿着一条通道通过装置40，与线绕涂布棒42、43、44、45、46和47接触。通道经过选择，使得涂布面A和涂布棒42、44、46和47物理接触，并使涂布面B和涂布棒43和45物理接触。如图4所示，涂布棒42、43、44、45、46和47直径都相同。在涂布面A，涂布棒42、46和47被驱动，使它们和卷材41一起旋转，但旋转速度各不相同，同时涂布棒44也被驱动，使其以与卷材41运动方向相反的方向旋转。涂布棒42、44、46和47的旋转速度都经过调节，以便在涂布面A上提供改进的涂布均匀性。同样，在涂布面B上，涂布棒43被驱动，使其和卷材41一起旋转，同时涂布棒45也被驱动，使其以与卷材41运动方向相反的方向旋转。涂布棒43和45的旋转速度都经过调节，以便在涂布面B上提供改进的涂布均匀性。
图5一个是均匀性改进装置50的局部侧视图，它使用了一列20个转绕线涂布棒，其中的8个显示在图5中。用振荡涂布机52通过一柔性针头53在卷材51的上表面涂布以往复条纹式样的间隙式图案。针头53的开口端接触卷材51并沿着卷材51的宽度往复扫涂。振荡速度和液体流过针头53的流量决定了进入改进装置50时所涂条纹的厚度的间距。振荡速度和液体流量还决定了离开改进装置50后卷材51上的最终涂层厚度。卷材51上液体涂层的厚度在卷材下游方向当它达到惰辊56和旋转式线绕涂布棒57时会瞬时变化。对于固定的观察者而言，涂层厚度会随时间变化并有不连续性。卷材51沿着一条通道通过装置50，并通过惰辊56、58、60、63、67、68、70和72与线绕涂布棒57、59、61、62、64、66、69和71接触。线绕涂布棒57、59、61、62、64、66、69和71(和图5中显示的一样，直径都相同)是非驱动型的，随着卷材51的运动同步旋转。卷材51继续通过图5中未示的另外12个涂布棒(如果需要的话还通过其它的惰辊)前述。适当调节或选择辊子的旋转周期和所涂上条纹的宽度，涂层可以均匀得多。
图6是本发明一个装置78的侧视示意图，它采用了传递带80。传递带80环绕在转向装置81，惰辊83、85、87、89和91，非驱动型同步旋转线绕涂布棒82、84、86、88、90和92，以及驱动型型支撑辊93上。涂布棒82、84、86、88、90和92有不同的直径和不同的旋转周期。间歇式涂布装置94的柔性针头95在传递带80的带状涂布区域96上往复摆动。所施涂的条纹在传递带80上形成了Z形图案，因此在装置94下游产生了间歇的涂层缺陷。起动此装置并在传递带80旋转几周后，传递带80和涂布棒82、84、86、88、90和92的表面已潮湿。涂布棒92和支撑辊93之间传递带上的涂层将变得非常均匀。至此已经描述的图6的实施方案，可用来在传递带自身上形成均匀的涂层，或者用来在已经涂布过的传递带上改进涂层均匀性。湿的传递带80也可用来将涂层转移到湿的目标卷材基材97上。例如，目标卷材97可由动力辊98驱动，并在传递带80围绕支撑辊93循环时与传递带80接触。为了涂布卷材97，辊子93和98被夹在一起，使得传递带80与卷材97面对面接触。在通过这一夹合点之后，一部分液体涂料将从传递带80分离转递到卷材97表面上。当使用这个此装置连续涂布目标卷材97时，优选在传递带每旋转一周后将液体连续加到传递带80的区域96上，并在辊子93和98间的夹合点将其连续除去。由于在开动后，传递带80已经被液体涂布，则在条纹涂布区96上不会有三相(空气、涂布液和传递带)湿线。这使得涂布液的涂布比直接涂布干燥卷材更加容易。由于只有约一半的液体在93、98辊子夹入处被转移，与没有传递带时涂布干燥卷材并使如此涂布的卷材通过有相同数目涂布棒的本发明的改进装置而形成的条纹相比，区域96下游厚度不均匀的比例通常很小(如最多只有一半左右)。
当对湿的传递带80或其它目标基材间断施涂所需平均涂层厚度需要的液体的量时，线绕涂布棒的周期和数目应经过选择，以便适合下游卷材上任何两个相邻的涂料沉积区之间的最大间距。此方法一个突出的优点是，通常可以容易地在传递带或其它目标基材的宽度上形成厚的条纹或涂层区域，但不易制成薄而均匀的连续涂层。这一方法另一重要特征是，它具有预计量特征，即可以通过调节施涂在传递带或其它目标基材上液体的量来控制涂层厚度。
尽管图6中所示的传递带80和任一涂布棒，或者传递带80和卷材97之间可以采用速度差异，但优选传递带80和涂布棒82、84、86、88、90和92，或者传递带80和卷材97之间不采用速度差异。这样可简化装置的机械结构。卷材97也可与传递带80呈逆向运转(如通过辊子98)。
图7是用来涂布有限长度基材的一个本发明装置100的侧视示意图。线绕涂布棒112和114由置在基座118上支座115和116中的低磨擦轴承(未显示在图7中)支撑。涂布棒112和114相互平行水平放置。在图7显示的实施方案中，涂布棒112和114大小相等。如果需要的话，此涂布棒可以有不同的大小。此外，可以使用两个以上的涂布棒。涂布棒112或114或这两者可以，例如以每分钟1-1000转的速度由图7中未示的可变速驱动装置驱动。旋转式支持辊或固定辊120上包有橡胶覆盖层122和片材124。片材124为有限的长度，且片材124的两个末端126、128在区域130稍微重叠。辊子120放置在涂布棒112和114之间的缺口中并由它们支撑。要仔细控制并对准涂布棒112和114以及固定辊120的直径和轴，最好是±10微米的直径公差和直度公差。辊子120的重量提供了夹持力，使得片材124和涂布棒112和114在夹持点132和134处紧密接触。辊子120的止动装置136和其另一端的又一个止动装置(未显示在图7中)可以防止辊子120的轴作横向移动。当驱动型涂布棒112旋转时，涂布棒114和辊子120以与涂布棒112几乎相同的表面速度因表面牵引力而驱动旋转。
来自注射泵138的涂布液由供应管140和给料套管142供应到针头144中。振荡机构146使针头144在辊子120表面上往复移动。在振荡冲程的每端都有静止位置。挡板148和辊子120另一端的另一个挡板(未显示在图7中)阻止了涂布液在装置146冲程的两端的继续流动。两个挡板之间的距离控制辊子120上涂层的宽度，挡板能将过量的涂布液排出进入收集槽150中。
图8是安装在可旋转固定辊120上的有限长度的片材124的透视图。如图8所示，片材124的两端126和128以对接关系放置。然而，如图7所示，末端126和128可以对叠，如果需要的话两端之间也可以有一小段空隙。轴干167支撑着辊子120。
图9是本发明一个装置170的透视图。装置170类似图7中的装置110，但它结构是使涂布液施涂在涂布棒120上的上凸部分168，而不是施涂在辊子120上的片材124上。装置170很轻便，可以用在例如工作台上。辊子120置于涂布棒112和114之间并由它们支撑。涂布棒112和114由支座115和116中的低磨擦轴承(未显示在图7中)支撑，支座115和116分别位于基座118上。支柱137上的止动装置135限制着辊子120的轴横向移动。变速传动马达172通过连接器174将旋转力施加给涂布棒112。马达172的转速(因而涂布棒112的转速)由箱子178中的开关175和电位计176控制。指示灯177说明马达172在工作。由于螺旋形导螺杆182的旋转作用，振荡机构146使供应管140和针头144沿着钢轨180往复移动。电源开关184和常规的速度调节装置(未显示在图9中)可以调节螺杆182的速度和机构146的振荡速度。可以使用水准气泡186和调平螺钉188来调节装置170的水平。把手190则可用来用手将装置170由一处移至另一处。
与本专利同日提交、题为SHEET COATER的待审批美国专利申请序列号(律师备案编号56445US002)中更加详细地描述了图7-图9所示装置的基本操作原理，其全文参考结合于此。使用此装置，先用合适的固定方法将片材124固定在辊子120上，这样可实现样品片材的涂布。如果片材124有合适的介电特性，则静电力就足以将片材124固定而不需要其它固定措施。然后，将辊子120放在涂布棒112和114(以及可能存在的其它涂布棒)附近，这样片材124就被夹在辊子120和涂布棒之间。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(比如图7中的夹持点132和134)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涂布棒(例如涂布棒112和114)的润湿面积与辊子120的润湿面积之和。然后将所需体积的涂布液以一层或多层条纹的形式施涂在至少一个涂布棒(如涂布棒112和114)的长度上，或施涂在辊子120上片材124的表面上。涂布液的施涂通常可以在针头144往复运动的情况下使涂布液流经针头144。通过改变所施涂条纹的数目和流出针头144的流量，可以非常准确地控制片材124上所需的最终厚度。所施涂的涂布液条纹可在一个或多个涂布棒或片材124上随机施加，也可以施涂在一些特定位置上。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涂布棒或片材124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。在辊子120旋转几转时，因为片材124和涂棒的润湿表面部分和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，所以涂布棒或片材124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124上移取涂布液再将其再放置在片材124上，涂层迅速变得更加均匀。例如，在图9所示的装置中，当给变速传动马达172通电后，涂布棒112和114以及固定辊120都以大致相同的表面速度旋转。使辊子120旋转适当转数(如10转以上、20转以上或100转以上)，并对所施涂的条纹的宽度和涂布棒的旋转周期进行适当控制，就可得到厚度非常均匀的涂层。旋转所需转数后，将片材124从辊子120上取下，如果需要的话可使其干燥或硬化。为便于取下片材124，可将辊子120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，由于辊子120的重量，用手将辊子120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，它可以抬升辊子120)来帮助片材124的剥离。
对于本发明的任何装置，涂布液的行为例如随着时间推移发生的干燥、固化、凝胶化、结晶或相变等会带来一些限制。如果涂布液含有挥发性成分，则应涂布棒旋转数百或数千周的时间内，涂布液会干燥到硬化的程度。当涂布棒和基材接触时，由于某种原因产生的相变通常会在所施加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内达到所需程度的涂层均匀性。
通过采用周期性或随机的速度差异，以可变的速度来操作涂布棒可在本发明的装置中得到进一步的性能改进。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。其它改变某一旋转体相对于另一旋转体的表面旋转周期的技术包括，在使第一旋转体表面速度恒定情况下，改变它的大小(例如，在图9所示的装置中使固定辊120膨胀或压缩或者扩大或缩小)。如果线绕涂布棒是由热膨胀材料制成的，则同样可以用不同温度下操作涂布棒来修改涂布棒的大小(因此涂布棒的周期)。同样，在操作过程中也可以改变涂布棒的位置。例如，可对涂布棒15轮毂16施加与轮毂平行的力使涂布棒15相对于图1的卷材10往复振荡。这种运动可导致涂布液在片材宽度方向上运动，从而改善整个涂层的均匀性，尤其是当卷材最初被不十分均匀的横跨卷材宽度方向上施加的条纹涂布时。所有上述变化都是有用的，它们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。
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游走式变化，随机变动，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基材上形成均匀涂层所需的涂布棒数目或旋转圈数。已经发现涂布棒旋转周期或表面速度的微小变化是极其有用的。例如，在图7-图9所示的装置中，优选的速度变化模式是当辊子120旋转时，正弦改变涂布棒112或114和固定辊120之间的表面速度差异。幅度小到平均值0.5％的微小速度变化变能得到改进的效果。通常需要避免较大幅度的变化，尤其是当辊子120需要旋转较多周数时，为的是避免非常高的速度差产生的热量。
一开始可采用除上面讨论的振荡式针式涂布器以外的方法，将涂布液施涂成条带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基材或涂布棒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都是在2001年4月24日提交的待批美国专利申请序列号Nos.09/841,380(题为“静电喷敷涂布装置和方法”)和09/841,381(题为“可变的静电喷敷涂布装置和方法”)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以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，可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对增加基材上挥发性液体进行干燥的速度。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移放装置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，涂布棒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加涂层，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。本发明的各个实施方案对于制造100％固体涂层、精确涂层和非常薄的涂层特别有效。列在图7-图9中的本发明的实施方案可以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，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来修改片材表面的光学、化学、机械或电学特性。
本发明还可用来在基材上形成一条或多条清晰的涂布带。例如，本发明可在基材上提供一条涂布带，其一侧或两侧是基材上未被涂布的带形区域。本发明还可提供两条或两条以上由未被涂布的一条或多条带形区域隔开的涂布带，这些涂布带是相同的涂料组合物或者有两种或两种以上不同的涂料组合物。本发明还可提供两条或两条以上含有两种或两种以上不同组合物的邻接涂布带。由于所用涂布液的量可以预先确定，可预防或阻止液体在涂布棒后滚动堆积，这样可预防或防止涂料在卷材上混合以及涂布带边缘的模糊。与此不同，常规的Mayer涂布棒涂布的涂布液要多于一般所用的量，且它难以行成清晰的涂布带。涂布带边缘会模糊，或者涂料在卷材上混合发生在涂布棒后面液体的滚动堆积中。
尽管已经就线绕涂布棒描述了本发明，但也可以使用其它合适的不光滑的涂布棒结构来得到相同的结果。例如，可在一个圆柱状涂布棒上刻出一系列平行的径向切纹或一条螺旋形凹槽。当这样做时，其结果通常与那些使用具有同样体积因子的线绕涂布棒得到的结果是类似的。对于线绕涂布棒，体积因子是截留在涂布棒上外露的绕线表面和恰好接触绕线外面的光滑的柱状相对表面之间，每单位面积的液体的体积。对于开槽的涂布棒，体积因子是当光滑的圆柱状相对表面恰好接触涂布棒时截留在切槽中的每单位面积的液体体积。其它不光滑的涂布棒结构也可根据它们的表面体积因子做类似的表征，并用来代替线绕涂布棒。然而，考虑到线绕涂布棒的成本低而且容易获得，其它不光滑的棒结构显然是不大用的
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
使用装备了本发明改进装置的一种改进的涂布机，用一种涂布液在卷材横向上施涂上一些间歇的、周期性的、稀疏的条纹，然后转变为具有连续均匀涂层的卷材。卷材是厚0.05mm、宽153mm的双轴取向的聚酯膜。涂布液含有2600体积份的丙三醇、260体积份的异丙醇、以及1体积份的氟化合物湿润剂(3MTM FLUORADTMFC-129氟表面活性剂，明尼苏达州St.Paul的3M公司产品)。将涂布液直接施涂在卷材上。涂布装置使用一个将柔性聚丙烯针在转移辊上往复摆动的空气驱动摆动机构。该摆动机构是具有线性执行器(购自明尼苏达州Hamel的Tol-O-Matic公司)的Model BC406SK13.00 TOLOMATICTM Pneumatic Band Cylinder。用齿轮泵以2.92cc/rev的容量预先计量涂布液。购自新泽西州费尔劳恩的I & J Fisnar公司的部件号为560105的聚丙烯针具有0.48mm的针头。使用4mm外径的柔性塑料管将注射泵和针连接。针放置的位置使得针头与卷材接触。卷材的速度为每分钟3.5米，涂布液流量由计量泵的速度所控制，冲程长度为127mm，卷材上计量涂布了狭窄条纹的图案。
经涂布卷材然后和含有四个线绕涂布棒、两个背面惰辊的改进装置接触，然后再和三个线绕涂布棒接触。涂布棒接触卷材上涂有条纹的一面。涂布棒获自纽约州罗彻斯特的Specialty Coating公司。涂布棒的直径为12.7毫米。由于到达第一个涂布棒时，卷材上条纹涂层的厚度很薄，而当通过随后的各涂布棒后变得更薄，较好是以后的涂布棒尺寸越来越小，或者其上的绕线直径越来越小，至少到可实现连续涂布时为止。因此，涂布棒1-7的线号数各为75、50、36、34、30、24和22。涂布棒的两端都固定在自由滚动的球轴承上，这样涂布棒就能因卷材的牵引力随卷材一起旋转。卷材的通道确定为使得第1、4、5和7个涂布棒以30°的包角与卷材接触，而第2、3和6个涂布棒以90°的包角与卷材接触。
以每分钟38-73毫升的流量给振荡式针式涂布器连续供应液体。在针每次往复运动时，针头超出卷材边缘时会继续输送液体。多余的涂布液被收集到卷材边缘外位于针式涂布器位置的的收集盘中。当流量超过每分钟41毫升时，液体的滚动堆积物积累在一些涂布棒后并从卷材边缘滴下。通过将流量降低至每分钟约38-41毫升，可以实现稳定的涂布，同时当卷材通过涂布棒时，所施加的涂料会留在卷材上。在这些流量下，一半的泵送流量沉积在卷材上，一半沉积在收集盘中。
初始涂上的很不连续涂层在通过改进装置之后，变为无空穴的连续涂层。通过各个涂布棒前后，对卷材上的涂层进行肉眼观察可看出改进的情况。呈Z字形条纹涂层的卷材到达第一个涂布棒，然后在同步旋转的涂布棒下面通过。从卷材-涂布棒接触区离开后，一部分液体留在第一涂布棒表面，一部分留在卷材上。液体带纹被变成两个图象，一个在第一涂布棒上，一个在卷材上。当第一涂布棒旋转一周后，第一涂布棒上的图象随后和卷材上新的位置再接触，在卷材上产生了厚度较小的第二图象。用类似的方法，涂布液条纹及其后来的图象在卷材和以后的涂布棒之间分流，在与卷材上的新位置再接触，产生厚度更加薄的其它图象。这种重复的接触、分流和再接触产生了厚度非常均匀的连续涂层。
和用常规的Mayer棒涂布一样，由于绕线的存在，在卷材的下游方向上涂层上可能产生一些的趋势。对于有适当粘度的涂料，这些线将会自动平整。如果它们没有自动平整，本领域的技术人员会认识到，用平整刮刀或其它装置进行后处理可以有效降低或消除这些线。
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仅为了达到说明目的的那些内容。

Claims (58)

1.一种改进基材上湿涂层均匀性的方法，所述方法包括，使涂层在第一位置与至少两个旋转的线绕涂布棒的润湿表面部分接触，并使涂层与所述润湿的表面部分在所述基材的一个或几个不同位置上再接触。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述涂布棒与所述基材没有相同的接触周期。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述一些涂布棒的旋转周期不是周期性相关的。
4.如权利要求1所述的方法，它用到至少3个涂布棒。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述各涂布棒都有不同的旋转周期。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述涂布棒有越来越小的绕线直径。
7.如权利要求1所述的方法，它用到至少5个涂布棒。
8.如权利要求1所述的方法，它用到至少10个涂布棒。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述涂布棒与基材有相同的接触周期。
10.如权利要求9所述的方法，它用到至少4个涂布棒。
11.如权利要求9所述的方法，它用到至少10个涂布棒。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述基材有个移动方向，且至少一个涂布棒的旋转方向与基材的移动方向相同。
13.如权利要求12所述的方法，其中，至少两个涂布棒的旋转方向与基材的移动方向相同。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所有涂布棒以与所述基材基本相同的速度并按相同的速度旋转。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述基材是卷材，所述涂布棒是非驱动的、承载所述基材并被此基材的运动带动而旋转。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述基材是固定在旋转的支持物上的片材。
17.如权利要求1所述的方法，它还包括改变涂布棒的旋转周期，来减少涂层缺陷或使其减至最少。
18.如权利要求1所述的方法，它还包括以固定或可变的相对于所述支持物表面速度的表面速度差异来操作涂布棒。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述表面速度差异是正弦变化的。
20.如权利要求1所述的方法，其中，所述基材最初有不连续的涂层。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述涂层包括条纹式的图案。
22.如权利要求21所述的方法，它还包括选择或改变条纹宽度来形成更加均匀的涂层。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述涂层包括液滴状图案。
24.如权利要求1所述的方法，其中，所述涂层由有空穴的涂层变为无空穴的连续涂层。
25.如权利要求1所述的方法，其中，所述涂层转变为平均厚度小于5微米。
26.如权利要求1所述的方法，其中，所述涂层在基材上是一条或多条涂布带。
27.如权利要求26所述的方法，其中，所述涂层包含两条或两条以上由未涂布的一个或多个带形区域隔开的涂布带，这些涂布带是相同的组合物或是两种或多种不同的组合物。
28.如权利要求26所述的方法，其中，所述涂层包含两条或两条以上含有两种或多种不同组合物的邻接涂布。
29.一种装置，所述装置包括两个或多个在基材上不同位置的湿涂层周期性接触并再接触的旋转的线绕涂布棒，所述装置的周期经过选择，使得涂层的均匀性获得改进。
30.如权利要求29所述的装置，其中，所述涂布棒与所述基材的接触周期不同。
31.如权利要求30所述的装置，其中，所述各涂布棒的旋转周期不是周期性相关的。
32.如权利要求29所述的装置，它包括至少3个涂布棒。
33.如权利要求32所述的装置，其中，所述所有涂布棒都有不同的旋转周期。
34.如权利要求32所述的装置，其中，所述涂布棒有越来越小的绕线直径。
35.如权利要求29所述的装置，它包括至少5个涂布棒。
36.如权利要求29所述的装置，它包括至少10个涂布棒。
37.如权利要求29所述的装置，其中，所述涂布棒与基材有相同的接触周期。
38.如权利要求37所述的装置，它包括至少4个涂布棒。
39.如权利要求37所述的装置，它包括至少10个涂布棒。
40.如权利要求29所述的装置，其中，所述基材有个移动方向，且至少一个涂布棒的旋转方向与基材的移动方向相同。
41.如权利要求40所述的装置，其中，至少两个涂布棒的旋转方向与基材的移动方向相同。
42.如权利要求40所述的装置，其中，所有涂布棒以与所述基材基本相同的按与所述基材相同的方向旋转。
43.如权利要求40所述的装置，其中，所述基材是卷材，所述涂布棒是非驱动的、承载所述基材并被此基材的运动带动而旋转。
44.如权利要求29所述的装置，其中，所述基材是固定在旋转的支持物上的片材。
45.如权利要求29所述的装置，其中，所述涂布棒的旋转周期可以改变，来减小涂层缺陷或使其减至最少。
46.如权利要求29所述的装置，它还包括以固定或可变的相对于所述支持物表面速度的表面速度差异来操作涂布棒。
47.如权利要求46所述的装置，其中，所述表面速度差异是正弦变化的。
48.如权利要求29所述的装置，其中，所述涂布棒可与基材上一个或多个涂布带接触并再接触。
49.如权利要求48所述的装置，其中，所述涂布棒可与两条或两条以上由未涂布的一个或多个带形区域隔开的、有相同组合物或有两种或多种不同组合物的涂布带接触并再接触。
50.如权利要求48所述的装置，其中，所述涂布棒可与两条或两条以上含有两种或多种不同组合物的邻接涂布带接触并再接触。
51.一种涂布设备，它包括对基材施涂不平整涂层的涂布装置和包含权利要求29所述装置的改进装置。
52.如权利要求51所述的涂布设备，其中，所述涂布装置施涂不连续涂层。
53.如权利要求51所述的涂布设备，其中，所述涂布装置施涂条纹的图案。
54.如权利要求51所述的涂布设备，其中，所述条纹的宽度可经过选择或改变以便制造更加均匀的涂层。
55.如权利要求51所述的涂布设备，其中，所述涂布装置施加液滴状图案。
56.如权利要求51所述的涂布设备，其中，所述涂层由有空穴的涂层转变为无空穴的连续涂层。
57.如权利要求51所述的涂布设备，其中，所述涂层转变为平均厚度小于5微米。
58.一种涂布设备，它包括对基材施涂不平整涂层的涂布装置、权利要求29所述装置的改进装置和用来将涂层由第一基材转移到第二基材上的转移装置。
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