CN104220177B - 毛细管歧管涂覆设备和涂覆方法 - Google Patents

毛细管歧管涂覆设备和涂覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毛细管歧管涂覆设备和涂覆方法，包括至少一个毛细管与移动基底相接触，适于将所述至少一个毛细管的排放端定位并随后保持成与移动基底直接接触，以便将流体沉积到所述基底上，可用于将粘性流体连续地且可控地涂覆在幅材上，设备的低成本、可靠。

Description

毛细管歧管涂覆设备和涂覆方法
技术领域
本发明涉及一种用于移动基底的连续涂覆的毛细管涂覆设备，及其使用方法。
背景技术
对于可用于在具有精确的顺维和横维均匀性以及可控的涂覆宽度的宽幅材上持续地和可控地涂覆粘性流体的低成本、可靠涂覆设备，具有持续增长的需求。涂覆模具法具有如下缺点：制造具有精确的横维厚度均匀性的宽幅材是困难的，并且模具的成本和重量随着宽度增加而变得过高。滚动料堆法具有如下缺点：就涂覆重量和涂覆宽度两者而言，均是难以控制的，并且具有涂覆厚度波动性的趋势。不能精确地控制宽幅材上的涂覆宽度会导致浪费，例如，呈未涂覆幅材、材料、溢出涂覆流体的形式等。此外，一旦此涂覆过程已变得受控，则改变任何变量(例如，涂覆流体的粘度、或者涂层的期望成品厚度、或者线速度)都需要对许多其它变量进行费力的试错改变以便重新获得对涂覆过程的控制。
已知在涂覆装置中会使用毛细管。许多毛细管涂覆法涉及在所要涂覆的基底上提供涂覆流体的贮存器或滚动料堆。该贮存器必须使用额外的装置、例如压料辊来定量化。此类系统的控制是困难的。美国专利No.8,257,794(Wang等人)公开了另一种已知的不使用滚动料堆的毛细管涂覆法，其中首先使所述毛细管与将要涂覆的基底接触以便使涂覆流体开始流动，然后从表面撤回精确的距离以便在涂覆期间保持所述流动。该系统也是难以控制的。已知的毛细管涂覆法的其它常见缺点为，其迫使在涂覆流体的液滴状分配或高速大体积射流之间进行选择，而非允许受控流动的连续分配。
需要一种低成本、可靠的涂覆设备，所述涂覆设备可用于将粘性流体连续地且可控地涂覆在具有精确的顺维和横维均匀性以及可控的涂覆宽度的宽幅材上。
发明内容
本发明提供一种低成本、可靠的涂覆设备，所述涂覆设备可用于将粘性流体连续地且可控地涂覆在幅材上，所述幅材可根据需要包括具有精确的顺维和横维均匀性以及可控的涂覆宽度的宽幅材。本发明还提供了一种使用该设备进行涂覆的方法。
简言之，本发明的涂覆设备包括：至少一个、通常是多个具有排放端的毛细管；与所述至少一个毛细管连通的至少一个毛细管歧管；为所述至少一个毛细管歧管提供流体的至少一个连续泵送装置；以及至少一个位移装置，其中所述设备适于将所述至少一个毛细管的排放端定位并随后保持成与移动基底直接接触，以便将流体沉积到所述基底上。
简而言之，本发明的工艺包括如下步骤：
提供至少一个移动基底；
将涂覆设备定位成接近所述基底，所述涂覆设备包括：具有排放端的至少一个毛细管；与所述毛细管连通的至少一个毛细管歧管；为所述毛细管歧管提供流体的至少一个连续泵送装置；以及至少一个位移装置，其中所述设备适于将所述至少一个毛细管的排放端定位并随后保持成与移动基底直接接触，以便不借助滚动料堆而将流体沉积到所述基底上；
启动所述位移装置，以这种方式使得所述毛细管在其排放端处与所述移动基底直接接触；
操作所述连续泵送装置以便将所要涂覆的流体递送给所述毛细管歧管；以及
在将所要涂覆的流体沉积到基底上的整个持续期间，保持所述毛细管的排放端与移动基底之间的直接接触。
附图说明
结合附图对本发明进行进一步说明，其中：
图1是具有多个毛细管的毛细管歧管的示意图；
图2是连接到所述毛细管歧管的一个毛细管的示意图；并且
图3是本发明的一个实例性涂覆设备的示意性侧视图。
这些图未按比例绘制，它们仅是用于展示，并不限制本发明。在每个图中，类似的元件符号用于表示等效元件。
具体实施方式
毛细效应是液体对抗重力或其它施力流动以便在静态的情况下(只有重力，无其它施力)液体自发地在狭窄空间(例如，细管)或者多孔材料(例如，纸)或者一些非多孔材料(例如，液化碳纤维)中上升的能力。所述效应是由于液体与固态环绕表面之间的分子间引力而出现的。如果管的直径足够小，则表面张力(其由液体内的内聚力引起)和液体与容器之间的附着力的组合会起到沿着所述管提升所述液体一段长度的作用。
在足够窄的圆形横截面(半径a)中，两种流体(例如，水和空气)之间的界面形成弯月面，所述弯月面是半径为R的球体的一部分表面。整个该表面上的压力差是：
这可以通过以(即)在弯月面底部处具有接触角边界条件以及规定高度边界条件的球形形式写出杨氏-拉普拉斯方程式来显示。
解为球形的一部分，并且所述解将仅针对上文所示的压力差而存在。球形的半径将仅为接触角θ的函数，而所述接触角又取决于流体和所述流体所接触的固体的确切属性：
因此，压力差可以写为：
为了保持流体静力学平衡，以高度h变化来平衡所引起的毛细压力，所述高度变化可取决于润湿角是小于90°还是大于90°而为正值或负值。对于密度为ρ的流体来说：
其中γ是液体-空气表面张力(力/单位长度)，θ是接触角，ρ是液体密度(质量/体积)，g是局部重力场强(力/单位质量)，而r是管的半径(长度)。
对于在标准实验室条件下的空气中的填充有水的玻璃管来说，在20℃处γ是0.0728N/m，θ是20°(0.35弧度)，ρ是1000kg/m3，而g是9.8m/s2。对于这些值来说，水柱的高度是
因此，对于在实验室条件下的4米(13英尺)直径玻璃管(半径为2米(6.6英尺))来说，水的上升高度将为不明显的0.007毫米(0.00028英寸)。然而，对于4厘米(1.6英寸)直径的管(半径为2厘米(0.79英寸))来说，水将上升0.7毫米(0.028英寸)，而对于0.4毫米(0.016英寸)直径的管(半径为0.2毫米(0.0079英寸))来说，水将上升70毫米(2.8英寸)。此管的狭窄程度足以使得将其视为毛细管。
为了将毛细管阵列用作涂覆模具的有效替代，必须克服毛细力。否则，即使将所述毛细管定向成使得重力的牵拉与涂覆流的期望方向是相同方向，流体也将无法排出毛细管。所述毛细力可以通过施加压力(例如，来自泵)来克服。然而，已注意到，在来自泵的施力下，来自毛细管的流具有两种流态。在低施力下，流体将以单独液滴的形式排出毛细管。对于涂覆目的来说，这是低效的。第二种流态需要高得多的压力，结果是排出毛细管的高速射流。这种流态也不利于涂覆操作，因为这种流态总体上会 导致比所需要的流速大的流速。这些行为类似于众所周知的滴眼器的行为。
在本发明中，毛细管中的流体压力(即，由馈送所述毛细管歧管的连续泵施加的压力，或者由毛细管歧管中的流体提供构型施加的静压头压力)足够低，使得当毛细管的排放端不与基底直接接触时(即，将其设置在自由空间中)，不自其排放任何流体。
令人惊讶地是，仅通过使毛细管的排放端与所要涂覆的移动基底直接接触，便可以适度的强加压力克服所述毛细力。在此类条件下，来自毛细管的流在基底平面中呈抛物线轮廓，是稳定的，并且可以具有适度的流速。不会形成液滴或高速射流。此外，仅通过调整泵的整个速率，便容易地获得对流速、及因此对最终涂覆厚度的有效控制。由于该操作机制，本发明使得能够涂覆具有极大范围的粘度的流体，以及实现具有极低涂覆重量的均匀流体涂层。
用涂覆设备的任何部分触碰移动基底的表面是反直觉的，因为这将相当合理地预期导致对基底的刮擦。然而，同样令人吃惊地是，有两种因素能够各自独立地显著减少此类刮擦。首先，对毛细管的排放端进行锥形化、机加工或以其它方式处理以使其不具有尖锐边缘或粗糙边缘是极有利于减少刮擦的。另外，显而易见且令人吃惊地是，如果毛细管的排放端与移动基底之间的直接接触至少接近于切向接触(即，在切向接触的5°以内，优选地在2°以内)，则会保持在适度的施加泵送压力下的顺利流动，同时实际上消除刮擦。通过采用不具有尖锐或粗糙边缘的毛细管排放端以及与移动基底的切向接触，会获得最好的效果。在其中充分满足这些考虑条件的情况下，已观察到，即使毛细管的排放端在涂覆过程的持续期间保持与移动基底直接接触，也能够完全消除任何刮擦。
现在转至各图，所述图旨在展示本发明的特征而非进行限定。图1示出了本发明的涂覆设备的一部分、毛细管歧管单元100的示意图。歧管入口管路110从连续泵送装置(未示出)直接地或间接地接受涂覆流体，并且将所述流体运送到毛细管歧管120中。所述毛细管歧管在其对置端处被歧管塞130阻塞。毛细管歧管单元100可以任选地装备有位移装置的所有或一些部分，所述位移装置适于使毛细管170的排放端180根据需要而移动到与移动基底(未示出)直接接触和不再直接接触。在图1的示例性实 施例中，示出了从动件凸轮底座140和平轨辊150。参照图3，可看出其在示例性位移装置的运作中的作用。示出了多个外壳160。这些可以是用于将多个毛细管170附连到毛细管歧管120以形成连通的任何固定装置，使得流体可以从毛细管歧管120流动到排放端180。此外壳的一个实例将是鲁尔锁-螺纹衔接子(luer lock-to-thread adapter)。每个毛细管170都具有排放端180。这些排放端应当都被布置成使得其在工程公差内尽可能地接近共线。
图2示出了一个毛细管170、其外壳160、毛细管歧管120以及用于将毛细管歧管保持在涂覆设备中的适合位置处的支承结构210的示意性但更为详细的剖视图。
图3示出了涂覆设备300的一个特定示例性实施例的示意图，但至少一个连续泵送装置除外(未示出，在该视角下被遮蔽在可见部分后面)。预期本发明的涂覆设备300可被构造成将一个涂层施加到一个移动基底，或者将两个或更多个涂层(其可为相同或不同的)施加到一个或多个移动基底310(其可为相同或不同的)。预期此多个涂层在多个移动基底310上具有不同的最终目的，且将为熟悉涂覆或幅材处理领域的普通技术人员显而易见。出于示出一些预期的设计特征的目的，图3示意性地示出了旨在出于在压料辊层压机320中粘结性地联合两个移动基底的目的而将两个涂层施加到两个移动基底310上的涂覆设备300。所述压料辊层压机320具有两个夹紧接触的辊330。两个移动基底310首先被涂覆且然后在压料辊层压机320中一起形成层合产物340。毛细管170显示为处于恰好不与移动基底310切向直接接触的位置中。由于图3的透视图，可仅看到每一组毛细管170中的一个接近每个移动基底310，其它毛细管(当存在时)将恰好在图中所示出的两个毛细管后面，优选地以如图1所示的共线方式布置。歧管塞130的端部可见。在该视图中，毛细管歧管120将恰好在所述歧管塞的端部后面。还示出了两个平轨辊150。示出了支承结构210。所述平轨辊各自安装在平移滑道350上。毛细管170被安装成使得其将通过平移滑道350的仅少量平移(在该视图中自左至右)而与移动基底310切向直接接触。
由于加工公差和其它因素，尤其是对于毛细管170的大型阵列来说，不太可能使每个排放端180都精确地共线。因此，可能发生如下情况：在启动位移装置时，并非毛细管170的所有排放端180都将与移动基底310 同时地直接接触。该问题可以通过确保用柔性材料制造所述毛细管170来解决，使得在平移滑道350继续自左至右平移时，首先与移动基底310直接接触的那些毛细管将稍微挠曲，而非刺到移动基底310中，直到所有毛细管170已与移动基底310直接接触为止。严格保持公差仍然是重要的，以使得在所有毛细管170均与移动基底310直接接触时，接触点应当都位于排放端180处。如果使一个或多个毛细管170在距离排放端180太远的位点处与移动基底310接触，则可能涂覆流体将无法排出该毛细管，且可能需要缩短或重新定向所述毛细管以便使其排放端180与其它排放端共线。
在所示实施例中，随着平移滑道350的最上部平移，两个平轨辊150的最上部沿着弯曲滑块360骑行。这使得在撤回情况期间(从右至左平移)，一旦最上部的平轨辊150到达弯曲部分、位于弯曲滑块360的左端，毛细管170便能够出于清洁或其它目的而向上摆动并移开。两个平轨辊150的最下部沿着所述示例性图示中的长直滑块370骑行。应当理解，一个或两个平轨辊150可根据需要而骑行在弯曲滑块360或长直滑块370上。还预期到许多不同类型的位移装置也是可能的。例如，毛细管170可以变得通过旋转平移运动而非线性平移运动与移动基底310接触。而且，在图3所示的情况下，在将两个涂层施加到两个移动基底310的情形中，两个位移装置可以一致地或者独立地移动。还预期到不同位移装置的使用，并且这将是本领域的技术人员易于选择的。例如，一个位移装置可以是如图3所示的平移滑道350，而另一个位移装置是旋转型的。
阵列中的毛细管170的数目并不受限。包括基底宽度、线速度、期望涂覆厚度以及涂覆流体粘度的因素将影响毛细管170的数目和间距。如果期望在遇到生产线上的下一段处理设备(在这里是压料辊)之前所涂覆的涂层具有一致和均匀的幅材横向厚度，则毛细管将需要被足够紧密地放置在一起以适应“均化”涂覆流体的粘度。另一方面，如图3所示的夹紧设备可用于辅助均化。然而，这与滚动料堆系统相反，其中在滚动料堆系统中，压料辊起到计量作用，并且有助于确定涂覆重量以及幅材横向厚度的均匀性。
位移装置的实质和位置并不特别受限。其功能是移动毛细管的排放端以与移动基底接触，优选地为切向接触。因此，所述位移装置可以移动所 述毛细管自身，或者是涂覆设备的包括所述毛细管的任何更具有包容性的子组件。取决于构型和其它细节，所述移动可以是线性或旋转性的。
涂覆流体粘度也不是特别受限的。介于约200厘泊至约325厘泊(cP)之间的粘度范围内的粘合剂可以被成功地涂覆。据信，根据本发明，可以涂覆具有大得多(可能大几个数量级)的粘度的涂覆流体。为了努力找到粘度的下限，涂覆了纯丙酮(粘度为大约0.3cP)。在类似于图3所示系统的双涂层系统中，涂覆下基底的过程类似于针对200至325cP粘度范围的所述过程。涂覆上基底则较具挑战性。在这样由下而上的取向(相对于重力)上施加如此低粘度的涂层是较困难的。毛细管需要被调整成更精确地用于切向接触，并且，使所有柔性毛细管与移动基底直接接触所必需的所述管的挠曲对于低粘性流体来说较为困难，从而导致了一些产品刮擦。然而，获得了连续涂层，并且看起来低粘度涂覆流体的效应仅仅是使得精确的公差更为重要。如果使用两个或更多个毛细管歧管，则其可由相同或不同的连续泵送装置供料。如果需要，则可用相同或不同的涂覆流体来为所述毛细管歧管供料。
参照图3，用于使用本发明的设备进行连续涂覆的过程进行如下。本领域的普通技术人员应当了解，将出于使用本发明的实施例的目的而适当地调整该工序说明，其与图3所示的实施例在某些细节上有所不同。
所述工序首先是通过平移滑道350或者其它位移装置的移动而使毛细管170撤回并移开。然后，涂覆工位被“穿过”–移动基底310开始穿过所述设备。随着移动基底310穿过并已经在运动中，平移滑道350在图3上自左至右移动，直到毛细管170的排放端180与移动基底310(近切向)直接接触为止。然后开动连续泵送装置(未示出)并将其调整至适合于期望涂覆重量的预定速度。操作员观察是否每个毛细管170均形成接触，并将涂覆流体的稳定料流递送到移动基底310。如果存在任何未合意地执行之处，便使用平移滑道350或者也可以已经被安装到所述设备中的细调位移装置(未示出)进行微量调整。操作员还在移动基底310上在正施加涂层的位点之外的位点处检查刮痕。许多技术都是可以的。一个此类技术是观察正交偏光器之间的膜，其中一个偏光器置于膜上方而一个偏光器置于膜下方。如果存在任何刮痕(并且假设所有毛细管170已被适当地制造而在其排放端180处不具有任何尖锐或粗糙边缘)，则再次进行精细调整，以 便使所有直接接触尽可能地接近切向。可以在生产线上或生产线下分析层合产物340的涂覆重量，并且可以对连续泵送装置进行调整以调整涂覆重量。
本发明的设备和工艺对涉及多种铺展技术的几种类型的涂覆应用具有广泛的应用。一个此类涂覆应用是压料辊双层层合，如图3示意性地示出。还可能存在在膜生产线上的预拉幅涂覆中的应用(在膜生产线上，在膜的制造期间的尚未在横向方向上拉伸所述膜的时间点处，在生产线上涂覆所述膜)。其它应用将包括具有表面特性的膜，所述表面特性使得其难以通过其它技术来涂覆。膜可以是从辊提供的，或者直接从膜生产线提供，以便与本发明的设备一起连续操作。
在所要涂覆的输入膜含有幅材接头时，本发明的设备和使用方法应当能够改善涂覆生产线的连续操作，因为并不如在滚动料堆涂覆工艺中一样使用压料辊压力来计量涂覆重量(涂覆厚度)。
实例
本发明将用以下的示例性实例进一步阐述。
类似于图3所示设备的涂覆设备配有两个系列的安装成歧管的四十七(47)16级(gauge)不锈钢毛细管。所述涂覆设备的两侧分别能够旋转并相对于相应压料辊以切向角滑动到精确的完全停止位置上。所述涂覆设备的两侧分别由VIKINGTMCMD E02齿轮泵(得自爱荷华州锡达福尔斯市(Cedar Falls,IA)的艺达思集团(IDEX Corp.)的威肯泵)供料，并且齿轮泵与歧管之间的连接是1/2英寸的聚合物管道。所述精确的完全停止被构造成使得如果毛细管排放端与移动基底的接触会导致刮痕，则直接接触角可以被调整到较接近于切向。与图3的一个不同之处在于，将第三膜馈送到压料辊层压机中，使得所述第三膜被夹在两个被粘合剂涂覆的膜之间。接纳所述层合粘合剂的涂层的两个外部膜是连续PET膜，膜宽度为670毫米。中心膜是多层光学膜(VIKUITITM反射式偏光增亮薄膜，3M公司，明尼苏达州圣保罗市(St.Paul,MN))，膜宽度为648毫米。涂覆流体是粘度为约325cP的丙烯酸酯共聚物光学粘合剂。将0.5密耳(12.7微米)厚的连续粘合剂涂层涂覆到每个PET移动基底上。检视所述成品。输入膜的厚度加上涂覆厚度导致成品的总平均厚度为340微米。变动仅为1.42微米， 且标准偏差仅为1.19微米，两个结果均比使用现有的涂覆技术在相同的产品构成上获得的结果要好得多。
尽管对本发明结合其优选实施例并参照附图进行了全面描述，应注意各种变化和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这种变化和修改应理解为包含于由所附权利要求书所定义的本发明的范围内，除非它们脱离本发明的范围。

Claims (8)

1.一种用于在至少一个移动基底上进行连续涂覆的涂覆设备，包括：具有排放端的至少一个毛细管；与所述至少一个毛细管连通的至少一个毛细管歧管；为所述至少一个毛细管歧管提供流体的至少一个连续泵送装置；以及至少一个位移装置，其中所述涂覆设备适于将所述至少一个毛细管的所述排放端定位并随后保持成与移动基底的位于辊上的部分在切向接触的5°以内，以便将流体沉积到所述移动基底上。
2.根据权利要求1所述的涂覆设备，其包括至少两个毛细管歧管，其中所述至少两个毛细管歧管被构造成使得能够将具有相同或不同组成的至少两种单独流体沉积在一个移动基底上。
3.根据权利要求1所述的涂覆设备，其包括至少两个毛细管歧管，其中所述至少两个毛细管歧管被构造成使得能够将具有相同或不同组成的至少两种单独流体沉积在至少两个移动基底上。
4.根据权利要求1所述的涂覆设备，其中，所述毛细管中的流体压力足够低，使得当所述毛细管的所述排放端不与所述基底直接接触时，不自其排放任何流体。
5.一种用于在至少一个移动基底上进行连续涂覆的方法，包括以下步骤：
在辊上提供至少一个移动基底，
将涂覆设备定位成接近所述至少一个移动基底，所述涂覆设备包括：具有排放端的至少一个毛细管；与所述至少一个毛细管连通的至少一个毛细管歧管；为所述至少一个毛细管歧管供料的至少一个连续泵送装置；以及至少一个位移装置，
启动所述至少一个位移装置，以使所述至少一个毛细管在其排放端处与位于辊上的所述至少一个移动基底直接接触，
操作所述至少一个连续泵送装置，以便将要涂覆的流体递送到所述至少一个毛细管歧管，以及
在将所述要涂覆的流体沉积到所述至少一个移动基底的位于辊上的部分上的整个持续期间，将所述至少一个毛细管的排放端保持成与所述至少一个移动基底在切向接触的5°以内。
6.根据权利要求5所述的方法，其中有至少两个毛细管歧管、至少两个移动基底、至少两个位移装置，在每个毛细管歧管中容纳至少一个毛细管，并且其中通过所述至少两个位移装置中的第一位移装置使容纳在所述至少两个毛细管歧管中的第一毛细管歧管中的所述至少一个毛细管移动，以使所述至少一个毛细管在其排放端处与所述至少两个移动基底中的第一移动基底直接接触，并且通过所述至少两个位移装置中的第二位移装置使容纳在所述至少两个毛细管歧管中的第二毛细管歧管中的所述至少一个毛细管移动，以使所述至少一个毛细管在其排放端处与所述至少两个移动基底中的第二移动基底直接接触。
7.根据权利要求6所述的方法，其中启动所述至少一个位移装置，以使所述至少一个毛细管的所述排放端相对于所述涂覆设备上的某个参考点在线性平移方向上移动，或者相对于所述至少一个毛细管歧管在旋转方向上移动，或者同时地或顺序地进行这两种移动。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述毛细管中的流体压力足够低，使得当所述毛细管的所述排放端不与所述基底直接接触时，不自其排放任何流体。
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