CN107743423B - 使用可变形金属辊进行液体涂覆的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于施加液体涂料的方法和装置。提供第一辊(14)、第二辊(16)以及在所述第一辊与所述第二辊之间形成的辊隙(146)。向所述辊隙供应涂料液体(22)。所述涂料液体经由所述辊隙被平滑为基本上均匀的液体涂料的层(22a)，所述液体涂料的层被转移至基材(12)。所述第二辊(16)包括薄金属壳(40)和弹性层(30)，所述薄金属壳将所述弹性层包裹在其下方，并且所述薄金属壳能够与所述弹性层一致地弯曲，使得所述薄金属壳能够在与所述第一辊(14)接触时在所述辊隙处弹性变形。

Description

使用可变形金属辊进行液体涂覆的方法和设备
技术领域
本公开涉及通过使用包括薄金属壳的可变形辊向基材施加液体涂料的方法和设备。
背景技术
多种工业和消费产品在其制造过程中包括涂覆的方面，其中一层或多层液体材料被沉积到离散的对象上或沉积到通过幅材路径传输的无限长度的薄幅材材料上。很多情况下希望以可能实现的尽可能快的速度经过幅材路径传输此类幅材以使生产成本最小化。
发明内容
简而言之，在一个方面，本公开描述了一种方法，该方法包括提供第一辊、第二辊以及在第一辊与第二辊之间形成的辊隙，向辊隙供应涂料液体，以及经由辊隙将涂料液体平滑为基本上均匀的液体涂料的层。第一辊包括薄金属壳和弹性层，薄金属壳将弹性层包裹在其下方，并且薄金属壳能够与弹性层一致地弯曲，使得薄金属壳能够在与第二辊接触时在辊隙处弹性变形。液体涂料的层被转移至基材。在一些实施方案中，液体涂料被施加到无限长度材料的幅材。
在另一方面，本公开描述了包括第一辊的涂覆设备，第一辊包括薄金属壳和弹性层。薄金属壳将弹性层包裹在其下方，并且薄金属壳能够与弹性层一致地弯曲。第二辊和第一辊形成辊隙，使得薄金属壳能够在与第二辊接触时在辊隙处弹性变形。液体传递系统被设置用于将涂料液体供应到辊隙中。
在本公开的示例性实施方案中获得了各种意料不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是，能够将非常薄(例如不大于5微米，或甚至不大于2.5微米)的连续液体涂料转移到基材，并且具有可控的缺陷水平诸如下文所述的起纹缺陷。
在用于液体涂料的传统辊涂工艺中，例如当涂料液体具有0.1mPa·S或更大的粘度时，通常观察到起纹缺陷。这些缺陷可能在涂料液体经过辊之间的辊隙时发生，并且在膜分离处的粘性应力克服表面张力，尝试在膜分离处保持均匀的界面曲率。表面张力的粘性平衡可由通过公式Ca＝μU/σ定义的无量纲毛细管数来描述，其中Ca是毛细管数，μ是液体粘度，U是第一辊和第二辊的平均速度，σ是液体表面张力。在液体流出辊隙时，起纹缺陷可导致高度不均匀的涂层。虽然如果棱纹或起纹缺陷在旋转辊的线速度较低时能够调平，这可能是可容忍的涂覆缺陷，但它可限制线速度，降低涂覆效率，并且增加生产成本。另外，随着线速度增大，它可导致雾化，例如在棱纹经过辊隙时以雾形式的小滴喷出，这可能是工厂环境的健康和安全问题。
在本文所述的一些实施方案中，可通过在具有下方弹性层的可变形辊的外部上放置薄金属壳来影响、改变或调节液体涂料中的上述起纹缺陷。可明显改变在辊隙处的辊表面的变形机理，致使辊隙中形成的压力发生变化，因此致使起纹不稳定性的特性发生变化。在一些实施方案中，对于给定的高于毛细管数临界值的线速度，例如约0.1无量纲单位或更大，提供可明显减少存在于液体辊涂辊隙中棱纹数的液体涂覆方法，例如向前辊涂辊隙。
另外，在一些实施方案中，薄的液体层到基材上的辊涂可能需要在辊隙中使用至少一个可变形辊，以在足够低的流速下提供改善的均匀度，从而实现目标厚度，这在刚性系统中应当需要不断完善的钢辊。该可变形性通常通过橡胶辊实现，在操作期间不存在薄金属壳时，这些橡胶辊容易损坏和磨损。此类损坏和磨损可不利地影响涂层质量。损坏或磨损可来自与基材接头和边缘一样良性的来源，尤其是在高速下操作时如此。通过用薄金属壳覆盖弹性层，辊的耐用性得到显著改善，且不影响使辊变形和实现薄涂层的能力。
示例性实施方案列表
以下列出示例性实施方案。应当理解，实施方案1至15和16至24中任一项可以组合。
实施方案1是一种方法，所述方法包括：
提供第一辊、第二辊以及在第一辊与第二辊之间形成的辊隙；
向辊隙供应涂料液体；以及
经由辊隙将涂料液体平滑为基本上均匀的液体涂料的层，
其中第一辊包括薄金属壳和弹性层，薄金属壳将弹性层包裹在其下方，并且薄金属壳能够与弹性层一致地弯曲，使得薄金属壳能够在与第二辊接触时在辊隙处弹性变形，并且
其中液体涂料的层被转移至基材。
实施方案2是根据实施方案1所述的方法，其中液体涂料的层的厚度为不大于约5微米。
实施方案3是根据实施方案1或2所述的方法，其中薄金属壳被构造成可从第一辊移除。
实施方案4是根据实施方案1至3中任一项所述的方法，其中第一辊还包括刚性中心芯，并且弹性层围绕刚性中心芯的周边具有基本上均匀的厚度。
实施方案5是根据实施方案1至4中任一项所述的方法，其中基材是无限长度的幅材，并且该方法还包括围绕第一辊和第二辊中的一者缠绕幅材。
实施方案6是根据实施方案1至5中任一项所述的方法，所述方法还包括确定第一辊和第二辊中的一者旋转的线速度，涂料液体的预定线速度和粘度为使得涂料的计算的毛细管数Ca大于临界值。
实施方案7是根据实施方案6所述的方法，所述方法还包括以预定线速度旋转第一辊和第二辊中的一者。
实施方案8是根据实施方案6或7所述的方法，其中毛细管数Ca的临界值为在约0.1至约2的范围内，并且毛细管数Ca不大于500。
实施方案9是根据实施方案1至8中任一项所述的方法，其中薄金属壳包含镍。
实施方案10是根据实施方案1至9中任一项所述的方法，其中薄金属壳的厚度介于约0.1mm和约1mm之间。
实施方案11是根据实施方案1至10中任一项所述的方法，其中薄金属壳具有约10微米或更小的表面粗糙度。
实施方案12是根据实施方案1至11中任一项所述的方法，其中弹性层是可压缩的并且能够防止薄金属壳与弹性层之间的滑动。
实施方案13是根据实施方案1至12中任一项所述的方法，其中弹性层由泡沫制成。
实施方案14是根据实施方案1至13中任一项所述的方法，其中弹性层包括图案化弹性体。
实施方案15是根据实施方案1至14中任一项所述的方法，其中液体涂料的厚度为不小于约0.5微米。
实施方案16是一种涂覆设备，所述涂覆设备包括：
第一辊，第一辊包括薄金属壳和弹性层，薄金属壳将弹性层包裹在其下方，并且薄金属壳能够与弹性层一致地弯曲；
第二辊，第二辊与第一辊形成辊隙，使得薄金属壳能够通过与第二辊接触而在辊隙处弹性变形；以及
液体传递系统，液体传递系统被设置用于将涂料液体供应到辊隙中。
实施方案17是根据实施方案16所述的涂覆设备，其中薄金属壳被构造成可从弹性材料层移除。
实施方案18是根据实施方案16或17所述的涂覆设备，其中第一辊还包括刚性中心芯，并且弹性层围绕刚性中心芯的周边具有基本上均匀的厚度。
实施方案19是根据实施方案16至18中任一项所述的涂覆设备，其中薄金属壳包含镍。
实施方案20是根据实施方案16至19中任一项所述的涂覆设备，其中薄金属壳的厚度介于约0.1mm和约1mm之间。
实施方案21是根据实施方案16至20中任一项所述的涂覆设备，其中薄金属壳的厚度与第一辊的直径的比率介于1:15000和1:80之间。
实施方案22是根据实施方案16至21中任一项所述的涂覆设备，其中第二辊是刚性辊。
实施方案23是根据实施方案16至22中任一项所述的涂覆设备，所述涂覆设备还包括旋转机构，旋转机构被构造成以预定线速度旋转第一辊和第二辊中的一者，其中涂料的预定线速度和粘度为使得涂料的计算的毛细管数Ca大于临界值，并且临界值为约0.1或更大。
实施方案24是根据实施方案16至23中任一项所述的涂覆设备，其中弹性层由泡沫制成。
已经对本公开的示例性实施方案的各个方面和优点进行了汇总。上文的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明使用本文所公开原理的某些优选实施方案。
附图说明
结合附图，参考以下对本公开的各种实施方案的详细说明，可更全面地理解本公开，其中：
图1是执行本公开的第一实施方案的一部分的涂覆设备的透视图；
图2是沿剖面线2-2截取的穿过图1的辊中的一个的横截面侧视图；
图3是实施例1中所述实验的照片；
图4是比较例C1中所述实验的照片；
图5是实施例2中所述实验的照片；
图6是比较例C2中所述实验的照片；
图7是实施例3中所述实验的照片；并且
图8是比较例C3中所述实验的照片。
在这些附图中，类似的附图标号表示类似的元件。虽然可不按比例绘制的以上附图阐述了本公开的各种实施方案，但还设想如在具体实施方式中所指出的其它实施方案。在所有情况下，本公开都通过示例性实施方案的表示而非通过表述限制来描述当前公开的公开内容。应当理解，本领域的技术人员可设计出许多其它修改形式和实施方案，这些修改形式和实施方案落入本公开的范围和实质内。
具体实施方式
对于以下定义术语的术语表，除非在权利要求书或说明书中的别处提供不同的定义，否则整个申请应以这些定义为准。
术语表
在整个说明书和权利要求书中所使用的某些术语虽然大部分为人们所熟知，但可仍然需要作出一些解释。应当理解：
在本专利申请中，术语“弹性变形”意指能够基本上100％(例如，99％或更多、99.5％或更多、或99.9％或更多)恢复至其初始状态的变形对象(例如，薄金属壳)。
在本专利申请中，术语“辊隙”是指两个或更多个辊的系统，其中(i)当第一辊的中心与第二辊的中心之间的距离大于或等于两个辊的半径之和时，相邻的第一辊与第二辊之间具有间隙，或者(ii)当第一辊的中心与第二辊的中心之间的距离小于两个辊的半径之和时，相邻的第一辊与第二辊之间具有压痕。
在该专利申请中，术语“聚合物”包括均聚物和共聚物，以及可例如通过共挤出或通过反应(包括例如，酯交换反应)以相溶共混物形式形成的均聚物或共聚物。术语“共聚物”包括无规共聚物、嵌段共聚物和星形(如树枝状的)共聚物。
在本专利申请中，通过对本发明所公开的涂覆制品中的各个元件的位置使用诸如“在...的顶上”、“在...上”、“上方”、“覆盖”、“最上方”、“下面”等取向术语，相对于水平设置的、面向上方的基材(例如，幅材)说明了元件的相对位置。然而，除非另外指明，否则这并非旨在基材(例如，幅材)或制品在制造期间或制造之后应当具有任何特定的空间取向。
在本专利申请中，通过使用术语“包覆”来描述层相对于本公开制品的基材(例如，幅材)或其它元件的位置，是指层在基材(例如，幅材)或其它元件的顶上，但未必与基材(例如，幅材)或其它元件邻接。
在本专利申请中，提及数值或形状的术语“约”或“大约”意指该数值或特性或特征的±5％，但明确包括准确的数值。例如，“约”1Pa-sec的粘度是指粘度为0.95Pa-sec至1.05Pa-sec，但也明确包括精确的1Pa-sec粘度。类似地，“基本上正方形”的周边旨在描述具有四条侧边缘的几何形状，其中每条侧边缘的长度为任何其它侧边缘长度的95％至105％，但也包括其中每条侧边缘刚好具有相同长度的几何形状。
在本专利申请中，提及特性或特征的术语“基本上”意指该特性或特征表现出的程度大于该特性或特征的相反面表现出的程度。例如，“基本上”透明的基材(例如，幅材)是指与其未能透射(例如，吸收和反射)相比透射更多辐射(例如，可见光)的基材(例如，幅材)。因此，透射入射在其表面上的可见光多于50％的基材(例如，幅材)是基本上透明的，但透射入射在其表面上的可见光的50％或更少的基材(例如，幅材)不是基本上透明的。
在本专利申请中，除非所述内容明确地另有规定，否则单数形式的“一个”和“该”包括多个指代物的情况。因此，例如，提及的包含“一种化合物”的细旦纤维包括两种或更多种化合物的混合物。如本说明书和所附实施方案中所用，除非内容清楚指示其它含义，否则术语“或”的含义一般来讲包括“和/或”的含义。
如本专利申请中所用，由端值表述的数值范围包括该范围内涵盖的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.8、4和5)。
除非另外指明，否则说明书和实施方案中所用的表达数量或成分、性质量度等的所有数值在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则说明书和更具体地示例性实施方案列表中阐述的数值参数可根据本领域技术人员使用本公开的教导内容寻求获得的期望性质而变化。在最低程度上并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，至少应根据所报告的有效数位的数值并通过应用惯常的舍入技术来解释每个数值参数。
在不脱离本公开实质和范围的前提下，可对本公开的示例性实施方案进行各种修改和更改。因此，应当理解，本公开的实施方案并不限于以下所述的示例性实施方案，但应受权利要求书及其任何等同物中所述限制的控制。
本文描述了用于在基材上涂覆液体的方法和装置。在液体涂覆过程中，供应涂料液体以经过辊隙，其中涂料液体发生膜分离，从而在辊隙的两个辊上得到一些涂料液体。在本公开的示例性实施方案中获得了各种意料不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是，能够将非常薄(例如，干燥或固化前不大于5微米，或甚至不大于2.5微米)的连续液体涂料转移到基材，并且具有可控的缺陷水平。
现在将具体参照附图对本公开的各种示例性实施方案进行描述。现在参见图1，示出了适用于执行本公开的一个实施方案的一部分的涂覆设备10的透视图。在该视图中，无限长度材料的幅材12以纵向“D”传输到第一辊14与第二辊16之间的辊隙146中。辊隙146可例如(i)当第一辊的中心与第二辊的中心之间的距离大于或等于两个辊的未变形半径之和，为相邻的第一辊14与第二辊16之间的间隙，或者(ii)当第一辊的中心与第二辊的中心之间的距离小于两个辊的半径之和时，为相邻的第一辊14与第二辊16之间的压痕。关于辊隙和压痕的值或量值，上述距离与总和之间的绝对差值可为例如约0微米、约25微米、约100微米、约500微米、约1mm、约10mm或两者间的任何值。第一辊14和第二辊16中的每个分别可旋转地安装在轴14a和16a上。轴14a和16a可单独地为动轴或静轴，并且继而由为了视觉上清晰而从附图中省略的结构支撑。涂覆模具20被定位成将涂料液体22分配到幅材12上。应当理解，可使用任何合适的液体传递系统或装置来供应涂料液体，范围从诸如盘或槽的简单系统到诸如模具涂布机的复杂流体传递系统。第一辊14与第二辊16之间的辊隙146将供应的涂料液体分流成膜的形式到辊14和16上，并且将涂料液体平滑为幅材12上基本上均匀的薄的液体层22a，该液体层在图1中通过指代幅材12的远端的虚线示出。通过虚线箭头“V”指示的是用于拍摄第一辊14与第二辊16之间的辊隙146的下游端的照片的观看方向。在一些实施方案中，可便利地提供旋转机构以使第一辊14和第二辊16以基本上相同或不同的表面旋转速度抵靠彼此旋转。辊14和16可均为独立驱动的辊，或可将它们中的一个布置成经由例如接触摩擦、驱动皮带或直接传动装置驱动另一个。
在所示出的实施方案中，液体层22a直接涂覆到幅材12上。应当理解，液体层22a可直接或间接施加到任何合适的基材以在其上形成连续的湿润涂层。在一些实施方案中，可使用另外的辊例如3或5辊涂将液体层22a转移至基材以在其上形成连续的液体涂料。在本公开中，术语“基材”用于描述一种或多种固体材料，在该固体材料上布置涂料液体并随后传输经过剩余过程(例如，任何干燥/固化、转换、存放、缠绕、操作等)。基材可为刚性或柔性的，并且可为有限或无限长度。合适的基材材料可包括例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酯(PE)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)、聚烯烃、聚乙烯、醋酸盐、纸材或其它纤维材料(例如，包括吹塑微纤维或织造纤维)、泡沫、玻璃、金属(例如，铝或不锈钢)或上述材料的任何组合，例如涂覆聚酯的纸材。应当理解，基材可具有任何合适的尺寸。例如，基材可为薄的(例如，小于10微米)或厚的(例如，大于10mm)、窄的(例如，小于1cm)或宽的(例如，大于300cm)、短的(例如，小于1m)或长的(例如，数千米)。
在一些实施方案中，液体层22a的厚度可为例如不大于约100微米、不大于约20微米、不大于约5微米、不大于约4微米、不大于约3微米、不大于约2微米或不大于约1微米。液体层22a的厚度可为例如不小于约0.1微米、不小于约0.2微米、不小于约0.3微米、不小于约0.5微米或不小于约1微米。液体层22a的厚度可为在例如约0.1微米至约500微米、约0.2微米至约100微米、约0.5微米至约50微米、约0.5微米至约10微米或更为优选地约0.5微米至约5微米的范围内。
在一些实施方案中，涂覆在基材上的液体层22a可在随后的过程中干燥或固化。例如，在一些实施方案中，可通过热或辐射来固化液体层22a，固化层的厚度可与固化前的初始液体层基本上相同。在一些实施方案中，可通过从中蒸发溶剂来干燥液体层22a，干燥的层可比初始液体层更薄(例如，薄10％、薄20％、薄30％、薄40％或薄50％)。
现在参见图2，示出了沿着图1的剖面线2-2截取的穿过第二辊16的横截面侧视图。刚性轴16a(在该便利的实施方案中为活轴)由弹性层30围绕。围绕弹性层30的是薄金属壳40。弹性层30便利地具有屈服到特定程度的硬度，但不允许薄金属壳40变形超出由辊隙146中的压力限制的弹性。为达到这一标准，弹性层30可便利地包含弹性材料，诸如具有合适范围内硬度的橡胶，例如不小于20、40、60、80或100肖氏硬度A，并且不大于100、80、60、40或20肖氏硬度D。在一些实施方案中，弹性层30可为可压缩的并且能够防止薄金属壳40与弹性层30之间的滑动。在一些实施方案中，可压缩的弹性层30可由泡沫制成。在一些实施方案中，可压缩的弹性层30可包括允许弹性层30可被有效压缩的图案化弹性体。图案化弹性体可具有位于弹性层30的与薄金属壳40接触的外表面32上的图案化结构(例如，雕刻的表面结构)。图案化结构可通过用任何合适的技术(包括例如，雕刻、消融、模塑等)施加到橡胶的表面上来形成。
第二辊16通过将薄金属壳40物理安装到弹性层30的顶部上来便利地制备，该弹性层可为例如橡胶芯。与第二辊16的直径相比，金属壳40要“薄”得多。在一些实施方案中，金属壳40的厚度对第二辊16的直径的比率可为例如不大于1:20、不大于1:50、不大于1:80、不大于1:100、不大于1:200或不大于1:500。该比率可为例如不小于1:20000、不小于1:15000、不小于1:5000或不小于1:2000。该比率的可用范围可为例如从约1:2000至约1:200。在一些实施方案中，薄金属壳40的厚度可为例如不大于1.5mm、不大于1mm、不大于0.7mm、不大于0.6mm或不大于0.5mm。薄金属壳40的厚度可为例如不小于0.05mm、不小于0.08mm、不小于0.1mm或不小于0.12mm。金属壳厚度的可用范围可为例如介于约0.1mm和约0.6mm之间。第二辊16的直径可为例如不大于2000mm、不大于1000mm、不大于500mm或不大于300mm。第二辊16的直径可为例如不小于10mm、不小于20mm、不小于50mm或不小于100mm。直径的可用范围可为例如介于约100mm至约250mm之间。
薄金属壳40在其外表面42处可具有约10微米或更小、约5微米或更小、约2微米或更小或约1微米或更小的粗糙度。薄金属壳40可由具有相对低弹性模量和高屈服应变的金属或金属合金制成，该金属或金属合金包括例如镍、不锈钢、铜、铬、合金以及它们的组合等。在一些实施方案中，薄金属壳可包括多个金属层，例如由铬层覆盖的铜层。薄金属壳40为柔性并且能够与其下的弹性层30一致地弯曲，使得薄金属壳40能够通过与另一辊接触而在辊隙处弹性变形。
更具体地讲，在一些实施方案中，有利的是以在配合部件之间产生过盈配合的方式将薄金属壳40安装到弹性层30上，例如通过将薄金属壳40锁定到合适位置以防止在薄金属壳40抵靠第一辊14被夹住时移动。在一些实施方案中，可通过以下方式在薄金属壳与弹性层之间引入过盈配合，例如，使配合部件成形，使得一个或另一个或两者可略微在尺寸上偏离标称尺寸。例如，可略微加大弹性层30的尺寸，并且可略微减小薄金属壳40的尺寸。将弹性层30按压到薄金属壳40中时，弹性层30可略微弹性变形以与薄金属壳40形成过盈配合。在一些实施方案中，可控制配合部件(即弹性层30和薄金属壳40)的温度以利用相应材料(例如，金属和橡胶)的不同热特性(例如，热膨胀或收缩)。在一些实施方案中，配合部件中的一个、另一个或两者的接触表面可为纹理化的以改善过盈配合。
在一些实施方案中，由于大多数弹性体橡胶涂层几乎不可压缩的性质，在弹性层与薄金属壳之间使用过盈配合可造成挑战。这种几乎不可压缩的性质意味着从一个位置移位的橡胶的任何质量必须迁移到另一个位置，因此，在弹性层与薄金属壳之间的配合环境将导致弹性层上方的薄金属壳滑动。通过使用诸如泡沫的可压缩弹性层，或者通过在更为典型的弹性体橡胶中布置凹槽，以对移位的橡胶提供移动位置，并且形成有效可压缩的弹性层，可以克服这种挑战。
在一些实施方案中，采用过盈配合经由任何合适的装配过程，可将薄金属壳40可移除地安装到弹性层30上。例如，可控制薄金属壳40和弹性层30的组件的温度，以调节配合部件的尺寸，以允许薄金属壳40滑离弹性层30而不损坏配合部件。
在许多实施方案中，可应用本文所述的方法和装置在基材上形成薄的液体涂料。在液体涂覆工艺中，将液体施加到移动的基材上的一般方法是通过一类被称为辊涂的涂覆技术。这类技术包括多种方法，诸如直接辊涂、反向辊涂、向前或反向偏移辊涂、五辊涂覆以及许多其它变体。尽管在所有这些方法之间存在区别，但共同点是相邻的第一辊与第二辊之间形成一个或多个辊隙，以及任选地缠绕在第一辊或第二辊周围的幅材。使用液体传递系统向辊隙供应涂料液体，此后涂料液体经过辊隙并进行膜分离，从而在第一辊和第二辊两者上均得到一些涂料液体。对各种类型的辊涂及其基本物理机制的更深入的讨论可见于文献，诸如Coyle的博士论文(明尼苏达大学，1984年)、Benjamin的博士论文(明尼苏达大学，1994年)以及Carvalho的博士论文(明尼苏达大学，1996年)。
当液体经过发散的间隙时，起纹缺陷可能以常规橡胶辊涂系统中的基本涂覆缺陷的形式出现，这在液体流出辊隙时导致高度不均匀的涂层。由于这属于粘度效应，因此取决于毛细管数Ca＝μV/σ，其中μ为液体粘度，V为两个旋转辊的平均速度(即线速度)，σ为液体的界面张力。当毛细管数变成大于临界极限时，例如当用于给定涂料(例如，涂料液体)的工艺线速度上升到临界值以上时，可能观察到起纹缺陷。进一步将线速度增大到临界值以上可能增大生成棱纹的频率，最终可导致在棱纹经过辊隙时以雾的形式喷出小滴。这种雾不仅可能影响产品质量，也造成环境、健康和安全问题。因此，上述起纹引起的问题可能在向幅材施加液体涂料时显著限制用于常规橡胶辊涂系统和方法的线速度。
本公开描述了液体辊涂的装置和方法，其中第一辊包括薄金属壳和弹性层，薄金属壳将弹性层包裹在其下方，并且薄金属壳能够与弹性层一致地弯曲，使得薄金属壳能够通过与第二辊接触而在辊隙处弹性变形。应当理解，包括本文所公开的薄金属壳和弹性层的第一辊的构造可同样良好地以上文所列的辊涂变体加以应用，例如直接辊涂、反向辊涂、向前或反向偏移辊涂、五辊涂覆或任何其它辊涂方法。
通过使用包括薄金属壳的可变形辊，诸如例如图1和图2中所示的第二辊16，尤其是当该辊的线速度处于相对较高的速度区域中时，本文所述的方法和装置可影响、改变或调节上述起纹缺陷。在一些实施方案中，将薄金属壳应用于辊涂系统可从根本上改变起纹的特征行为，从而得到与常规橡胶辊涂系统和方法相比均匀得多的液体涂料。
在一些实施方案中，可根据给定涂料液体的特性确定辊的线速度，并且图1的第一辊14和第二辊16可以预定线速度彼此接触地旋转，从而减小来自起纹缺陷的影响。例如，预定线速度和涂料液体的粘度为使得能够将涂料的相应毛细管数Ca控制为大于临界值。在超出临界值时，与常规橡胶辊涂系统和方法相比，使用诸如在一些实施方案中所述的薄金属壳可显著减少起纹缺陷。在一些实施方案中，临界值可为例如不小于0.01、不小于0.02、不小于0.05、不小于0.1或不小于0.2。临界值可为例如不大于100、不大于10、不大于2或不大于1。起纹型缺陷的典型临界毛细管数可接近0.1。在一些实施方案中，毛细管数Ca的临界值可为在例如从约0.1至约2的范围内。应当理解毛细管数的临界值可随特定涂料液体的特性(例如，粘度)以及具体辊涂系统的特性变化。
在一些实施方案中，可将本文所述的方法和装置应用于毛细管数Ca为例如不小于约0.1、不小于约0.5或不小于约2的液体涂料。在一些实施方案中，可将本文所述的方法和装置应用于毛细管数Ca为例如不大于约1000、不大于约500或不大于约200的液体涂料。
在一些实施方案中，由幅材12缠绕的第一辊14和第二辊16中的仅一个需要以预定的第一线速度旋转，而另一个以可与预定的第一线速度无关的第二速度自由旋转。在一些实施方案中，第一辊14和第二辊16甚至可以不同方向旋转。虽然图1示出第一辊14由幅材12缠绕，因此在该示例中是第一辊14以预定线速度旋转，但应当理解在其它实施方案中，第二辊16可由幅材12缠绕。还应当理解在更复杂的辊布置中，诸如三辊或五辊涂覆，可存在一个或更多辊隙，其中仅一个辊由幅材12缠绕。在这些更复杂的系统中，每个辊隙可被作为任选地具有幅材12的第一辊14和第二辊16的组件处理。
在本公开的示例性实施方案中获得了各种意料不到的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类意外结果是，能够将非常薄的连续液体涂料转移至基材，并且具有可控的缺陷水平诸如起纹缺陷。在一些实施方案中，可观察到在较高线速度下起纹缺陷显著减少(例如，少得多的细长棱纹，这将在下文的实施例中更进一步讨论)。在假定薄金属壳的表皮应当在理论上增大可变形辊(例如，图2的第二辊16)的有效硬度的情况下，这是令人惊奇的。增大的有效硬度应当导致起纹的趋势增大，该起纹在学术文献(参见例如MarcioCarvalho的1996年明尼苏达大学博士论文)中是已知的，并且应当预期的起纹缺陷在存在薄金属壳的情况下可能变得更明显。不受理论的束缚，据信观察到的意外结果可能是因为棱纹特性方面的变化，这可能对辊涂中的雾化有实质性的影响。在本公开中，通过使用薄金属壳让棱纹细长度小得多，并且喷出附带小滴的可能性减小许多。
本公开的操作将参照以下详述的实施例进一步描述。提供这些实施例以进一步说明各种具体和优选的实施方案和技术。然而，应当理解，可以在不脱离本公开范围的前提下进行许多变型和修改。
实施例
这些实施例仅是为了进行示意性的说明，并非旨在过度地限制所附权利要求书的范围。尽管阐述本公开的广义范围的数值范围和参数为近似值，但具体实施例中阐述的数值尽可能精确地被记录。然而，任何数值都固有地包含一定的误差，在它们各自的试验测量中存在的标准偏差必然会引起这种误差。在最低程度上并且在不试图将等同原则的应用限制到受权利要求书保护的实施方案的范围内的情况下，至少应根据所报告的有效数位的数值并通过应用惯常的舍入技术来解释每个数值参数。
实施例1
构造大体如图1所示的涂覆设备。为了制备第二辊16，获得宽度为约15至20cm且外径为约10至15cm的橡胶套管，该橡胶套管作为Load’n’Lok从宾夕法尼亚州布拉德福的路明德产品公司(Luminite Products Corporation of Bradford,PA)商购获得。该橡胶套具有表面纹理(例如，沟槽)，其可允许橡胶变形为沟槽，这样橡胶在其外表面附近更具可压缩性。据信该处理可用于确保下文讨论的橡胶套管与金属壳之间的配合在整个接触区域上都是均匀的。
将镍外壳滑动到橡胶套管上以实现两者间的过盈配合，该镍外壳宽度为约12至18cm、内径为约10至15cm、厚度为约0.1至0.5mm。
在该辊与直径90mm的刚性不锈钢支承辊之间产生辊隙。使钢辊与上述套管构造接触，产生约1至5mm的占有面积。跨镍表面的一个边缘将薄的红色标记布置到镍外部的橡胶上，以跟踪围绕橡胶底层的套管从初始位置移位的可能性。然后将涂覆辊以1m/分钟至30m/分钟的速度范围和从0"直至0.020"(0.051cm)的间隙的各种压紧程度一起旋转，同时跟踪红色标记的位置。另外，对两个辊之间的间隙施加偏差，使辊隙的左侧与右侧之间的差值严格地为0.010"(0.0254cm)。在这些情况中的任一个中，镍外壳没有从其初始位置移动，证明这是将镍安装到橡胶表面上的稳健方法。
执行实验以确定装置影响、改变或调节起纹缺陷的能力。在如下所述的涂覆流程中使用了如上所述的该实施例的夹住的辊。夹住的辊以与约13.5m/分钟的幅材速度应当对应的速度旋转。将几毫升粘度为约5,313cP的矿物油分配到钢辊上，最终形成涂层珠并模拟涂覆过程，矿物油可以CAP8L流体从马萨诸塞州米德尔斯堡的布氏工程实验室公司(Brookfield Engineering Laboratories,Inc.,Middleboro,MA)商购获得。对于该涂覆速度和粘度，可计算出大约为40的毛细管数Ca。使用高速相机以每秒500帧(从图1中的有利位置V)拍摄辊隙的图像，高速相机可以FASTCAM ULTIMA APX从加利福尼亚州圣地亚哥的活图隆公司(Photron,San Diego,CA)商购获得。图3中示出了该拍摄的代表性帧。将观察到起纹程度为最小程度。
比较例C1
该比较例与实施例1相同，不同的是没有向橡胶辊应用镍外壳。图4中示出了来自相机的代表性帧。将看到与实施例1相比，起纹略微更加明显。
实施例2
该实施例与实施例1一样，不同的是辊隙的旋转速度增大，以代表15m/分钟的线速度。因此该过程可计算出大约为45的毛细管数Ca。图5中示出了来自相机的代表性帧。
比较例C2
该比较例与实施例2相同，不同的是没有向橡胶辊应用镍外壳。图6中示出了来自相机的代表性帧。将看到与图5所示的实施例2的结果相比，起纹明显得多，例如显示为白线的棱纹沿着图6的纵向方向更加细长。
实施例3
该实施例与实施例1一样，不同的是辊隙的旋转速度增大，以代表30m/分钟的线速度。因此该过程可计算出大约90的Ca。图7中示出了来自相机的代表性帧。
比较例C3
该比较例与实施例3相同，不同的是没有向橡胶辊应用镍外壳。图8中示出了来自相机的代表性帧。将看到与实施例3相比，起纹明显得多，例如显示为白线的棱纹沿着图7的纵向方向细长得多。
参见图3至图8中所示的所有实施例的结果，发现在相对较慢的速度下(例如图3和图4中的在13.5m/分钟的速度下)，起纹不稳定性本身看起来呈现与实施例1至图3以及相应的比较例C1至C3大致相同程度，并且棱纹特性方面的差异微小。然而，随着系统的速度(或毛细管数)增大，存在于比较例C1至C3的橡胶辊上的棱纹变得较长，并且平移而远超出辊隙，而实施例1至3的覆盖镍的橡胶辊上的棱纹没有随线速度而发生实质上的变化。在该特定示例中上述系统的毛细管数Ca达到大约40以上时似乎会发生该趋异。因此根据实施例1至3的涂覆设备在包括用于第一辊和第二辊以预定线速度彼此接触地旋转的装置时尤其有效，其中预定线速度和涂料的粘度为使得涂料的计算的Ca大于实施例1至3的约40的临界值。
虽然针对实施例1至3所示的结果可能无法完全消除棱纹，但使用薄金属壳能够从根本上改变起纹缺陷的特征行为，得到相对于传统橡胶辊涂系统的均匀得多的涂层，尤其是在线速度增大到超出临界值时(例如与毛细管数40对应的13.5m/分钟)如此。
实施例4
在该实施例中，通过将可变形辊(具有表1中所述的特性)与幅材线上的刚性钢辊连接来形成涂覆设备。在该实施例中使用的构造与实施例1至3和比较例C1至C3中使用的构造类似。围绕钢辊缠绕基材(DuPont St-505膜)并以2.7m/分钟的速度传输通过幅材线。在该实施例中可变形辊也以2.7m/分钟的速度旋转。使用注射器将涂料液体(MacDermidPrint and Peel(麦德美公司的Print and Peel保护漆)，25重量％固体)施加于辊隙的上游端，此后液体经过辊隙并经历膜分离，从而部分地转移到基材上。涂料液体和基材随后被传输经过烘箱，使得涂层被干燥。使用4"×6"的冲切模测量干燥的涂层厚度，根据该干燥测量值和已知的固体含量计算湿涂层厚度。对下表1中所列辊中的每个以各种压紧程度重复该过程，该表中汇总了最小湿涂层厚度。表2中示出了这些实验的详细结果。
表1
辊编号 橡胶硬度 金属壳 实现的最小湿润涂层厚度
1 60肖氏硬度A N/A 14.1μm
2 90肖氏硬度A N/A 5.3μm
3 60肖氏硬度A 500μm 2.3μm
4 90肖氏硬度A 500μm 0.5μm
表2
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整个本说明书中提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性的”都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的各处出现的表述如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，具体特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式进行组合。
虽然本说明书已经详细地描述了某些示例性实施方案，但是应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可以很容易地想到这些实施方案的修改形式、变型形式和等同形式。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上阐述的例示性实施方案。具体而言，如本文所用，数值范围以端值表述旨在包括纳入该范围内的所有数(如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被认为是由术语“约”修饰。
此外，本文引用的所有出版物和专利均以引用的方式全文并入本文中，如同各个单独的出版物或专利都特别地和单独地指出以引用方式并入一般。已对各个示例性实施方案进行了描述。这些以及其它实施方案都在以下权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种涂覆方法，所述方法包括：
提供第一辊、第二辊以及在所述第一辊与所述第二辊之间形成的辊隙；
向所述辊隙供应涂料液体和基材，其中所述基材缠绕所述第一辊和第二辊中的一者，所述涂料液体经过所述辊隙并在所述基材与所述第一辊和第二辊中的另一者之间进行膜分离，导致了在基材上以及在所述第一辊和第二辊中的另一者上的分离涂料液体；以及
经由在所述辊隙处的所述涂料液体的所述膜分离，将所述涂料液体平滑为在所述基材上的均匀的涂料液体的层，
其中所述第一辊包括薄金属壳和弹性层，所述薄金属壳将所述弹性层包裹在其下方，并且
其中所述薄金属壳能够弹性变形，并且在与所述第二辊接触时以与所述弹性层一致地弯曲。
2.根据权利要求1所述的涂覆方法，其中所述基材上所述涂料液体的层的厚度为不大于5微米。
3.根据权利要求1或2所述的涂覆方法，其中所述薄金属壳被构造成能够从所述第一辊移除。
4.根据权利要求1所述的涂覆方法，其中所述第一辊还包括刚性中心芯，并且所述弹性层围绕所述刚性中心芯的周边具有均匀的厚度。
5.根据权利要求1所述的涂覆方法，其中所述基材是幅材，并且所述方法还包括围绕所述第一辊和所述第二辊中的一者缠绕所述幅材。
6.根据权利要求1所述的涂覆方法，所述方法还包括确定所述第一辊和所述第二辊中的一者旋转的线速度，所述涂料液体的预定线速度和粘度使得所述涂料液体的计算的毛细管数Ca大于临界值。
7.根据权利要求6所述的涂覆方法，其中所述毛细管数Ca的所述临界值在0.1至2的范围内，并且所述毛细管数Ca不大于500。
8.根据权利要求1所述的涂覆方法，其中所述薄金属壳包含镍。
9.根据权利要求1所述的涂覆方法，其中所述薄金属壳的厚度介于0.1mm和1mm之间。
10.根据权利要求1所述的涂覆方法，其中所述弹性层是可压缩的并且能够防止所述薄金属壳与所述弹性层之间的滑动。
11.根据权利要求1所述的涂覆方法，其中所述弹性层包括图案化弹性体。
12.一种涂覆设备，所述涂覆设备包括：
第一辊，所述第一辊包括薄金属壳和弹性层，所述薄金属壳将所述弹性层包裹在其下方；
第二辊，所述第二辊与所述第一辊形成辊隙，使得所述薄金属壳能够通过与所述第二辊接触而在所述辊隙处弹性变形；以及
液体传递系统，所述液体传递系统被设置用于将涂料液体供应到所述辊隙中，
其中基材缠绕所述第一辊和第二辊中的一者，并且所述薄金属壳能够弹性变形，并且在与所述第二辊接触时以与所述弹性层一致地弯曲，所述涂料液体经过所述辊隙并在所述基材与所述第一辊和第二辊中的另一者之间进行膜分离，导致了在基材上以及在所述第一辊和第二辊中的另一者上的分离涂料液体。
13.根据权利要求12所述的涂覆设备，其中所述薄金属壳被构造成能够从所述弹性层移除。
14.根据权利要求12或13所述的涂覆设备，其中所述第一辊还包括刚性中心芯，并且所述弹性层围绕所述刚性中心芯的周边具有均匀的厚度。
15.根据权利要求12所述的涂覆设备，其中所述薄金属壳包含镍。
16.根据权利要求12所述的涂覆设备，其中所述薄金属壳的厚度介于0.1mm和1mm之间。
17.根据权利要求12所述的涂覆设备，其中所述薄金属壳的厚度与所述第一辊的直径的比率介于1:15000和1:80之间。
18.根据权利要求12所述的涂覆设备，其中所述第二辊是刚性辊。
19.根据权利要求12所述的涂覆设备，所述涂覆设备还包括旋转机构，所述旋转机构被构造成以预定线速度旋转所述第一辊和所述第二辊中的一者，其中所述涂料液体的预定线速度和粘度使得所述涂料液体的计算的毛细管数Ca大于临界值，并且所述临界值为0.1或更大。
20.根据权利要求12所述的涂覆设备，其中所述弹性层是可压缩的并且能够防止所述薄金属壳与所述弹性层之间的滑动。
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