CN1080141C

CN1080141C - 电喷射涂敷的设备及其方法

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Publication number: CN1080141C
Application number: CN93118251A
Authority: CN
Inventors: 阿尔伯特·E·西维尔; 威廉·R·伯格伦; 丹尼尔·R·丹尼尔森; 欧格内·E·哈金斯; 罗斯·M·凯德尔
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 2002-03-06
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: ZA937161B; JPH08501723A; DE69307523D1; WO1994007609A1; TW233270B; KR950703411A; AU5135993A; CN1088135A; EP0662866A1; BR9307163A; KR100271116B1; EP0662866B1; US5326598A; DE69307523T2; MX9306025A; CA2143960A1; JP3410096B2

Abstract

一种将薄涂层施加于基底上的电喷射涂敷头系统及喷涂方法。该系统包括一个缝隙或叶片，以计量进入成形构件的液体，迫使环绕成形构件的液体具有单一连续且基本恒定的曲率半径，将一电压施加于成形构件周围的液体，使液体产生一簇空间上暂时固定的流束，流束的数目可通过简单地调整施加的电压来确定，流束间断，形成均匀的荷电液珠雾，再由电场引向基底，产生涂层。

Description

电喷射涂敷的设备及其方法

本发明涉及一种涂敷连续基底的装置，及出于同一思路，还涉及一种将涂敷材料电喷射(clectrlspraycng)在基底上的设备和方法。

通常，用喷头获得静电涂层，喷头产生的液珠大约在10-50μm的范围内。其目的往往是为产生一个数十到数百微米厚的均匀涂层。关于这些涂层，一些液珠落在另一些已在基底上的液珠的顶上，汇集形成一层均匀涂层。

在常规静电喷射方法中，液珠由液体产生，在电应力(electrical stress)之下将液珠从应力点(point of stress)散开。许多静电喷射工艺通过首先从每个最大电应力点产生一种液束(liquidfilament)而产生液珠。当静电喷射工艺以此种流束方式运作时，该运作可进一步根据液体的各个流束的流率进行分类。在流率很低时，出现电喷涂模式。在电喷射模式下，流束从液体锥形发射，如果液体锥形与一个固定构件，诸如针尖或其它物体相连接，锥形和流束在空间的位置可以是固定的。在电喷射模式中，相信有Rayleigh毛细现象或流束断裂现象发生，使流束顶部断裂，变成细小的液珠雾。当增加流束的流率时，就达到这样一种流率，在锥形顶端开始呈现半透明，而液体锥形的基底仍保持较不透明。一般这只能用光学放大镜才看得到，例如用高差仪观察液体锥形和流束。这种流率标志着开始了流束以已知的谐振喷射模式工作的流率范围。如果在谐振喷射模式增加流束的流率，流束的直径看起来如象变大些。最后，当流率进一步增加时，锥形顶部的透明度开始逐渐消失，当流率再增加时，流束变得十分长，直径相当大。这种锥形物顶部的透明度开始消失的流率标志着高流率模式的开始。总之，当静电喷射工艺运作于流束方式时，根据流率，它可被分成低于、处于或高于出现单一流束的谐振喷射模式的三类运作方式。对于某一给定的液体，实际的谐振喷射模式的流率范围取决于液体的性质，特别是电导率。大多数用于涂敷的液体，其电导率的范围在0.1-1000微西/米(10^-7-10^-3S/M)之间。对这个电导率范围，当流束的流率达到大约0.1-1毫升/小时(ml/hr)，导电最好的液体就开始谐振喷涂，对于那些导电性最差的直到流束的流率达到大约10-100ml/hr才呈现谐振喷涂模式。

Sample和Bollini(Journal of Colloid and Inetrface ScienceVol.41，1972，pp185-193)介绍了谐振喷射过程，并指出在过程之开始，受到电作用的液体首先变得细长。然后，液体形成一锥形，然后从锥形的顶部发展成一个液体流束。液体被拉伸或拉长，最后液体流束与锥形的基部断开。最后一步过程产生一个自由液体流束和一个锥形的液体，该流束由于表面张力而变成一颗液珠，该锥形的液体，由于表面张力企图舒张回到其原来的状态。然而，在锥形舒张过程中，所施加的电应力开始了谐振喷射的另一过程。当用光学放大观察时，看到此锥形好似一个位于一个部分透明锥形的内部不透明的半圆，带有一个空间位置几乎固定的流束。该锥形物之所以透明是由于在部分时间内，在那个空间实际上没有东西存在，因为液体的流束断开之后，液体在舒张返回，如Sampple和Bollini的提议，如果仔细控制出现电谐振喷射的液体总量，那么从流束所产生的液珠的大小可以十分接近一致。当流率增加超过发生谐振喷射的范围时，流束的长度加长，Rayleigh毛细作用(或流束)开始不稳定，变成使流束断成液珠的机理。在流率更大的情况下，产生长的流束和大的液珠。在常规的静电雾化(原子化)方法中，一般将流率控制在谐振喷射模式，或较大的流量模式。然而，流率太大只能产生液体流层。按常规的静电喷射，无须特别留心就能保证液珠的直径一致。然而，由于电应力相当稳定，所产生的液珠大小分布比大多数非静电喷射装置的大小分布更紧密。

如果将一常规静电喷头的流率降低至谐振喷射模式以下，而待涂敷的物体的速度保持不变，涂层的厚度就变薄，以至在流率十分低时，涂层就失去了均匀性。精密的测试表明，当某些流束以电谐振喷射或脉动模式形成时，另一些流束开始由流体锥形物(在空间上暂时固定)生成。虽然这种液体锥形物和液体流束成为暂时固定的，但液珠一直由流束尖端产生。液体流束的内部有射流，而对于某些流率范围，流束是不稳定的。然后，由于Rayleigh毛细作用和流束的不稳定性，使流束尖端断裂，形成液珠，在此种小流率下，所产生的流束和液珠，与大流率模式下所产生的流束和液珠相比，其直径十分细小。对于用在工业涂层的液体而言，这种小流率范围一般出现在低于大约0.1-100毫升/小时·流束，依流体性质而异。这种小流率模式被称为电喷射模式。电喷射涂敷模式产生的液珠，其直径均匀，即尺寸分布窄，在1-50μm范围内，依液体性质、加在液体上的电势以及流率而异。而大流率模式产生的液珠，其直径一般为50μm，电喷射模式产生细雾。一般来说，可以确定静电原子化或从流束的静电喷射包括电喷射模式、谐振喷射模式以及大流量模式。仅当要求流率很低时，例如为产生薄的涂层时，才采用电喷射模式。

美国专利US-2,695,002(Miller)描述了静电叶片的使用，教导了液体在叶片边缘的雾化。后来，该发明人公开了一幅意欲产生从叶片顶端发射间隔均匀的液体流束的图片(Electrostatics and itsApplications，1973，pp255-258)。这些流束被设计用以产生细小液珠的雾，叶片被做为一种产生一簇流束的手段而公开，该流束工作于电喷射模式和谐振模式。不管这些公开的内容，本领域的技术人员也可以很快知道这些流束往往会过一段时间发生晃动和移动。的确，很难保持这些流束在空间上暂时固定不变。而且，两个相邻的流束可能移开，导致局部原子化的轻雾减少。同样，两个相邻的流束也可以移近，导致局部原子化轻雾的暂时增加。当将该轻雾加到基底上时，可能分别引起涂层厚度的减薄或加厚。

本发明涉及一种静电喷射工艺，该工艺不同于许多多少年来采用的制造相当厚的，如数十至数百微米的涂层的常规静电工艺。本发明可以用来制造均匀的涂层，该涂层根据要求可以是连续的，也可以是不连续的，厚度大约为十几和数十微米。本发明可以以稳定状态工作于电喷射范围。该电喷射范围涉及一个可以产生一个单一的液体流束，并控制其以产生一均匀喷射雾的有限流量范围。那么，总流率就是所产生的各个流束的流率之和。电喷范围对产生雾是有用的，可以用于生产一个薄膜涂层。然而，为了涂层的均匀，这些雾必须是均匀的，这就要求流束在空间上暂时固定。近来许多专利工艺都致力于开发满足这些准则的喷射头。近来的专利工艺还试图从固定数量的点，如针状物和齿状物引发喷射，固定流束的数目。例如，美国专利US-4,748,043(Seaver等人)公开了使用低密度的一组的针状物，产生一组所需的流束，按一种电喷射涂敷工艺涂敷很薄的涂层。美国专利US-4,846,407(Coffee等人)公开了沿叶片安排一组尖点状突出物，类似牙齿状，以克服流束的移动问题。美国专利US-4,788,016(Colclough等人)公开了带有突齿的非导电叶片，而美国专利US-4,749,125(Escallin等人)公开了具有类似齿状结构(有钝的，有尖的)的填隙处。这些装置确实固定了流束的数目，同时严格地限制了涂层的范围，无须机械改变涂敷头即可达到目的。而且，所制造的带有固定点状物的装置，在一定电压下，当在一具点状物处开始出现多根流束，而在一相邻的点出现单个流束时，可以导致丧失雾的均匀性。

本发明的目的在于对产生材料的雾进行控制，使该雾均匀地施加到基底上，为基底提供该材料的受控薄膜涂层。更具体地讲，本发明的一个目的在于提供一种电喷射涂敷头，该电喷射涂敷头可产生一组液体流束，并保持其在空间上暂时固定，以备获得均匀涂层。本发明的再一个目的在于提供一种电喷射涂敷头，该头允许液珠雾的密度随产生雾密度所需的流束的数目和位置的变化而改变，而无须改变喷头的机械尺寸或零部件。本发明的又一个目的在于提供一种对电喷射涂敷工艺中作涂敷材料的液体进行控制，以使其均匀发射的方法。

本发明的用于电喷射涂敷工艺的电喷射涂敷头系统包括一个下部成形装置和用于将液体分配到下部成形装置的计量部分，而下部成形装置在其周围产生一单一连续的、曲率半径基本上恒定的计量液体，以使从下部成形装置延伸的液体流束的数目和位置随着加在下部成形装置周围的液体表面上的电势幅度而变化。在某一特定的电势下，液体流束在空间上暂时固定，以允许产生高荷电的液珠均匀的雾。

本发明的可变地控制用于电喷射涂敷层工艺的液体均匀发射的方法包括下列步骤：提供一个计量部分，用于将液体分配到下部成形装置；确定下部成形装置的位置，该下部成形装置在其周围产生一单一连续的、曲率半径基本上恒定的计量液体，以使从下部成形装置延伸的液体的数目和位置随施加于下部成形装置周围的液体表面上的电势幅度而变化；以及调节施加于液体表面的电势，以使在一特定电势下产生所要求的数目和位置的流束。在某一特定的电势下，该液体流束在空间上暂时是固定的，允许产生高荷电的液珠均匀的雾。最后，该方法进一步包括将雾流导向移动基底上的选定的沉积位置的步骤。

本发明的电喷射工艺和现有技术相比具有许多优点。因为涂层只用少量溶剂或不用溶剂即可涂敷，因此，不需要大的干燥炉，并节省费用，几乎没有污染和环境。实际上在本发明中，所用的少量溶剂是快速干燥的(一般只需要固化涂层)，因而可在单一工艺线中得到多个涂层。而且，便于只在多孔基底一侧进行涂敷，因为仅有很少或几乎没有溶剂能渗透到另一侧去。

下面参照附图对本发明做进一步解释。

图1是一个喷射头组件的端剖视图，该组件包括计量装置，用以产生一个液体帘和在下部成形装置周围产生局部曲率半径均匀的液体。

图2是延伸到并环绕下部成形装置的液体的透视图。

图3是一个喷射头组件的端剖视图，包括计量装置，用以产生一液体帘和在下部成形装置周围产生曲率半径连续、恒定的液体。

图4是类似于图1所示的喷射头组件在把细雾液珠喷射到基底上的过程中的侧视图。

图5是一个下部成形装置的放大剖视图，其第一部分用以接收液体，而第二部分用以产生一连续、恒定的曲率半径。

图6是喷射头组件的分解组合的电气原理图。

图7是表示流束/米和外加电压作用之间比例关系的曲线图。

图8是用本发明的电喷射装置产生有涂层的基底的电喷射工艺原理图。

这些图未按比例绘制，其作用仅在解释，而不是对本发明的限制。

静电喷射是使用电场产生并作用于待涂敷材料的带电液珠，以便控制材料的应用，同时，一般是用重涂敷材料进行的，如零件的涂料喷射。在本发明中，电喷射是指从一构件喷射很细的液珠，并借助电场的使用，将这些均匀的液珠雾引向基底。

本发明中所称的涂层包括在作为底层材料的基底上的选定材料的薄膜、低附着的背胶料，释放涂层(release coatings)、润滑剂、粘合剂及其它材料。在某些情况下，只要求几个单分子层的材料。美国专利US-4,748,043公开了一种以各种厚度施加这种涂层的装置。精确均匀地在基底上施加任何所需厚度涂层的非接触方法，当运作于单头结构时，厚度可小于微米级，当运作于多头结构时，厚度可达数百微米。

待电喷射的液体最好具有使工艺最佳化的某些物理特性。电导率应介于10^-7和10^-3S/M之间。若电导率比10^-3S/M大得多，则电喷射的液体流率变得太低，对大多数涂层的应用不实用。若电导率远低于10^-7S/M，该液体不利于电喷射。

待电喷射的液体的表面张力(其在空气中，在大气压力下)低于65毫牛/米较佳，最好低于50毫牛/米。若表面张力太高，围绕液体锥形尖顶的空气会出现电晕。这会引起电喷射失控，并引起电火花。使用不同于空气的一种气体，根据所用气体的击穿强度会改变所允许的最大表面张力。同样，还可以改变压力(不同于大气压)和使用惰性气体，以防止液珠在到达基底之前相互作用。将电喷射产生器置于一腔体内，并将固化台也放在此腔体内，即可达到此目的。也可使用反应气体，以引起所需要的与液体流束或液珠的反应。

液体的粘度必须低于几千毫帕一秒，最好低于几百毫帕一秒。若粘度太高，流束不会间断，形不成均匀的液珠。

介电常数和电导率限定了液体电弛张特性。然而，因为电导率可在宽范围上调节，故认为介电常数不那么重要。

如果需要，待电喷射的液体中可加入添加组分，按要求调节电喷射的性质。例如，可加入甲醇使待涂敷材料增加电导率和/或降低粘度。还可加入甲苯降低待涂敷材料的粘度。此外，可加入活性剂作为溶剂，并为最终的涂层带来所要求的特性。

参照图1，电喷射涂敷头系统10的一个实施例包括将液体13分配给下部成形装置15的计量部分11。将下部成形装置15设计成能在第一部分32接收溶体13，并环绕着下部成形装置的第2部分33产生单一连续的被计量的液体13，其曲率半径基本上恒定。这就允许在系统10电运作期间从下部成形装置15的第二部分33延伸的液体流束的数目和位置是选择可变的。通过调节施加于下部成形装置15周围的液体13的表面的电势，即可获得不同的特性。还有下部成形装置第二部分33将液体成形，以便在某一特定的电势下，在空间上暂时固定液体流束，允许产生高荷电的均匀液珠雾。虽然下部成形装置可以包括不同形状的零件，或另一零件的一部分，下部形成装置的形状最好包括一个截面为圆形或近似圆形的细长线状零件。参照图1和图5，下部成形装置15最好包括从计量部分11接收液体13的第一部分32和产生一连续、恒定的曲率半径的第二部分33。

在图1的实施方案中，计量部分11包括一个带有由腔壁17限定的液体存储腔的细长的管16，用于接收液体13，然后在压力下经过由壁21限定的狭窄缝隙20分配液体。然后，液体13从沿计量部分的长度方向延伸的外端孔22流出。流体13流向位于计量部分之下的下部成形装置15。下部成形装置15可用导体、半导体或绝缘材料制作。一种优选的下部成形装置是由如不锈钢这类导电材料制作的，允许简单地连接到高压电源上，还允许简单地设置环绕下部成形装置15的液体表面上的电荷，特别是易于沿图2所示的A-A’线段布置。参照图1和图2，液体13最好从计量部分11以小流率经缝隙20流出。然后，在计量部分11和下部成形装置15的第一部分32之间形成水帘27。考虑其它的到高压电源的连接法，例如，当一高压电源与一导电配件(如液体馈给配件23)相连接时，如图1所示，再利用液体的电导率将电荷传给下部成形装置15周围的液体表面。计量部分11也可以设计成一个细长的叶片状元件。该元件包括具有上部到底部的两个相对的侧壁21，两个侧壁至少为液体提供一条从上部到底部、并达到下部成形装置15的液流通路20，使得能形成一均匀、不间断的与下部成形装置相接的液体帘27。

在公开于图3的喷射头系统的实施方案中，计量装置11包括一个固定的上部分28和一个可移动、可替换的下部分30，以更方便地重新装配带有不同宽度的缝隙20和出口22的喷射头系统。在本发明的范畴之内关注等价于缝隙20的结构，并介绍如下。

在图1所示的计量装置11内使用缝隙20，使得液体13沿下部成形装置15的第二部分33的长度方向均匀分布。在下部成形装置15上的液体周围建立起一个电势，以便产生高荷电的均匀液珠雾，如图4液珠34所代表的。然而，首先，当将高压施加于下部成形装置15上的液体时，则建立起一个电场，使下部成形装置15第二部33的液体受到作用，如图4和图5所示，更具体地就是沿图2和图5所示的A-A′线段。在零电压或低电压时，有少数的间隔不规则的半圆形水滴慢慢鼓起，并靠自身之重力脱离下部成形装置。然而，在较高的电压下，液体13沿着下部成形装置15的A-A′线段形成间隔均匀的一组锥形39，如图4所示。每个锥形39从其尖端部发射液体流束40。随着外加电压的增大，流束的数目可以增多。对于给定的进入电喷射涂敷头系统10的总流率，调节电压，可产生足够多的流束40，使得各个流束的流率处于电喷射范围内。当流束运作于电喷射范围时，流束40的尖端部断裂，变成一连串的细小的带电液，在电场作用下，奔向移动着的基底43。

上述关于控制从一平滑均匀的性直表面喷出液珠的图形之种种努力未能防止形成不希望的流束，也未能防止流束的移动或晃动。当使用电场时从平滑的液体表面建立一组流束的机理尚不十分清楚。然而，Mitterauer在1987的IEEE Transaction on Plasma Sci-ence Vol.PS-15，pp593-598，把从缝隙发射的液体当做半圆柱形处理，这种半圆柱形因沿其圆柱形轴的液体表面有一定的扰动而不稳定。Mitterauer的理论包括，流束间的距离与液体圆柱形的半径有关。可惜，虽然在电喷射装置中观察到了此种现象，实际上流束的位移还是存在。例如，建立一个类似于图1所示的导电计量装置11，但没有成形装置。当液体13被挤入缝隙20的出口时，液体形成一段圆柱，悬于缝隙20的出口处。当电应力施加于悬挂着的圆柱段液体表面时，沿着液体圆柱出现一组几乎等间隔的流束。然而，流束总是漂忽不定。即使调节液体流量，打磨计量装置11，改变曲壁21所限定的缝隙的大小似乎总是暂时停止液体流束的位移，不出数十秒，就有一个或多个流束开始离开它原来的位置。将液体与液体圆柱段任何一侧的计量装置11相接触的线称为接触线。在这些实验中，有时观察到液体在接触线上沿着各个液点有很轻微的移动。好像液体总是沿接触线进入一点，引起一个超前的接触角，而在另一些时候，液体好像滞后于所说的点，导致一个滞后接触角。然而，对于润湿的动力学分析指出，滞后和超前接触角是不同的。所以，结论是液体与结构连接的局部角是沿接触线变化的，引起局部曲率半径沿液体与缝隙或发射结构连接的圆柱的变化。当采用Mitterauer理论时，粘度尚有待解释，为什么流束总是偶然位移。即，如果半径有局部变化，那么所形成的各流束间的间距也会沿液体圆柱变化。一旦由流束建立液流，则将从该局部区域形成更多的液体，而相邻的区域就会失去液体。液体的丢失导致局部动态接触角滞后。接触角滞后又影响相邻的曲率半径。局部液流与相邻(局部)动态接触角的相互作用影响相邻的(局部)曲率半径，并导致不希望的流束的位移，如流束40。

在另一例中，叶片状发射构件上的液体的特性几乎类同。若液体从叶片两边相向下流动，那么液体薄层的不稳定性可沿两条液流路径发展。看来薄层的不稳定性类似于波浪对海岸的移动。波表面沿叶片的变化引起液体在叶片尖端的曲率半径的变化。因为液体在叶片尖端的曲率半径限定了各流束间的间距，曲率半径变化产生一种新的流束间的间距。结果，当液体薄层的不稳定性达到叶片尖端时，它将引起每单位长度的流束的数目的改变。另一方面，若让液体只从叶片的一侧向下流动，那么液体会缠绕叶片尖端，并在叶后的另一侧形成接触线。对这种情况，液层的不稳定性和局部接触角都影响局部液体的曲率半径。因而这些结论意味着缝隙和叶片装置不能靠自身维持流束在空间上暂时地固定。

在上述公开之前尚没有公认的技术原因，能解释缝隙、叶片或其它发射结构上流束的位移。在某些方面，这可以解释为解决流束控制问题所做的其它努力的结构上的缺陷，如为了减少过多的流束的出见使用毛细管或单独的齿状物。这些齿状手段使沿喷射头长度出见的流束的数目固定为每个齿状物一个。齿状物也存在另一些问题，因为众所周知，在一个突出点处流束的数目会随超过某些特定电压的外加电压的增加而增多。所以，当使用齿状物时，弛张电场随齿状物的锐度惊人地增大。如果齿状物不是以同样精心控制的曲率半径一个一个地制造的，那么在给定电压下，在一个齿状物上可以出现多个流束，而在相邻的齿状物上只能出现单个流束。这进一步的教导远离了本发明的原理，本发明公开了稳定自然发生的不稳定性的技术，消除不希望的沿平滑发射表面的流束位移。稳定化的结果是液体流束的均匀分布，有助于电喷射涂层的均匀实施。所以，如果使用齿状物，这就严格地限制了在发射表面的单位长度内可能存在的流束的数目。另一方面，在本发明中，可以使用外加电压，以便快速、便利地改变流束的数目，以满足所需的涂层要求。

本发明成功地使液体的曲率半径得以稳定，亦因而使每个流束的瞬时位置得以稳定。用绘于图1-图6和图8的结构概念，使局部液体的曲率半径变成与系统中发生的润湿(wetting)线不稳定性或任何其它液体扰动无关。图5是用微量液体13进行涂敷的下部成形装置15的剖视图。在此例中，液体在第二部分33的曲率半径是线半径r′加上液体33的厚度r″。虽然由计量部分发出的液体13可能一直有液体内的波动，下部成形装置15的第二部分33和厚度为r″的薄液体层现在限定了液体的局部曲率半径。实质上，下部成形装置15减轻了薄液体的波动，并保持液体的曲率半径在图2所示的A-A′线段上基本恒定，该线段绘出了优选的电应力最大的线段。

采用图1所示的本发明的结构实施方案，一个塑料的管状计量部分11具有一个沿底部切开的缝隙20。下部成形装置15含有一个悬于缝隙下面的线。紧靠着所说的线，在基本上相同的水平面上悬挂分离棒54。缝隙长度为110mm，宽度为0.610mm，高度为10.15mm。线径为2.06mm位于地平面之上105mm。分离棒直径均为16mm，位于线两侧距离为50mm处。具有这种机械结构的电喷射涂敷头系统10，缝隙20的下端22与下部成形装置15之间的距离大约是1mm。这就允许下部成形装置15易于被液体13均匀地沾润。在大约为10,000V的启动电压下，所产生的图4所示的液体流束40，其数目有变化，并出现位移。然而，当外加电压再提高5000V时，流束稳定住，其间隔一致，空间位置固定。然后将电压从15,000V增至19,000V时，每米的流束数目均匀地从262增至459。这说明可稳定地控制每单位长度的流束，证明了一种易于调节的控制每单位长度流束数目的方法。虽然下部成形装置15的每单位长度的流束数目最好通过调节外加电压来控制，而该数目可能多少还受数种其它条件影响。这些其它条件包括下部成形装置与分离棒54间之距离、下部成形装置与基底43及与之相邻的地面52间的距离，被分配的液体13的粘度、电导率、介电常数、表面张力、以及液体13环绕下部成形装置15的流率。一般，溶液越粘，要求下部成形装置15的第二部分33的直径越大，以达到沿线的稳定流束。

在电喷射涂敷头系统的另一实施方案中，一个普通三角形不导电的塑料计量部分11具有一个由下面悬挂的金属线组成的导电的下部成形装置15，如图3所示。设置导电的构件如图1、图6和图8所示的分离棒54或板(可能是平的或是弯曲的)是为了给下部成形装置建立一个电场。根据高压电源，如图6和图8所示的电源57的设定，导电的构件54可以具有与下部成形装置15不同的电势。导电分离棒54可平行于下部成形装置15放置，也可有与此不同的各中设置，尽管使用下面例1公开的元件尺寸，大约50mm的距离是起作用的。一般承认，不平行地放置棒54会产生非均匀的涂层，但在某些情况下，可能也会需要这种结果。分离棒54用一选择开关51或与一高压电源58连接，或与地线68连接，以消除图6中的选择方案。将一电势57施加于下部成形装置15和分离棒54之间，以在结构间建立所要求的电场。最好沿A-A′线段施加最大电应力。导电构件54的外表面最好具有非导电的涂层。

加电场使液体13受力形成一组流束40，具体如图4所示。当每个流束的液体流率处于电喷射范围时，在这些液体流束尖端出现Raileigh喷射间断，引起细液珠雾34产生。本发明所公开的技术特别有益于少含或不含溶剂的工艺和涂层。然而，如果发生溶剂从每个液珠蒸发掉，则液珠35可进一步减小。当这些现象发生时，认为液珠上的电荷在某些点会超过Raileigh电荷限，液珠将分裂成为数个高荷电且稳定的较小的液珠。经过数次连续分裂，产生直径很小的溶质液滴。总之，液珠34均可被电场引导和控制，淀积在位于电喷射涂敷头系统10下方的基底43的表面上。根据液体的特性和运作条件，在基底43的表面会出现电喷射液珠34的蔓延，而得到大体上连续的表面涂层。若蔓延受阻，也会出现不连续的岛状涂层。

图6表明分析电喷射工艺的示意电路，其中的Faraday杯结构66代替了图4所示的基底43和地平面52。分离棒54悬浮于下部成形装置15的同一水平面，且与之分开。下面对图6做进一步讨论。

图8表明使用喷射头10涂敷一基底43的方法。基底43按需要可以是平滑的或是粗糙的，在本例中的薄带形式，基底43被卷绕在一个接地的大鼓72上。卷绕位于鼓周边的合适部分，容许鼓72对各不相同的电势起公共参考点的作用。基底43(假定为非导体)在一充电装置(如电晕管80)下移动，将一种极性的离子83电积在基底43上。每单位面积上的电荷借助静电伏特计86间接测量基底上的电压。然后使基底在喷射头10下移动，由喷射头10产生液雾。液雾34必须用电源57使其带电，其极性与电晕管80使基底43所带的电荷极性相反。然后，在由围绕下部成形装置15的液体上的电压与静电伏特计测得的基底43表面上的电压间的电势差所建立的电场作用下，使液雾34淀积在基底43上。正如电喷射技术领域的专业人员可以理解的，对基底施加不同的电势会产生不同的液体淀积图案。同分离电极54的电压与静电伏特计86测得的基底表面电压间的电势差也有助于把雾34淀积在基底43上。因为雾34的电荷与电晕管施放给基底43的离子极性相反，在涂敷后，基底上的电荷将减少。如果由雾34淀积的电荷总数大于由电晕管80淀积的电荷总数，那么，基底获得与雾相同的极性，基底会排斥雾的进一步淀积，结果将使涂层厚度失控。为确保基底不接受过量的来自雾的电荷，在涂敷后再用静电伏特计90测量该电荷。更希望在涂敷后，基底不有其表面留有任何电荷。这可用另一台充电装置(如电晕管93)来达到目的。给基底淀积与液珠极性相同的足量的电荷，使基底43上的净电荷降回至零。这可通过调节连到电晕管93上的电源(未示出)来实现，直至静电伏特计指示为零。然后，将基底43送至后续工序，诸如加热和/或固化，产生所希望的薄膜涂层。根据所要求的涂层性质和液体的特性，进行加热可以促进或阻止淀积后的液体在基底上的流动。

当基底43或其表面为导体，并适当地接地时，则不需要电晕管80和电晕管93这样的充电装置。

再参照图4，因为液体13有沿计量部分11的表面和下部成形装置15的表面流动的趋势(由于毛细作用)，因而帘27的边缘以及液珠34薄层的端部，与中心部分相比，可能是不均匀的。有时，最好提供一个或多个端点形成构件，通过固定一根润湿的线来获得更均匀的边缘。这种结构的例子包括计量部分11的有切口的或平截的边缘77和挡板98(即，缠绕在下部成形装置15周围的一根细丝或流束)。一般来说，平截的边缘比挡板更好，因为挡板一般更可能使外侧流束的流率比处于较中心的流束的流率大。

分离棒54使得喷射头40能以低于它的所需要的电压运作，但这些分离棒不是必须的。例如，参照图2、图5、图6及图8，如果没有分离棒54，喷射头10仍能在增大电源57的电压的情况下起作用，沿着线段A-A′产生与存在分离棒54时所建立的相同的电应力。

下面的说明例在于说明本发明所使用的喷射工艺的概念，以不同的厚度涂敷各种材料。除非另有说明，所有液体中的组成的量均以重量计算。

实施例1

本实施例表明外加电压对用电喷射涂敷头系统10在每米所形成的流束数目的作用。所用的溶液是丙烯酸硅树脂，其组成在同时待审的专利申请(No.07/672,386)中有描述，题目为RadiationCurable vinyl/Silicone Release Coating，申请日为1991.3.20。溶液按72.5份(重量)的丙烯酸异辛酯、10份二丙烯酸己二醇酯、7.5份的三羟甲基丙烷三(β-丙烯氧丙酸酯)、5份的丙烯酸以及1.5份的5000克分子重量的丙烯酰氨酰胺硅氧烷混合制备。对此再加2份(重量)DAROCURE1173，2-羟-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮，Ciba Geigy的游离基UV引发剂和5份的甲醇。与电喷射有关的溶液物理性质是电导率为1.5μs/m，粘度为6mPa-s，介电常数为11.6，以及表面张力为24.5mN/m。

采用类似于图1所示的电喷射涂敷头系统10，该系统包括一个具有沿底部切开的缝隙的塑料管，悬在缝隙下面的一根线以及与线平行并悬浮于同一水平面的分离棒。缝隙的长度为110mm，宽度为0.610mm，高度为10.15mm。线径为2.06mm，其位置高于地平面105mm。分离棒的直径均为16mm，放置在线的两侧，与该线的距离h为50mm，如图6所示。

电喷射涂敷头系统10装配在一个大的金属平底盘66上面，如图6的电路示意图所示。底盘放在6.4mm的有机玻璃板上，与地绝缘。将一个Keithley485型微微安培计串接于底盘与地之间。这就允许底盘当作一个Faraday杯使用，并在线15周围的液体和底盘66之间建立一个电场通路E。将一个负20KV Glassman PS/WG-20N15-DM型电源连到该线。分离电极54保持地电位。以各种不同的电位计算流束。结果如图7曲线中数据点所示。应当理解可运作于任意所需的极性。

通过对沿线的流束计数，再除以含有流束的线长度，得到流束密度。每米的流束粗略正比于大约为外加电压的平方的一个函数，此关系如曲线图中实线70所示。接近首先导致流束不稳定性的电压(在10.000V附近)，流束的数目就变化，并来回晃动。在附加的5000V范围内，流束已稳定，一般间距均匀一致，空间上固定。将电压增至15000V以上就可以使流束的数目得到控制。稳定后的流束的数据点与预定每米的流束数目和一个近似为外加电压平方的函数之间的线性关系的曲线符合得很好。美国专利US-4,748,043教导，每种液体有它特定的流量范围，只有在这个流量范围，在电喷射运作中才出现稳定的单个流束。在一针或齿型电喷射头中，每单位长度的流束数目由这些齿状凸起物的数目确定。然而，对于本发明，系统的流率范围不受这种限制，只要简单地调节电平，即可很容易地控制每单位长度的流束数目。所以，对许多液体，当以电喷射模式从一平滑表面产生流束时，其喷射的流率范围的高端比从针或尖齿状结构形成的流束的相同液体要高出一倍或一倍以上。

实施例2

本实施例介绍缝隙和线电喷射涂敷工艺的使用，淀积溶液，在粗糙表面上形成6-9μm厚的涂层。将90份(重量)的环脂族环氧(Union Carbide的商品名为ERL-4221)与10份的二丙烯酸己二醇(由Sartomer Inc，Exton.PA.制造的商品名为SR-238)混合，再加0.25份的2，2二甲基-2-苯基苯乙酮，一种深固化光致引发剂(商品名IRGOCURE 651，Ciba-Geigy制)以及0.25份的环戊二烯基枯烯铁II六氟化磷，一种可见光固化光致引发剂(商品名IRGOCURE 261，Ciba-Geigy制)，再用甲苯(Catalog No.32，055-2 Aldrich Milwaukee，WI产)稀释到85％(纯质重量)，来制备供涂敷的溶液。适宜于电喷射该溶液的物理性质是：电导率为70μs/m，粘度为29mPa-s，介电常数为11，以及表面张力为27mN/m。用Sage 355型注射泵(Sage Instruments，Cambridge，MA，出售)将该溶液引进电喷射涂敷头系统10。

缝隙具有均匀的宽度约610μm，长度为102mn。将+19.5KV的高压施加给金属线，再将+6KV施加给分离棒。分离棒的直径为6mm，距金属线25mm。金属线直径为3.2mm，在缝隙下大约2mm，而高于传送机械的薄膜表面90mm。传送机械包括一个在移动的金属带顶上的非导电薄带。样品薄片或成卷材料应当放在或输送到这个带加上载体的薄带传送构件上。金属带保持地电位。

将一卷76μm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜用树脂涂敷，然后松散地浸渍一薄层平均直径为12μm的粒子。将102mm×914mm的材料带添加到载体薄带顶上，再送到传送机构。用电晕充电器给带材的粗糙表面充电，充到大约负2KV的电势。薄带的速度保持固定在6.1米/分钟。使用两个流率为295ml/hr和443ml/hr的泵。用进入计量部分的总泵流除以流束的总数目，得到每个流束的流率。

当施加高电压时，在位于缝隙下方的长度为95mm线上形成十条流束。每条流束的溶液流量为29.5ml/hr和44.3ml/hr，得到的涂层厚度分别为6μm和9μm。在此例中，粗线的使用导致每米105个流束。然后使涂敷过的带材在中压汞灯下通过，暴露于610J/m²的254mm紫外辐射之下。

实施例3

本实施例说明为使用粘合剂，如何采用此工艺在一平滑塑料膜上制造一薄的易舒张的涂敷的表面。用两种溶液涂敷。第一种溶液是用下列市售的液体混合而制备的：40份(重量)的环氧硅酮(商品名UV9300 Solventless UV Release Polymer，GE Silicones，adivision of General Electric Company of Waterford，NY产)，20份的1，4环己烷二甲基丁二烯醚(商品名Rapi-Cure CHVE Reactive Diluent，GAF Chemical Corporation in Wayne，NJ产)，15份的一氧化苎烯(Atochem of Philadelpia，PA产)以及25份的食用级的α-苎烯(Florida Chemical Co.Inc，Lake Alfred，FL产)。对此再加添3份(重量)碘盐(商品名UV9310C Photoinitiator，GE Silicones产)。混合物定名为40/20/15/25+3。第二种溶液将上述液体按下列比值：25/20/15/40+3配制。第一种溶液与电喷涂有关的物理性质是电导率为11μs/m，粘度为19mPa-s，介电常数为7.5，以及表面张力为24mN/m。第二种溶液与电喷涂有关的物理性质是电导率11μs/m，粘度为9mPa-s，介电常数为7.6以及表面张力为24mN/m。

使用的电喷射涂敷头系统10包括挖空的塑料块，截面为三角形，类似于图3所示，并带有一个沿底边切成的缝隙，以及悬在缝隙下方的线和平行于线悬浮在同一水平面的分离棒。缝隙长305mm，宽0.610mm，高19mm。线径2.4mm，距缝隙2mm(对较粘的溶液)和1mm(对第二种，粘度小的溶液)。分离棒的直径均为6.4mm，与线各边的距离为25mm。用一个MicoPump 7520-35型微型泵和一磁耦合传动的泵头(Colo-Palmer Instrumen Company，Chicago，IL有售)、产品号分别为NO7520-35和A-07002-27，将待涂敷的溶液抽进电喷射涂敷头系统10。

用一个R60A型高压直流电源(Hipotronics，Brewster，NY产)给线施加正25KV的高压。分离棒接地。当待涂敷的膜表面经过自由旋转的、直径为610mm的导电金属鼓72的表面时，如图8所示，线高于膜表面90mm。本镀膜台可涂镀成卷的塑料膜、纸或金属箔。因而，预先运动着的辊组可作为承载带，于其上能放置薄片样品。该金属鼓保持地电位。一卷305mm宽、36μm厚的PET膜可经镀膜台送进。给膜表面充电到大约负1.5KV的电位，以使膜与金属鼓并使薄膜与承载带精确定位。泵的流量保持恒定，从305mm长的缝隙流出5.5毫升/分。溶液使缝隙下方的线润湿305mm。薄带速度采用9.1、27.4和45.7米/分。在不同速度下产生的涂层厚度分别为2.0、0.7和0.4μm。

然后将涂敷后的膜用热和紫外光辐照，使涂层变为耐用的舒张的表面。将涂敷后的膜通过2.4米长的空气冲击炉，估计其热传导系数为62.8J/(sm²c)和125.5J/(sm²c)。对每种溶液，在炉内采用三种大气温度(对第一种溶液用35℃，42℃和60℃，对第二种溶液采用24℃，44℃和59℃)。在三种速度下，在炉内驻留时间为16、5.3和3.2秒。估计使涂敷后的膜达到炉温的时间，对较低的热传导系数为3.2秒，对较高的热传导系数为1.6秒。然后使涂敷后的膜(分别以9.1、27.4和45.7米/分)通过一中压汞汽灯，用880、290和180J/m²的254mm光辐照。

随后的固化涂层，以具有天然橡胶/树脂粘合剂(No 232Scotch^TMMasking Tape，Minnesota Mining and Manufacturing Company(3M)，St.Paul，MN产)或丙烯粘合剂(No.810 Scotch^TM Magic^TMTape，3M产)的带为背景，在65℃和50％的相对湿度下，加热3天，进行老化。出炉至少4小时后，在温度保持在22℃，相对湿度为50％的室内，在180℃，以2.286米/分，将带与样品分离。未观察到再附着力的显著衰减。对不同的环氧硅酮的浓度，在三种速度(9.1、27.4和45.7米/分，分别以A、B、C标示)下的薄带的温度，其舒张值是：

条件		(Masking Tape)掩模带			(Magic^TM Tape)指示带
条件								EpS	薄带温度
％	℃							EpS	薄带温度	A	B	C	A	B	C
％	℃	40	35	1.6	3.1	5.8	0.8	1.7	5.6	A	B	C	A	B	C
40	42	40	35	1.6	3.1	5.8	0.8	1.7	5.6	1.5	1.7	4.1	0.6	0.5	3.2
40	42	40	60	1.8	0.9	2.5	0.3	0.1	1.1	1.5	1.7	4.1	0.6	0.5	3.2
25	24	40	60	1.8	0.9	2.5	0.3	0.1	1.1	1.9	3.2	3.9	1.3	3.9	5.6
25	24	25	44	1.1	2.6	2.1	0.8	0.8	1.3	1.9	3.2	3.9	1.3	3.9	5.6
25	59	25	44	1.1	2.6	2.1	0.8	0.8	1.3	1.8	1.2	1.9	1.2	0.7	1.0

缩短实施涂敷步骤和涂层固化步骤之间的时间，便于利用热量，以得到具有这些溶液组成的易舒张的特性。

在此实验当中，不对每米的流束数目计数，但在早先的使用形状相同的头的实验中是计数的。例如，在早先的实验中，当将正24KV的电压施加于第一种溶液时，在缝隙下方的305mm线长度上大约形成90根流束。泵流量为5.5毫升/分，推测每个流束的溶液流率为3.7ml/hr。当把正22KV的电压施加于第二种溶液时，大约形成80条流束。泵的流量为9.5毫升/分，推测每条流束的流率为7.1ml/hr。

实施例4

本实施例说明如何采用此工艺为使用粘合剂在一平滑塑料膜上制造一薄的易舒张的涂敷表面。涂敷的溶液与例3的第一种溶液相同，将溶液施加于一衬底的方法也与例3所述方法一致。

将102mm×7.6mm的表面粗糙的玻璃垫带浸渍树脂，在背面涂敷粘合剂，用松弛地附着于305mm宽的涂敷硅酮的纸上，将其放在330mm宽的成卷的61μm厚的PET承载膜上，送进镀膜台。将粗糙的表面及裸露硅酮涂敷的纸充电到大约负1.5KV电位。从305mm长的缝隙泵出的流量保持恒定在5.5毫升/分。溶液使缝隙下方的330mm的线润湿。薄带速度恒定在15.2米/分。估计涂层厚度为1.2μm。

将涂敷后的膜加热并用紫外光照射，使涂层转变成耐用的舒张表面。让涂敷后的膜通过25mm高，356mm宽，1.83m长的风洞。一台热风鼓风机(6056型，Leister，Switzerland产)在喷嘴的出口空气温度为187℃，将空气逆着薄带移动方向吹进风洞。从风洞出来的空气温度为大约100℃，基于用一台类似于Mikron M90Series Portable IR Thermometer，Mikron Instrument Company，Inc.Wyckoff，NJ制的装置对条件相同的聚脂膜进行红外测量，估计从风洞出来的薄带温度大约为50℃。然后使涂敷后的膜通过中压汞汽灯，用400J/m²的254mm光照射。

当以位于涂敷后的衬底部的相同的天然橡胶/树脂粘合剂为背景进行测试时，随后固化的涂层呈现满意的舒张和再附着特性。

实施例5

本实施例描述使用此工艺分配底层材料。将95份(重量)的二丙烯酸己二醇酯和5份的二苯甲酮(Catalog No.B930-0，Aldrich制)混合，再添加甲醇(Catalog No.17933-7，Aldrich产)，将此溶液稀释到90％(重量)。适宜于电喷镀的物理性质是电导率为2.6μs/m，粘度为9mPa-s，介电常数为10.1，表面张力为34.2mN/m。用Sage 255型的注射泵，将溶液注入电喷射涂敷头系统10。将电喷射涂敷头系统10装配在一个大的金属平底盘66之上方，如图6所示。缝隙的宽度410μm，长度76mm。用Hipotronics产的例3的高压直流电源，给金属线施加正24KV的电压。线径为1.7mm，位于缝隙下762μm，金属盘上90mm。分离棒54直径为6mm，距线25mm，并接地。当溶液流出缝隙时，涂敷一段89mm的线。

当进入喷射头的总流量从1.36增至13.56毫升/分时，所获得的流束总数和每流束的流量如下。

(A、B、C、D分别标示各流量)：

总流量总流束每流束的流量毫升/分 (毫升/小时)流束A 1.36 12 6.8B 1.97 12 9.8C 5.09 11 27.8D 13.56 9 90.4

当增加上述各流束的流率时，流束长度似乎变长些，在流束间断成液珠前，流束直径也大些。较低的两个流率(A和B)处于电喷射范围，而较高的两个流率(C和D)则趋于或处于谐振喷射范围。

在不脱离本发明范畴和精神的前提下，本发明的各种改型和变更对本领域的技术人员而言是易于理解的。

Claims

1.一种用于电喷射涂敷工艺的电喷射涂敷头系统(10)，其特征在于包括：

a)一个将液体(13)分配给下部成形装置(15)的计量部分(11)；和

b)一个置于所述计量部分下方的下部成形装置(15)，该下部成形装置使由计量部分分配来的液体从所述计量部分流到所述下部成形装置，环绕所述下部成形装置建立起一层分配液体，该层液体具有单一、连续并基本上恒定的局部曲率半径，使得从所述下部成形装置延伸出的液体流束(40)的数目和位置可随施加于下部成形装置周围的液体表面的电势之高低而变化，以及使所述液体流束在特定的电位下在空间上暂时固定，从而产生均匀的高荷电的液珠雾。

2.如权利要求1的涂敷头系统，其特征在于：所述计量部分(11)包括一个细长元件(16)，该元件具有限定接收液体的贮液腔的内壁(17)，和一个沿元件的长度从所述贮液腔延伸至外孔(22)的缝隙(20)。

3.如权利要求1的涂敷头系统，其特征在于：所述下部成形装置(15)包括细长的线状元件的一部分。

4.如权利要求3的涂敷头系统，其特征在于：所述线状元件包括导电的金属线。

5.如权利要求1的涂敷头系统，其特征在于：所述计量部分(11)包括一个细长的叶片状元件，该元件包括具有上部分和一个底部的两个相对的侧壁，两个侧壁至少为待分配的液体的连续液流提供一条从上部至底部、并达到下部成形装置(15)的液流通路，形成一均匀不间断的与下部成形装置相接的液体帘(27)。

6.如权利要求1的涂敷头系统，还包括位于下部成形装置(15)上的端点形成结构(78)，该端点形成结构将润湿线固定在下部成形装置(15)的相对的两个端头。

7.如权利要求1的涂敷头系统还包括位于计量装置上的端点形成结构(77)，该端点形成结构将润湿线固定在计量装置(11)的相对的两个端头。

8.如权利要求1的涂敷头系统，还包括至少一个导电的构件，其电势比下部成形装置(15)周围的液体低，该构件紧靠着下部成形装置(15)放置。

9.如权利要求8的涂敷头系统，其特征在于下列之一：

a)该导电构件包括一个导电棒(54)，或

b)该导电构件包括一个导电板。

10.如权利要求9的涂敷头系统，其特征还在于：该导电构件具有一非导电的外表面涂层。

11.如权利要求1的涂敷头系统，其特征在于：所述分配液体在计量部分(11)和下部成形装置(15)之间形成一液体帘(27)，该液体帘(27)在横截面上的最小厚度小于所述下部成形装置(15)的直径。

12.一种可变控制均匀发射施于电喷射涂敷工艺中作涂敷材料的液体的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

a)提供一个将液体分配给下部成形装置(15)的计量部分(11)；

b)将一个下部成形装置(15)放置于所述计量部分(11)的下方，致使分配的液体帘(27)从所述计量部分流到所述下部成形装置以便环绕所述下部成形装置建立起一层分配液体，该层液体具有单一的连续且基本上恒定的局部曲率半径，以便所述从下部成形装置(15)延伸出的液体流束(40)的数目和位置可随施加于下部成形装置周围的液体表面的电势之高低而变化；以及

c)调节施加于液体表面的电势，以便由一特定的电势产生所需要的所述液体流束的数目和位置，以及因而在特定的电势下，使所述液体流束在空间上暂时固定，以产生一个均匀的高荷电的液珠雾。

13.如权利要求12的方法，其特征还在于：均匀的雾珠数目密度通过调节施加于下部成形装置(15)的液体表面的电势得以控制。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：

将雾流引向可移动的底面上的选定的淀积位置。

15.如权利要求14的方法，其特征在于还至少包括下列步骤之一：

a)加热所述淀积在基底(43)上的液体；或

b)固化所述淀积在基底(43)上的液体。

16.如权利要求12的方法，其特征还在于：所述分配液体在计量部分(11)和下部成形装置(15)之间形成一液体帘(27)，该液体帘(27)在横截面上的最小厚度小于所述下部成形装置(15)的直径。