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BEREICH DER
TECHNIK
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Diese
Erfindung betrifft ein elektrostatisch unterstütztes Beschichtungsverfahren
und eine Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung den Einsatz
elektrostatischer Felder an der Stelle, an der das Beschichtungsfluid
eine sich bewegende Bahn berührt,
um eine verbesserte Gleichförmigkeit
des Beschichtungsprozesses zu erreichen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Beschichten
ist der Prozess, bei dem das Gas, das an einem Substrat, üblicherweise
einer festen Oberfläche,
wie z.B. einer Bahn, angrenzt, durch eine oder mehrere Fluidschichten
ersetzt wird. Eine Bahn ist ein relativ langes, biegsames Substrat
oder ein Materialbogen, wie z.B. ein Kunststofffilm, Papier oder
synthetisches Papier oder eine Metallfolie oder einzelne Teile oder
Bögen.
Die Bahn kann ein Endlosband sein. Ein Beschichtungsfluid ist funktionell nützlich,
wenn es auf die Oberfläche
eines Substrats aufgebracht wird. Beispiele für Beschichtungsfluide sind
Flüssigkeiten
zum Ausbilden von Fotoemulsionsschichten, Ablöseschichten, Grundierschichten, Basisschichten,
Schutzschichten, Gleitmittelschichten, magnetischen Schichten, Klebschichten,
dekorativen Schichten und Farbschichten.
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Nach
dem Aufbringen kann eine Beschichtung ein Fluid bleiben, wie zum
Beispiel beim Aufbringen von Schmieröl auf Metall in der Metallwickelbandverarbeitung
oder beim Aufbringen chemischer Reaktionsmittel, um eine Substratoberfläche zu aktivieren
oder chemisch umzuformen. Alternativ kann die Beschichtung getrocknet
werden, wenn sie ein flüchtiges
Fluid enthält,
um einen festen Überzug,
wie z.B. einen Anstrich, zu hinterlassen, oder sie kann ausgehärtet oder
auf irgendeinem anderen Wege zu einer Funktionsschicht, wie z.B.
einer Ablöseschicht, verfestigt
werden, an welcher ein Haftklebstoff nicht zu fest haftet. Verfahren
zum Aufbringen von Beschichtungen werden besprochen in E.D. Cohen, E.B.
Gutoff, Modern Coating and Drying Technology, VCH Publishers, New
York 1992 und D. Satas, Web Processing and Converting Technology
and Equipment, Van Vorstrand Reinhold Publishing Co., New York 1984.
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Die
Aufgabe eines Präzisionsbeschichtungsauftragens
besteht in der Regel im gleichmäßigen Aufbringen
eines Beschichtungsfluids auf ein Substrat. Bei einem Bahnbeschichtungsprozess
durchläuft eine
sich bewegende Bahn eine Beschichtungsstation, wo eine Schicht oder
Schichten eines Beschichtungsfluids auf mindestens einer Oberfläche der Bahn
abgeschieden wird. Die Gleichförmigkeit
des Beschichtungsfluidauftrags auf der Bahn wird durch viele Faktoren,
einschließlich
der Bahngeschwindigkeit, der Bahnoberflächenkenngrößen, der Viskosität des Beschichtungsfluids,
der Oberflächenspannung des
Beschichtungsfluids und der Dicke des Beschichtungsfluidauftrags,
beeinflusst.
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Elektrostatische
Beschichtungsauftragungen werden im Druck- und Fotografiebereich
verwendet, wo Walzen- und Gleitbeschichter überwiegen und leitfähige Fluide
niedriger Viskosität
eingesetzt werden. Obwohl die an das Beschichtungsgebiet angelegten
elektrostatischen Kräfte
das Eindringen mitgeführter
Luft verzögern
können
und einen Durchlauf mit höheren
Bahngeschwindigkeiten ermöglichen,
ist das elektrostatische Feld, welches das Beschichtungsfluid an
die Bahn anzieht, ziemlich ausgedehnt. Ein bekanntes Verfahren für den Einsatz
elektrostatischer Felder verwendet ein Voraufladen der Bahn (Aufbringen
von Ladungen auf die Bahn vor der Beschichtungsstation). Ein anderes
bekanntes Verfahren verwendet eine angeregte Stützwalze unter der Bahn an der
Beschichtungsstation. Verfahren zum Voraufladen der Bahn umfassen
das Koronadrahtaufladen und Ladungsbürsten. Verfahren zum Erregen einer
Stützwalze umfassen
leitfähige
Walzen auf einem erhöhten
elektrischen Potential, nicht leitfähige Walzenoberflächen, die
voraufgeladen sind, und an Spannung gelegte halbleitende Walzen.
Diese Verfahren übertragen
zwar elektrostatische Ladungen auf den Beschichtungsbereich, sie
bilden jedoch kein stark fokussiertes elektrostatisches Feld am
Beschichter aus. Für
die Vorhangbeschichtung mit einer voraufgeladenen Bahn wird zum
Beispiel das Fluid zur Bahn hin angezogen, und die Gleichgewichtslage der
Fluid/Bahn-Berührungslinie
(Benetzungslinie) wird durch ein Kraftgleichgewicht bestimmt. Das elektrostatischen
Feld zieht das Beschichtungsfluid zur Bahn hin und zieht das Beschichtungsfluid
bahnaufwärts.
Die Bewegung der Bahn erzeugt eine Kraft, welche die Benetzungslinie
bahnabwärts
mitzuführen
versucht. Wenn die anderen Prozessbedingungen konstant bleiben,
führen
somit höhere
elektrostatische Kräfte
oder geringere Liniengeschwindigkeiten dazu, dass die Benetzungslinie
bahnaufwärts
gezogen wird. Wenn es zusätzlich
irgendeine Flussveränderung
im Fluss des Beschichtungsfluids quer zur Bahn gibt, dann werden
gewöhnlich
die unteren Flussbereiche weiter bahnaufwärts gezogen, und die oberen
Flussbereiche werden gewöhnlich
weiter bahnabwärts
gezogen. Diese Gegebenheiten können
eine verringerte Gleichmäßigkeit
der Beschichtungsdicke zur Folge haben. Auch ist die Prozessstabilität geringer
als erwünscht,
weil die Fluid-Berührungslinie
(Benetzungslinie) nicht stabil ist, sondern von einer Anzahl von
Faktoren abhängt.
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Es
gibt viele Patente, welche das elektrostatisch unterstützte Beschichten
beschreiben. Einige betreffen die Besonderheiten beim Beschichten,
andere die Aufladungskenngrößen. Es
folgen einige repräsentative
Patente. Die US-Patentschrift Nr. 3,052,131 legt ein Beschichten
einer wässrigen
Dispersion offen, wobei entweder das Walzenaufladen oder das Voraufladen
der Bahn verwendet wird, die US-Patentschrift Nr. 2,952,559 legt
das Gleitbeschichten von Emulsionen mit einem Voraufladen der Bahn
offen, und die US-Patentschrift Nr. 3,206,323 legt ein Beschichten
eines viskosen Fluids mit einem Voraufladen der Bahn offen.
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Die
US-Patentschrift Nr. 4,837,045 unterrichtet über die Verwendung einer Unterschichtlage
einer niedrigen Oberflächenenergie
für Gelatinen
mit einer Gleichspannung an der Unterstützungswalze. Ein Beschichtungsfluid,
das mit diesem Verfahren verwendet werden kann, umfasst eine Gelatinen-,
Magnet-, Schmier- oder
Klebschicht entweder wasserlöslicher
oder organischer Beschaffenheit. Das Beschichtungsverfahren kann
Gleit-, Walzenwulst-, Sprüh-,
Extrusions- oder Vorhangbeschichten einschließen.
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EP 390774 B1 betrifft
das Hochgeschwindigkeits-Vorhangbeschichten von Fluiden bei Geschwindigkeiten
von mindestens 250 cm/s (492 Fuß/min) unter
Einsatz einer vorher zugeführten
elektrostatischen Ladung und wobei das Verhältnis der Ladungsgröße (Volt)
zur Geschwindigkeit (cm/s) mindestens 1:1 ist.
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Die
US-Patentschrift Nr. 5,609,923 legt ein Verfahren der Vorhangbeschichtung
einer sich bewegenden Unterlage offen, wobei die maximal geeignete
Beschichtungsgeschwindigkeit vergrößert ist. Die Ladung kann vor
dem Beschichtungspunkt oder am Beschichtungspunkt durch eine Stützwalze
aufgebracht werden. Dieses Patent betrifft Verfahren zur Erzeugung
einer elektrostatischen Spannung, die gut bekannt sind, wobei es
sich auf die aufgeführten
Beispiele einer Walze unter dem Beschichtungspunkt oder vorherige
Patente bezieht, wo die Koronaaufladung vor dem Beschichten erfolgt.
Dieses Patent legt auch die Koronaaufladung offen. Das offengelegte Verfahren
besteht darin, die Ladung auf die Bahn mit einer Korona, einer Walze
oder einer Borstenbürste vor
dem Beschichtungspunkt zu übertragen, um
das elektrostatische Feld an der Bahn herzustellen, bevor die Beschichtung
hinzugefügt
wird.
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1 und 2 zeigen
bekannte Verfahren für
elektrostatisch unterstützte
Beschichtungsauftragungen. In 1 bewegt
sich eine Bahn 20 längs
(in Richtung der Pfeile 22) an der Beschichtungsstation 24 vorbei.
Die Bahn 20 weist eine erste Hauptseite 26 und
eine zweite Hauptseite 28 auf. An der Beschichtungsstation 24 verteilt
ein Beschichtungsfluid-Applikator 30 einen Beschichtungsfluidstrom 32 seitwärts auf
der ersten Seite 26 der Bahn 20. Dementsprechend
trägt die
Bahn 20 stromab von der Beschichtungsstation 24 eine
Beschichtung 34 des Beschichtungsfluids 32.
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In 1 ist
eine elektrostatische Beschichtungshilfe für den Beschichtungsprozess
vorgesehen, indem bei einer Ladungsübertragungsstation 36,
die in Längsrichtung
in einem Abstand stromauf von der Beschichtungsstation 24 angeordnet
ist, elektrostatische Ladungen auf die erste Seite 26 der Bahn 20 aufgebracht
werden (die Ladungen könnten alternativ
auch auf die zweite Seite 28 aufgebracht werden). An der
Ladungsübertragungsstation 36 bringt
ein seitwärts
angeordneter Koronaentladungsdraht 38 positive (oder negative)
elektrische Ladungen 39 auf die Bahn 20 auf. Der
Draht 38 kann sich entweder an der ersten oder der zweiten
Seite der Bahn 20 befinden. Das Beschichtungsfluid 32 ist
geerdet (z.B. durch Erden des Beschichtungsfluid-Applikators 30)
und wird an der Beschichtungsstation 24 elektrostatisch
an die aufgeladene Bahn 20 angezogen. Eine seitwärts angeordnete
Luftsperre 40 kann angrenzend und stromauf von der Beschichtungsstation 24 angeordnet
sein, um den Störeinfluss
der Luft auf die Bahnoberflächenschicht
an der Beschichtungsfluid-Bahn-Grenzfläche 41 zu verringern.
Der Koronadraht könnte
im freien Raum entlang der Bahn angeordnet werden (wie in 1 dargestellt
ist) oder könnte
angrenzend an der ersten Seite der Bahn ausge richtet werden, während die
Bahn eine Stützwalze
an der Beschichtungsstation berührt.
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2 zeigt
ein anderes bekanntes elektrostatisch unterstütztes Beschichtungssystem.
In dieser Anordnung unterstützt
eine Stützwalze 42 mit
einem vergleichsweise großen
Durchmesser die zweite Seite 28 der Bahn 20 an
der Beschichtungsstation 24. Die Stützwalze 42 kann eine
geladene dielektrische Walze, eine an Spannung gelegte halbleitende Walze
oder eine leitfähige
Walze sein. Die leitfähigen und
die halbleitenden Walzen können
durch eine Hochspannungsversorgung aufgeladen werden. Bei einer
dielektrischen Walze kann die Walze durch geeignete Mittel, wie
z.B. eine Korona-Aufladeanordnung 43, aufgeladen werden.
Unabhängig
vom Typ der Stützwalze 42 oder
von deren Auflademitteln ist deren äußere zylindrische Fläche 44 darauf
eingestellt, die elektrischen Ladungen 39 auf die zweite Seite 28 der
Bahn 20 zu übertragen.
Wie in 2 dargestellt ist, sind die elektrischen Ladungen 39 von der
Stützwalze 42 positive
Ladungen, und das Beschichtungsfluid 32 ist durch Erden
des Beschichtungsfluid-Applikators 30 geerdet. Dementsprechend wird
das Beschichtungsfluid 32 elektrostatisch an die Ladungen
angezogen, die auf der Grenzfläche
zwischen der Bahn 20 und der äußeren zylindrischen Fläche 44 der
Walze 42 sitzen. Die Luftsperre 40 verringert
den Störeinfluss
der Luft auf die Bahnoberfläche
an der Beschichtungsfluid-Bahn-Grenzfläche 41.
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Die
bekannten elektrostatisch unterstützten Beschichtungsanordnungen,
wie z.B. die in 1 und 2 dargestellten,
unterstützen
den Beschichtungsprozess, indem sie das Einsetzen der Luftmitführung verzögern und
die Benetzungscharakteristiken an der Beschichtungs-Benetzungslinie
verbessern. Sie führen
der Bahn jedoch Ladungen an einem Ort weit stromauf von der Benetzungslinie
zu und erzeugen ziemlich ausgedehnte elektrische Felder. Sie sind
weitgehend unwirksam für
das Aufrechterhalten einer geraden Benetzungslinie, wenn es Schwankungen
des Beschichtungsflusses quer zur Bahn oder Schwankungen des elektrostatischen
Feldes quer zur Bahn gibt. Zum Beispiel kann sich in einem Vorhangbeschichter,
wenn irgendwo über
den Vorhang hinweg ein lokalisierter Bereich mit einem starken Beschichtungsfluidfluss
auftritt, die Benetzungslinie in diesem Bereich stärkerer Beschichtung
in Abhängigkeit
von Material- oder Prozessparametern bahnabwärts bewegen. Das kann besonders
für Fluide, die
elastische Merkmale aufweisen (die stärker elastischen Fluide weisen
eine hohe Dehnungsviskosität mit
Bezug auf die Scherung auf), wegen der Belastung und Deformation
am Vorhang eine durchgängig stärkere Beschichtung
in diesem Bereich erzeugen. Ist außerdem das elektrostatische
Feld nicht homogen (z.B. beim Vorliegen einer Inhomogenität durch Korona-Bahn-Voraufladen),
dann ermöglicht
der Bereich auf der Bahn mit einer niedrigeren Spannung eine Bewegung
der Benetzungslinie in diesem Bereich bahnabwärts, so dass sich das Beschichtungsgewicht
in diesem Bereich erhöht.
Diese Effekte werden zunehmend dominant, wenn die Fluidelastizitäten anwachsen.
Somit erzeugen Fluidflussschwankungen quer zur Bahn und elektrostatische
Feldschwankungen quer zur Bahn eine Ungleichförmigkeit in der Benetzungslinie
und im Ergebnis das Aufbringen einer nicht gleichmäßigen Beschichtung
auf der Bahn.
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Keine
der bekannten Vorrichtungen oder Verfahren für das elektrostatisch unterstützte Beschichten
legt eine Technik offen, von einem elektrischen Feldapplikator aus
ein fokussiertes elektrisches Feld an die Bahn an der Beschichtungsstation anzulegen,
um die Kenngrößen der
aufgetragenen Fluidbeschichtung zu verbessern und auch verbesserte
Prozessbedingungen zu erreichen. Es gibt einen Bedarf an einer elektrostatisch
unterstützten
Beschichtungstechnik, die ein stärker
fo kussiertes elektrisches Feld auf die Bahn an der Beschichtungsstation
wirken lässt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Fluidbeschichtung
auf ein Substrat, wie es in dem angefügten Anspruch 1 festgelegt
ist. Das Substrat weist eine erste Oberfläche auf dessen erster Seite
und eine zweite Oberfläche
auf dessen zweiter Seite auf. Das Verfahren schließt ein Bereitstellen
einer longitudinalen Relativbewegung zwischen dem Substrat und einer
Fluid-Beschichtungsstation sowie das Ausbilden einer Fluid-Benetzungslinie
durch Einleiten eines Fluidstromes unter einem Winkel von 0 Grad
bis einschließlich
180 Grad auf die erste Seite des Substrats längs eines seitwärts angeordneten
Fluid-Bahn-Berührungsbereiches
an der Beschichtungsstation ein. Von einem wirksamen elektrischen
Feld, das von einem Ort auf der zweiten Seite des Substrats ausgeht,
der im Wesentlichen bei und stromab von der Fluid-Benetzungslinie
liegt, wird eine elektrische Kraft auf das Fluid erzeugt, ohne dass
es erforderlich ist, elektrische Ladungen auf das Substrat zu übertragen,
solange das Fluid durch die elektrischen Kräfte an die erste Oberfläche des
Substrats angezogen wird, und wobei zum Festlegen des wirksamen
elektrischen Feldes ein elektrischer Feldapplikator vorgesehen werden
kann, der mindestens einen Stab oder einen leitfähigen Streifen oder ein leitfähiges Bauteil
aufweist, die alle einen radialen Anteil mit einem Radius nicht
größer als
1,27 cm aufweisen.
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Der
Erzeugungsschritt umfasst das elektrische Erregen einer Elektrode
auf der zweiten Seite des Substrats, um das wirksame elektrische
Feld aus elektrischen Ladungen auszubilden. In einer Ausführungsform
ist das wirksame elektrische Feld durch einen Anteil der Elektrode festgelegt,
der einen Radius von nicht mehr als 0,63 cm aufweist.
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Das
Substrat kann an seiner zweiten Seite an die Fluid-Beschichtungsstation
angrenzend abgestützt
werden, oder es kann durch die Elektrode selbst abgestützt werden.
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Der
Fluidstrom kann mit einem Fluid-Beschichtungsverteiler, wie z.B.
einem Vorhangbeschichter, einem Wulstbeschichter, einem Extrusionsbeschichter,
Trägerfluid-Beschichtungsverfahren, einem
Gleitbeschichter, einem Messerbeschichter, einem Strahlbeschichter,
einem Kerbstab, einem Walzenbeschichter oder einem Fluidlagerbeschichter
ausgebildet werden. Der Beschichtungsfluidstrom kann tangential
auf die erste Oberfläche
des Substrats aufgebracht werden.
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Die
elektrischen Ladungen der Elektrode können eine erste Polarität aufweisen,
und zweite elektrische Ladungen (die eine zweite, entgegengesetzte
Polarität
aufweisen) können
dem Fluidstrom zugeführt
werden, bevor der Fluidstrom auf das Substrat aufgebracht wird.
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Der
Erzeugungsschritt kann ein elektrisches Erregen einer Elektrode
und auch ein akustisches Erregen der Elektrode einschließen. In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Elektrode bei Ultraschallfrequenzen akustisch erregt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auch als ein Verfahren zum Aufbringen einer Fluidbeschichtung
auf ein Substrat festgelegt, wobei das Substrat eine erste Seite
und eine zweite Seite aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren
schließt
ein, dass eine longitudinale Relativbewegung zwischen dem Substrat
und einer Fluid-Beschichtungsstation vorgesehen
ist. Ein Fluidstrom wird unter einem Winkel von 0 Grad bis einschließlich 180
Grad auf die erste Seite des Substrats aufgebracht, um eine Fluid-Benetzungslinie
entlang eines seitwärts angeordneten
Fluid-Bahn-Berührungsbereiches
an der Beschichtungsstation auszubilden. Die Erfindung schließt außerdem ein,
dass das Fluid durch elektrische Kräfte von einem wirksamen elektrischen
Feld, das von einem Ort auf der zweiten Seite des Substrats ausgeht,
an die erste Seite des Substrats an einem Ort auf dem Substrat angezogen
wird, der im Wesentlichen bei und stromab von der Fluid-Benetzungslinie
aus liegt.
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Die
Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfluids
auf ein Substrat, welches eine erste Oberfläche auf dessen erster Seite
und eine zweite Oberfläche
auf dessen zweiter Seite aufweist, wie in dem angefügten Anspruch
12 festgelegt ist. Die Vorrichtung enthält auch Mittel zum Verteilen
eines Beschichtungsfluidstroms auf die erste Oberfläche des
Substrats, um eine Fluid-Benetzungslinie entlang eines seitwärts angeordneten
Fluid-Berührungsbereiches
auszubilden. Ein Feldapplikator, der sich seitwärts über die zweite Seite des Substrats
hinweg (im Allgemeinen gegenüber
der Fluid-Benetzungslinie) erstreckt, trägt elektrische Ladungen und
erzeugt ein wirksames elektrisches Feld an einem Ort auf dem Substrat,
der im Wesentlichen bei und stromab der Fluid-Benetzungslinie liegt,
um das Fluid an die erste Oberfläche
des Substrats anzuziehen. Das wirksame elektrostatische Feld geht
in erster Linie von den elektrischen Ladungen auf dem elektrischen
Feldapplikator und weniger von den elektrischen Ladungen aus, die
auf das Substrat übertragen
werden.
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Der
elektrische Feldapplikator umfasst mindestens einen Stab mit einem
kleinen Durchmesser, einen leitfähigen
Streifen oder ein leitfähiges
Bauteil mit einem radialen Anteil nicht größer als 1,27 cm, um das wirksame
elektrische Feld festzulegen. Ein Luftlager kann sich angrenzend
an den elektrischen Feldapplikator seitwärts über das Substrat hinweg erstrecken,
um die zweite Seite des Substrats mit Bezug auf den Feldapplikator
zu unterstützen
und auszurichten.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können ferner
(Mittel für)
eine akustische Erregung der Elektrode, z.B. bei Ultraschallfrequenzen,
umfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer bekannten elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung,
in der Ladungen von einem Koronadraht bahnaufwärts auf die sich bewegende
Bahn aufgebracht werden, bevor sie in eine Beschichtungsstation
einläuft.
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2 ist
eine schematische Ansicht einer bekannten elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung,
in der Ladungen von einer Stützwalze
unter der sich bewegenden Bahn an der Beschichtungsstation auf die
sich bewegende Bahn aufgebracht werden.
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der elektrostatisch
unterstützten Beschichtungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung, in der das elektrostatische Feld in
Verbindung mit einer Luftlageranordnung bestimmt wird durch eine
seitliche Elektrode, die an die Beschichtungsfluid-Benetzungslinie
angrenzt.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
der Luftlageranordnung mit der Elektrode von 3.
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5 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht eines Teilbereichs von 2, welche
die aufgebrachten elektrostatischen Ladungen und die Feldlinien
veranschaulicht.
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6 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht eines Teilbereichs von 3, welche
die elektrostatischen Feldlinien des wirksamen elektrostatischen
Feldes veranschaulicht.
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7 ist
die schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der elektrostatisch
unterstützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die eine Anwendung
für deren
Einsatz in der tangentialen Vorhangbeschichtung veranschaulicht.
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8 ist
eine vergrößerte schematische Darstellung
eines Systems aus Luftlager und elektrostatischer Felderzeugung
mit mehreren Elektroden.
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9 ist
eine schematische Ansicht einer tangentialen Test-Beschichtungsanordnung
mit einer an Spannung gelegten ausgedehnten Walze vom Stand der
Technik.
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10 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der elektrostatisch
unterstützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung in einer weitgehend
tangentialen Beschichtungskonfiguration.
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11 ist
eine vergrößerte schematische Darstellung
der Elektrodenanordnung von 10.
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12 ist
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der elektrostatisch
unterstützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, in der das
wirksame elektrostatische Feld durch eine Stützwalze mit einem Durchmesser
von einem Inch bestimmt wird.
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13 ist
eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen elektrostatischen Feldelektrode, die
mit einem Ultraschalltrichter kombiniert ist.
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14 veranschaulicht
den „dynamischen Berührungswinkel" der Fluidbeschichtung
auf einer Bahn.
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Obwohl
einige der oben dargestellten Zeichnungen für bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ausgelegt sind, werden auch andere Ausführungsformen
in Betracht gezogen, wie in der Diskussion angemerkt ist. In allen
Fällen
stellt diese Offenlegung die Erfindung in repräsentierender und nicht einschränkender
Form dar. Es sollte verständlich sein,
dass durch Fachleute zahlreiche andere Abwandlungen und Ausführungsformen
ausgedacht werden können,
die in den Geltungsbereich und den Sinn der Grundgedanken der Erfindung
hineinfallen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Diese
Erfindung umfasst eine Vorrichtung und ein Beschichtungsverfahren,
das stärker
fokussierte elektrostatische Felder an der Grenzfläche zwischen
einem zu beschichtenden Substrat (z.B. einer Bahn) und einem Fluid-Beschichtungsmaterial,
das auf das Substrat aufgebracht wird, verwendet. Die Erfinder haben
festgestellt, dass stärker
fokussierte elektrostatische Felder den Beschichtungsprozess durch
Stabilisieren, Strecken und Vorschreiben der Lage der Beschichtungsbenetzungslinie
verbessern können,
wodurch sich ausgedehntere Prozessfenster erreichen lassen. Zum
Beispiel erlaubt die Erfindung sowohl einen größeren Bereich von Beschichtungsgewichten,
Beschichtungsgeschwindigkeiten, Beschichtungsgeometrien, Bahnmerkmalen,
wie z.B. dielektrische Durchschlagfestigkeiten, Beschichtungsfluid-Kenngrößen, wie
z.B. Viskosität,
Oberflächenspannung
und Elastizität,
und Gießkopf-Bahn-Zwischenräumen als
auch eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung quer über die
Bahn. Bei dem Vorhangbeschichten ermöglicht die elektrostatische
Beschichtungsunterstützung geringere
Vorhanghöhen
(und folglich eine größere Vorhangstabilität) und erlaubt das
Beschichten von elastischen Lösungen,
welche zuvor nicht ohne mitgeführte
Luft beschichtet werden konnten. Die fokussierten Felder steigern
beträchtlich
die Fähigkeit,
Beschichtungsfluide (insbesondere elastische Fluide) zu verarbeiten,
weil sie die Lage, Linearität
und Stabilität
der Benetzungslinie genauer vorschreiben, was zu einer erhöhten Prozessstabilität führt. Darüber hinaus
können
sogar bei geringeren Liniengeschwindigkeiten dünnere Beschichtungen erzeugt werden,
als es zuvor möglich
war, was für
Prozesse wichtig ist, die durch die Trocknungs- oder Aushärtungsgeschwindigkeit
eingeschränkt
sind.
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Bei
der Extrusionsbeschichtung wurde festgestellt, dass die Elektrostatik
die Verwendung von Fluiden niedriger Elastizität auf Wasserbasis (wie z.B.
einiger Emulsionsklebstoffe auf Wasserbasis) ermöglicht, die ohne Elektrostatik
(im Extrusionsverfahren) nicht extrusionsbeschichtet werden können, wie
sie auch die Verwendung größerer Beschichtungszwischenräume erlaubt.
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Beim
Vorhangbeschichten richtet sich der Fluidstrom auf den Gravitationsvektor
aus, während er
beim Extrusionsbeschichten auf den Gravitationsvektor oder auf andere
Winkel ausgerichtet sein kann. Beim Beschichten mit einem Vorhangbeschichtungsprozess,
in welchem längere
Fluidströme verwendet
werden, umfasst der Beschichtungsschritt ein Verdrängen der
Oberflächenluft
durch das Beschichtungsfluid, und die Hauptkraft basiert auf dem Impuls.
Im Gegensatz dazu hängen
die Hauptkräfte beim
Extrusionsbeschichten, wo der Fluidstrom meist kürzer ist als beim Vorhangbeschichten,
mit der Elastizität
und der Oberflächenspannung
zusammen. Beim Einsatz der Elektrostatik ergibt sich eine zusätzliche
Kraft, welche das Verdrängen
der Oberflächenluft
unterstützen
kann, oder die selbst zur dominierenden Kraft werden kann.
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Obwohl
die Erfindung mit Hinblick auf glatte, kontinuierliche Beschichtungen
beschrieben wurde, kann die Erfindung auch beim Aufbringen diskontinuierlicher
Beschichtungen verwendet werden. Zum Beispiel kann die Elektrostatik
verwendet werden, um beim Beschichten eines Substrats zu helfen,
das eine Makrostruktur, wie z.B. Hohlräume aufweist, die mit der Beschichtung
aufgefüllt
werden, unabhängig davon,
ob es eine Durchgängigkeit
zwischen der Beschichtung in angrenzenden Hohlräumen gibt. In dieser Situation
bleibt die Tendenz zu einer Gleichmäßigkeit der Beschichtung und
einer erhöhten
Benetzbarkeit sowohl in den diskreten Beschichtungsbereichen als
auch von Bereich zu Bereich erhalten.
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Das
Substrat kann eine beliebige Oberfläche eines beliebigen Materials
sein, das beschichtet werden soll, einschließlich einer Bahn. Eine Bahn
kann ein beliebiges blattförmiges
Material, wie z.B. Polyester, Polypropylen, Papier, Gewirke, gewebte
oder nicht gewebte Stoffe, sein. Die verbesserte Benetzbarkeit der
Beschichtung ist insbesondere bei rauen, texturierten oder porösen Bahnen
nützlich,
unabhängig
davon, ob die Poren mikroskopisch oder makroskopisch sind. Obwohl
die dargestellten Beispiele eine Bahn zeigen, die sich an einem
ortsfesten Beschichtungsapplikator vorbeibewegt, kann die Bahn ortsfest sein,
während
sich der Beschichtungsapplikator bewegt, oder sowohl die Bahn als
auch der Beschichtungsapplikator können sich mit Bezug auf einen
festen Punkt bewegen.
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Allgemein
gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer
Fluidbeschichtung auf ein Substrat, wie z.B. eine Bahn, und umfasst
das Bereitstellen einer longitudinalen Relativbewegung zwischen
der Bahn und einer Fluidbeschichtungsstation. Ein Beschichtungsfluidstrom
wird der ersten Seite der Bahn entlang einer seitwärts angeordneten Fluidbenetzungslinie
an einer Beschichtungsstation zugeführt. Das Beschichtungsfluid
wird unter einem beliebigen Winkel von 0 Grad bis einschließlich 180 Grad
zugeführt.
Von einem wirksamen elektrischen Feld wird im Wesentlichen bei und
stromab von der Fluid-Berührungsfläche eine
elektrische Kraft (z.B. ausgehend von einer oder mehreren Elektroden,
die auf der zweiten Seite der Bahn angeordnet sind) auf das Fluid
erzeugt. Es können
negative oder positive Ladungen verwendet werden, um das Beschichtungsfluid
anzuziehen. Das Beschichtungsfluid kann Fluide auf Lösungsmittelbasis,
thermoplastische Fluidschmelzen, Emulsionen, Dispersionen, mischbare und
nicht mischbare Fluidgemische, anorganische Fluide und 100%-Feststoff-Fluide
umfassen. Die Beschichtungsfluide auf Lösungsmittelbasis enthalten Lösungsmittel,
die ihrem Wesen nach wässrig
und auch organisch sind. Es müssen
bestimmte Sicherheitsvorkehrungen eingehalten werden, wenn man es
mit flüchtigen
Lösungsmittel,
die zum Beispiel entflammbar sind, zu tun hat, weil statische Entladungen Gefährdungen,
wie z.B. Feuer oder Explosionen, erzeugen können. Solche Vorkehrungen sind
bekannt und können
die Verwendung einer inerten Atmosphäre in dem Bereich einschließen, wo
statische Entladungen auftreten könnten.
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Anstatt
wie bekannt die Bahn vorher aufzuladen oder ein angeregtes Walzenstützsystem
einzusetzen, verwenden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
eine elektrische Feldquelle, wie z.B. eine schmale leitfähige Elektrode,
die sich an einer Stelle, wo die Fluid-Bahn-Berührungslinie auftreten sollte,
geradlinig in der Richtung quer zur Bahn erstreckt. Die schmale
leitfähige
Elektrode könnte zum
Beispiel ein Stab mit einem kleinen Durchmesser im Bereich von etwa
0,16 – 2,54
cm (0,06 – 1,0 Inch),
der entweder rotiert oder nicht rotiert, ein schmaler leitfähiger Streifen,
ein Bauteil mit einer deutlich ausgeprägten (mit kleinem Radius) Vorderkante
(die Benetzungslinie wird sich im Normalfall in der Nähe der deutlich
ausgeprägten Vorderkante
befinden) oder irgendeine Elektrode mit einer Geometrie sein, die
ein fokussiertes und wirksames elektrisches Feld auf die Benetzungslinie
erzeugt, das im Wesentlichen bei und stromab von der Benetzungslinie
vorliegt. Im Allgemeinen ist das Feld umso stärker fokussiert, je kleiner
der Radius ist. Wird der Radius jedoch zu klein, dann kann sich
verstärkt
eine Korona herausbilden. Stabdurchmesser kleiner als 0,16 cm (0,06
Inch) können
verwendet werden, solange die Spannung nicht hoch genug ist, um
eine merkliche Koronaentladung zu erzeugen. Ist die Entladung zu stark,
dann kann die vorherrschende elektrische Kraft von den Koronaladungen
herrühren,
die auf der zweiten Oberfläche
der Bahn abgeschieden werden. Die Elektrode kann durch eine kleine
Stützstruktur, wie
z.B. ein poröses
Luftpolstermaterial, gestützt werden,
die an die Elektrode seitlich bahnaufwärts und bahnabwärts angrenzt.
Die Bahn kann durch die Luftpolsteroberfläche oder durch die Elektrode
selbst abgestützt
werden. Die Elektrode kann einen geringen Abstand von der Bahn aufweisen
oder die Bahn körperlich
berühren.
Die Elektrode kann auch diskrete, nicht zusammenhängende Stützstrukturen
quer über
die Bahn aufweisen, oder sie kann nur an ihren Enden gelagert werden.
Die Elektrode kann aus einem porösen
leitfähigen
Material bestehen.
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Die
Hauptanziehungskraft für
diese Ausführungsform
kommt von dem elektrostatischen Feld, das von der Elektrode ausgeht,
und nicht von Ladungen, die durch Berührung oder unerwünschte Koronaentladung
auf die Rückseite
der Bahn übertragen wurden.
Wieder wird das Feld so fokussiert, dass es im Wesentlichen (für das Anziehen
des Beschichtungsfluids) bei und stromab von der Bahn-Fluid-Berührungslinie
wirksam ist. Die Elektrode auf der Rückseite der Bahn erzeugt ein
stärker
fokussiertes elektrisches Feld als die bekannten elektrostatischen Beschichtungsunterstützungssysteme.
Da sich das Feld nicht so weit bahnaufwärts wie beim Stand der Technik
(voraufgeladene Bahnen oder angeregte Beschichtungswalzen) erstreckt,
zieht es das Fluid zu einer schärfer
festgelegten Benetzungslinie hin, behält quer über die Bahn ein geradlinigeres
Profil bei und stabilisiert die Benetzungslinie, indem es bestrebt
ist, sie in der Lage festzuhalten. Das bedeutet, dass das normale
Kräftegleichgewicht,
das die Lage der Berührungslinie
vorschreibt, weniger wichtig ist und dass Nichtlinearitäten in der
Benetzungslinie weniger ausgeprägt
sind. Somit haben Prozessschwankungen, wie z.B. Beschichtungsflussraten,
die Gleichförmigkeit
des Beschichtens quer zur Bahn, Bahngeschwindigkeitsschwankungen,
eintretende Bahnladungsschwankungen und andere Prozessschwankungen
einen geringeren Einfluss auf den Beschichtungsprozess. Im Normalfall
wird die Vorderflanke des elektrostatischen Feldes umso stärker fokussiert
und die Linearität
der Benetzungslinie umso besser werden, je kleiner der Durchmesser
der Elektrode und je schärfer
die Vorderkante der Elektrodenstruktur bestimmt ist, solange die
unerwünschten
Koronaentladungen auf einem Minimum gehalten werden können.
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Mit
dem fokussierenden Elektrodenfeldsystem wird die Prozessstabilität stark
erhöht.
Läuft ein elektrostatisch
unterstütztes
Beschichtungssystem mit einer spezifischen Geschwindigkeit, Beschichtungsdicke
und Spannung, dann wird im Normalfall durch eine Änderung
einer dieser Variablen die Lage der Benetzungslinie verschoben.
Zum Beispiel verschiebt sich in Abhängigkeit vom Typ des Beschichtungssystems
und vom Beschichtungsfluid die Lage der Benetzungslinie bahnabwärts, wenn
die Geschwindigkeit erhöht,
die Beschichtungsdicke vergrößert oder
die angelegte Spannung verringert wird. Das kann Probleme bei der
Gleichmäßigkeit
der Beschichtung hervorrufen und das Potenzial für ein Mitführen von Luft vergrößern. Das
erfindungsgemäße fokussierende
Feldsystem verringert stark die Empfindlichkeit des Prozesses gegenüber diesen
Parametern und hält
die Benetzungslinie in einer stabileren geradlinigen Lage.
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Beim
Ausführen
der Erfindung können
viele Elektrodenkonfigurationen verwendet werden. 3 zeigt
ein Beispiel, in dem eine sich seitwärts erstreckende Elektrode 100 entlang
der zweiten Seite 28 der Bahn 20 gelagert wird.
Die sich seitwärts
erstreckende Elektrode 100 befindet sich in einem gleichmäßigen und
engen Abstand von der zweiten Seite 28 der Bahn 20 oder
kann sie berühren
und ist in Längsrichtung
in der Nähe
der Beschichtungsstation 24, welche die seitliche Beschichtungsfluid-Bahn-Berührungslinie 52 einschließt. Die
Bahn 20 wird an der Beschichtungsstation 24 z.B.
zwischen einem Paar Stützwalzen 54, 56 gelagert.
Alternativ kann die Bahn 20 an der Beschichtungsstation 24 durch
die Elektrode selbst, ein Luftlager 102 (oder irgendein
geeignetes Gaslager, wie z.B. ein Inertgaslager) oder andere Lagerungen
abgestützt
werden. Ein Beschichtungsfluidstrom 32 wird vom Beschichtungsfluid-Applikator 30 auf
eine erste Oberfläche
auf der ersten Seite 26 der Bahn 20 aufgebracht.
Gemäß Darstellung
kann der Beschichtungsfluid-Applikator 30 geerdet werden,
um das Beschichtungsfluid 32 bezüglich der Elektrode 100 zu
erden. Die Luftsperre 40 kann eine beliebige geeignete
physikalische Sperre sein, die den Einfluss der Oberflächenluftschicht
an der Beschichtungsfluid-Bahn-Grenzfläche oder an dem Punkt, wo sich
der Beschichtungsvorhang ausbildet, begrenzt.
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Die
Elektrode 100 kann zum Beispiel aus einem Stab mit einem
kleinen Durchmesser oder einer anderen leitfähigen Elektrode mit kleinen
Abmessungen (die nicht notwendigerweise rund zu sein braucht) gebildet
werden. Vorzugsweise ist die Elektrode 100, welche das
Luftlager berühren
kann oder nicht, innerhalb des angrenzenden Luftlagers 102 angeordnet.
Das Luftlager 102 stabilisiert die Lage der Bahn und minimiert
die Bahnvibrationen, die sonst einen ungünstigen Einfluss auf die Stabilität und Gleichförmigkeit
des Beschichtens haben. Das Luftlager 102 ist üblicherweise
abgerundet und weist vorzugsweise ein poröses Material 104 auf
(wie z.B. poröses
Polyethylen), das in einer Fluidverbindung mit einer Luftverteilerkammer 106 steht.
Die Luftverteilerkammer 106 wird über eine oder mehrere geeignete
Zuführungen 108 mit
Druckluft versorgt, wie durch den Pfeil 110 dargestellt
ist. Die Luft strömt durch
die Luftverteilerkammer 106 und in die poröse Membran 104 hinein.
Die poröse
Membran 104 weist eine relativ glatte und üblicherweise
abgerundete Auflagefläche 112 auf,
die angrenzend an eine zweite Oberfläche der Bahn 20 an
deren zweiter Seite 28 angeordnet ist. Durch Luftaustritt
unterstützt
die Auflagefläche 112 die
Bahn 20, wenn sie an der Beschichtungsstation 24 und
der Elektrode 100 vorbeiläuft. Obwohl nur ein aktives
Luftlager beschrieben wurde, kann bei ausreichend hohen Bahngeschwindigkeiten
ein passives Luftlager (das nur die Oberflächenluftschicht auf der zweiten
Seite der Bahn als Lagerungsmedium verwendet) funktionieren. Das Luftlager
kann auch eine feste Struktur sein, die als ein Luftlager wirkt,
wenn die Substratgeschwindigkeiten anwachsen und die Oberflächenluftschicht
auf der zweiten Seite der Bahn den Luftlagerungseffekt erzeugt.
Der Spalt zwischen der Luftlagerfläche und der Bahn hängt von
Parametern, wie z.B. dem Radius des Luftlagers, der Zugspannung
der Bahn und der Bahngeschwindigkeit, ab. Es können auch andere bekannte Wege
zum Erzeugen eines Luftlagers, wie z.B. Tragflächenformen, wie sie gewöhnlich beim Trocknen
eingesetzt werden, verwendet werden.
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Die
Ausführungsform
des elektrostatischen Beschichtungsunterstützungssystems von 3 bildet
ein stärker
fokussiertes elektrostatisches Feld an der Fluid-Bahn-Berührungsfläche aus,
welches die Benetzungslinie zu einem geradlinigeren Profil an einer
gewünschte
Stelle zwingt. Die Ausführungsform „arretiert" die Benetzungslinie
in einer stabilen Linie, die sich seitwärts quer über die Bahn erstreckt (verglichen
mit den bekannten weniger effektiven elektrostatischen Beschichtungsunterstützungssystemen von 1 und 2,
welche eine weniger fokussierte elektrostatische Anziehung zwischen
dem Beschichtungsfluid und der Bahn liefern). Das von der Elektrode
ausgehende elektrostatische Feld erzeugt die hauptsächliche
(d.h. wirksame) elektrostatische Anziehungskraft auf das Beschichtungsfluid.
In erster Linie werden keine elektrostatischen Ladungen von der
Elektrode auf die Bahn selbst übertragen.
Vielmehr wird das Beschichtungsfluid durch deren Vorhandensein auf
dem geladenen Bauteil, wie z.B. einer Elektrode auf einem erhöhten Potenzial,
angezogen. Es wird angestrebt, dass keine Ladungen von der Elektrode
auf die Bahn übertragen
werden, obwohl in der Praxis unvermeidlich einige übertragen werden
und den Beschichtungsprozess unterstützen.
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Anstatt
das Beschichtungsfluid 32 zu erden, kann z.B. durch ein
geeignetes Elektrodenbauteil eine entgegengesetzte elektrische Ladung
auf das Beschichtungsfluid 32 übertragen werden. Zusätzlich können die
dem Beschichtungsfluid 32 und der Bahn 20 zugeführten Polaritäten der
elektrischen Ladungen umgekehrt werden. Dieses Verfahren ist insbesondere
dann nützlich,
wenn Fluide mit einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit,
wie z.B. bestimmte 100%-Polymerschmelzen oder aushärtbare 100%-Feststoff-Systeme,
verwendet werden. Zum Beispiel können
für ein
Fluid mit einer geringen Leitfähigkeit
die Ladungen dem Fluid vor dem Beschichtenob durch den Gießkopf oder
durch eine Koronaentladung – zugeführt werden.
Das System kann verwendet werden, wenn ein unzureichendes elektrisches
Angriffsvermögen
wegen des Einsatzes von Fluiden mit einer geringen Leitfähigkeit
beobachtet wird. Die Fähigkeit
des erfindungsgemäßen Systems,
die Fluidbenetzungslinie in einer geradlinigeren Form zu halten,
ergibt eine erhöhte
Gleichförmigkeit
und Stabilität
der Beschichtung.
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Für ein leitfähiges Fluid,
in welchem der Leitungsweg isoliert ist, kann das Gießkopfpotential
erhöht
werden, um die entgegengesetzte Polarität im Fluid zu erzeugen. Alternativ
kann die entgegengesetzte Polarität dem Fluid irgendwo entlang
des leitfähigen,
isolierten Weges (zum Beispiel selbst stromab von der Benetzungslinie)
zugeführt
werden.
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5 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Systems vom Stand der Technik in 2 sowie
der durch die elektrostatischen Ladungen erzeugten Feldlinien 66 mit
Bezug auf das Beschichtungsfluid 32. Für Vorhangbeschichtungsanwendungen
ist die gewünschte
Benetzungslinie gewöhnlich
die schwerkraftbestimmte Beschichtungsfluid-Benetzungslinie (ohne
Einsatz der Elektrostatik), wenn die Bahn ortsfest ist (oder die
anfängliche
Beschichtungsfluid-Benetzungslinie (ohne Einsatz der Elektrostatik),
wenn die Bahn ortsfest ist), und sie ist der obere Totpunkt der
geladenen Walze, wie in den 2 und 5 veranschaulicht
ist. Andere Lagen der Benetzungslinie sind jedoch gebräuchlich
und hängen
vom Typ des Beschichtungsgießkopfes,
den Fluideigenschaften und dem Bahnweg ab. Die Feldlinien 66 zeigen an,
dass für
eine geladene Walze (ähnlich
der Walze 42 in 2) die Kräfte nicht gut fokussiert sind
und die Ladungen Kräfte
auf das Beschichtungsfluid im Wesentlich bahnaufwärts von
der Benetzungslinie (z.B. auf den bahnaufwärts befindlichen Bereich 67) ausüben. Zum
Beispiel üben
die Ladungen für
geladene Walzen, die einen Durchmesser größer als 7,5 cm (3 Inch) aufweisen,
Kräfte
auf das Beschichtungsfluid im Wesentlichen bahnaufwärts von
der gewünschten
Benetzungslinie auf. Wird jedoch die Zufuhr von Ladungen auf die
Bahn stärker
fokussiert, z.B. für
eine Walze mit einem Durchmesser von einem Inch bei der gleichen
Potentialvorgabe, dann üben
die Ladungen keine funktionellen Kräfte auf das Beschichtungsfluid
bahnaufwärts
von der gewünschten
Benetzungslinie aus, welche die Gleichmäßigkeit der Benetzungslinie
nach teilig beeinflussen (d.h, bahnaufwärts sind die Ladungen auf der
Bahn unwirksam mit Bezug auf das Beschichtungsfluid).
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6 ist
eine vergrößerte Ansicht
des erfindungsgemäßen Systems
von 3, in der gezeigt wird, wo das elektrische Feld
das Beschichtungsfluid wirksam anzieht, da es unter der Beschichtungfluid-Berührungslinie
stärker
fokussiert ist. In diesem Falle sind die Feldlinien 69 stärker fokussiert,
so dass sie eine schärfer
begrenzte und geradlinige Benetzungslinie erzeugen, welche die Fluid-Bahn-Berührungslinie
stabilisiert, indem sie bestrebt sind, diese in der Lage quer zum
Bahnlaufweg zu arretieren.
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In
einem erfindungsgemäßen elektrostatischen
Beschichtungsunterstützungssystem,
wie es in 3 dargestellt ist, kann die
Elektrode 100 unmittelbar unter der sich seitwärts erstreckenden
Beschichtungsfluid-Bahn-Benetzungslinie positioniert werden, welche
durch die Platzierung (wie z.B. durch gravitationsbedingten Fall)
des Beschichtungsfluids 32 auf der Bahn 20 bestimmt
ist. Bahnbewegung, Oberflächenspannung
und Grenzschichteffekte auf der ersten Seite der Bahn 20 sowie
die Elastizität
des Beschichtungsfluids 32 können ein Verschieben der Beschichtungsfluid-Bahn-Berührungslinie
bahnabwärts
bewirken. Wegen der starken elektrostatischen Anziehung, die mit
dieser Erfindung erreicht werden kann, bestimmt die Lage der Elektrode 100 die
operative Lage der Benetzungslinie, wenn die Elektrode 100 aktiviert
ist. Somit kann die Lage der Elektrode 100 (stromauf oder
stromab von der anfänglichen
Beschichtungsfluid-Bahn-Berührungslinie)
eine entsprechende Bewegung der Berührungslinie bewirken, weil
sie bestrebt ist, sich selbst auf die gegenüberliegenden anziehenden elektrischen
Ladungen auszurichten. Vorzugsweise wird die Elektrode 100 nicht
mehr als 2,54 cm (1,0 Inch) stromauf oder stromab von der anfänglichen
Beschichtungsfluid-Bahn-Berührungslinie
angeordnet.
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Wie
oben erwähnt
wurde, kann die Elektrode viele Formen haben, aber es ist wesentlich,
dass sie ein wirksames elektrisches Feld für eine hoch fokussierte Anziehung
des Beschichtungsfluids zu einer gewünschten Lage der Benetzungslinie
hin erzeugt. Das kann erreicht werden, indem Anteile der Elektrode
mit bestimmten spezifischen Geometrien ausgebildet werden. Zum Beispiel
kann eine Vorderkante oder eine an die Bahn angrenzende Kante so
ausgebildet werden, dass sie einen spezifisch eingestellten Radius
zum Erzeugen der gewünschten
elektrischen Feldlinien aufweist. In diesem Beispiel weist dieser Anteil
der Elektrode einen Radius von nicht mehr als 1,27 cm (0,5 Inch)
und vorzugsweise einen Radius von nicht mehr als 0,63 cm (0,25 Inch)
auf. Es sind auch andere Feldfokussierungsmittel möglich. Zum Beispiel
könnte
angrenzend an die erste Elektrode eine zusätzliche Elektrode angeordnet
werden, um so das Feld von der ersten Elektrode zu verändern. Die
zweite Elektrode kann an einer beliebigen Stelle angeordnet werden,
einschließlich
stromauf von der ersten Elektrode 100 oder sogar auf der
ersten Seite 26 der Bahn 20, solange wie ihr resultierendes
elektrostatisches Feld den gewünschten
Fokussierungseffekt auf das elektrostatische Feld hat, das von der ersten
Elektrode 100 erzeugt wird. Das Ergebnis der Fokussierung
des elektrostatischen Feldes, das durch die Elektrode 100 erzeugt
wird, ist eine geradlinigere Benetzungslinie, die gegenüber einem
nicht gleichförmigen
Fluidfluss oder Ladungsschwankungen an der Elektrode oder der einlaufenden
Bahn weniger empfindlich ist, wodurch eine gleichmäßigere Beschichtung
und eine größere Prozesstoleranz
gegenüber
Produktionsschwankungen erreicht werden.
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Es
ist verständlich,
dass die Elektrode stromauf oder stromab von der Benetzungslinie
liegen kann, solange wie das wirksame elektrische Feld im Wesentlichen
bei oder stromab von der Fluid-Benetzungslinie anliegt. Zum Beispiel
kann eine Elektrode derart gestaltet werden, dass die Oberflächenladungsdichte
im Wesentlichen bei oder stromab von der Fluid-Benetzungslinie höher ist,
um das wirksame elektrische Feld im Wesentlichen bei oder stromab
von der Fluid-Benetzungslinie zu fokussieren. Alternativ kann das
wirksame elektrische Feld im Wesentlichen bei oder stromab von der
Fluid-Benetzungslinie
fokussiert werden, indem das elektrische Feld stromauf mit einem
leitfähigen
oder nicht leitfähigen
Schirm oder einer Erdungsplatte maskiert wird, wie es zum Beispiel
in der US-Patentanmeldung Serien-Nr., eingereicht am 6. April 2000, über Electrostatically
Assisted Coating Method And Apparatus With Focused Web Charge Field,
von John W. Louks, Nancy J. Hiebert, Luther E. Erickson und Peter
T. Benson (Anwaltsregister Nr. 51113USA4A) beschrieben ist.
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Die
Verwendung einer scharf begrenzten Elektrodenstruktur, die an die
Benetzungslinie angrenzt, um ein wirksames elektrisches Feld bezüglich des
Beschichtungsfluids zu erzeugen, eignet sich auch gut für die tangentiale
Fluidbeschichtung insbesondere mit stärker elastischen Fluiden. In 7 ist eine
tangentiale Beschichtungsvorrichtung dargestellt, die eine solche
Elektrode verwendet (unter Verwendung einer Luftlager/Elektrodenanordnung,
wie sie in 4 dargestellt ist). Mit der
tangentialen Vorhangbeschichtung lassen sich generell Beschichtungsfluide
mit höheren
Dehnviskositäten
verarbeiten, als es mit den horizontalen Vorhangbeschichtungsgeometrien
möglich
ist. Eine tangentiale Beschichtungsgeometrie bietet auch Vorteile,
die mit der Verarbeitung des Beschichtungsfluids im Beschichtungsprozess
verbunden sind. Wenn zum Beispiel ein Bahnabriss in dem Beschichtungssystem, das
in 3 dargestellt ist, auftritt, dann kann die Elektrode
mit dem Be schichtungsfluid beschichtet werden, was eine Ausfallzeit
zum Reinigen des Beschichters zur Folge hat. Wenn außerdem der
Beschichtungsgießkopf
vor dem Start zu säubern
ist, muss eine Auffangwannengeometrie vorhanden sein, was den Beschichtungsstationsaufbau
verkomplizieren kann. Ein weiterer Vorzug des tangentialen Beschichtens
besteht darin, dass eine Steuerung der Vorhangkantenwulst während des
Beschichtens einfacher erreicht werden kann, weil räumliche
Beschränkungen
zwischen dem unteren Ende des Gießkopfes oder Beschichtungsfluid-Applikators 30 und
der Bahnstützstruktur
(z.B. dem Luftlager 102) beseitigt sind.
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8 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
des in 7 gezeigten Luftlagersystems. Für eine bestimmte
Flüssigkeit
gibt es eine optimale Vorhanglänge
für einen
bestimmten Bahngeschwindigkeitsbereich. Im Allgemeinen können höhere Geschwindigkeiten
oder höhere
Beschichtungsgewichte längere
Vorhänge
erfordern, und geringere Geschwindigkeiten oder geringere Beschichtungsgewichte
können
kürzere
Vorhänge
erfordern. Während in 7 nur
eine Elektrode dargestellt ist, hat die in 8 gezeigte
Mehrelektrodenanordnung den Vorteil, dass sie dem Betreiber ermöglicht,
die Vorhanghöhe
durch Anregen der geeigneten Elektrode zu verändern. Zum Beispiel könnte ein
kürzerer
Vorhang für
eine dünnere
Beschichtung oder geringere Bahngeschwindigkeiten verwendet werden,
während ein
längerer
Vorhang für
höhere
Liniengeschwindigkeiten verwendet werden könnte. Statt den Gießkopf nach
unten zu bewegen, um eine kürzere
Vorhanglänge
festzulegen, kann somit die Elektrode 100a angeregt werden,
welche am nächsten
am Gießkopf 30 liegt,
und statt den Gießkopf
nach oben zu bewegen, um eine längere
Vorhanglänge
festzulegen, kann die Elektrode 100b angeregt werden, die vom
Gießkopf 30 am
Weitesten entfernt ist. Die Abstände
der Elektroden können
in Abhängigkeit
von den Fluidkenngrößen und
den gewünschten
Geschwindigkeitsbereichen ausgewählt
werden.
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In
allen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die Bahn an der Beschichtungsstation
einem wirksamen elektrischen Feld von positiven elektrischen Ladungen
ausgesetzt werden, während
das Beschichtungsfluid geerdet wird. Zusätzlich kann eine negative Polung
am Beschichtungsfluid angelegt werden. Ferner ist es möglich, die Polorientierungen
des elektrischen Feldes und der Ladungen, die dem Beschichtungsfluid
zugeführt werden,
umzukehren. 8 veranschaulicht zum Beispiel
eine sich seitwärts
erstreckende Elektrode 120 (wie z.B. einen Koronadraht),
welcher ausgerichtet ist, eine positive Ladung auf das Beschichtungsfluid 32 zu übertragen.
Die Elektrode 120 kann durch eine oder mehrere sich seitwärts erstreckende
Abschirmungen 122 abgeschirmt werden, um ihr Zuführen von
positiven Ladungen 124 auf das Beschichtungsfluid 32 auszurichten
und zu fokussieren. In diesem Beispiel weist die Elektrode 100 auf
der zweiten Seite 28 der Bahn 20 eine negative
Ladung mit Bezug auf die dort vorbeilaufende Bahn 20 auf,
um die gewünschte
elektrostatische Anziehungswirkung zu erzeugen. Die Abschirmungen 122 können aus
einem nicht leitfähigen
oder isolierendem Material, wie z.B. DelrinTM-Acetalharz,
hergestellt von E.I du Pont de Nemours of Wilmington Delaware, oder
aus einem halbleitenden oder leitfähigen Material bestehen, das auf
Erdpotenzial oder einem erhöhten
Potenzial liegt. Die Abschirmungen 122 können in
einer beliebigen Form ausgebildet sein, um die gewünschte elektrische
Abschirmung zu erreichen.
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Die
Nützlichkeit
eines Einsatzes fokussierter Felder an der Fluid-Benetzungslinie,
um eine geradlinigere und stabilere Benetzungslinie zu erreichen, wurde
in einer Reihe von Experimenten nachgewiesen, in denen eine tangentiale
Beschichtung mit einer geladenen Walze eines relativ großen Durchmessers (siehe
z.B. 9) mit einer fokussierenden Versuchselektrodenanordnung (siehe
z.B. 10) verglichen wurde. Das Beschichtungsfluid war
ein aushärtbares
100%-Feststoff-Fluid,
das eine Viskosität
von ungefähr
3.000 Zentipoise aufwies. Es wurde eine Vorhanglänge von ungefähr 4,45
cm (1,75 Inch) verwendet (wobei die Vorhanglänge als der Abstand vom dem
untersten Punkt der Gießkopflippe
zur Fluid-Berührungslinie
gemessen wurde). Es wurde ein Vorhang-Koronaaufladedraht verwendet,
der etwa 3,18 cm (1,25 Inch) vertikal unter der Gießkopflippe und
etwa 7,62 cm (3,0 Inch) horizontal vom herabfallenden Vorhang weg
lag. Die Vorhang-Durchflussmenge wurde so eingestellt, dass sie
bei einer Bahngeschwindigkeit von 91,4 m/min (300 Fuß/min) eine Beschichtungsdicke
von 50 Mikrometer (0,002 Inch) ergab. Das aufgeladene Walzensystem
(9) bestand aus einer Walze 126 mit einem
Durchmesser von 11,3 cm (4,55 Inch) mit einer keramischen Hülse von
0,51 cm (0,2 Inch). Die keramische Oberfläche wurde durch ein Koronadrahtsystem
aufgeladen. Die erfindungsgemäße fokussierenden
Elektrodenanordnung (dargestellt in 11) enthielt
eine nicht leitfähige
Stange 128 mit einer Oberfläche mit einem Radius von 3,18
cm (1,25 Inch). Auf die Stange 128 wurde eine leitfähige Folie 130 geklebt,
wobei eine Vorderkante 132 der leitfähigen Folie 130 etwa
0,25 cm (0,1 Inch) über
dem Tangentenpunkt auf der Stange lag (der Tangentenpunkt ist der
Punkt, wo der Beschichtungsvorhang ohne Einwirkung der Elektrostatik
auf die sich über
den Stab 128 bewegende Bahn treffen würde). Ein nicht leitfähiges Band 131 wies eine
Kante auf, die an die Vorderkante 132 der leitfähigen Folie 130 anstieß. Das fokussierte
Feld wird durch die Vorderkante 132 der leitfähigen Folie 130 erzeugt.
Die Folie 130 wurde unter Verwendung einer negativ gepolten
Hochspannungsversorgung aufgeladen. Für diese Experimente wurden
positiv und negativ gepolte Glassman-Hochspannungsversorgungen der Serie
EH, hergestellt von Glassman High Voltage, Inc. of Whitehouse Station,
New Jersey, eingesetzt.
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Unter
Verwendung des in 9 dargestellten aufgeladenen
Walzensystems wurde der Vorhangauflade-Koronadraht 120 an
negative 20 Kilovolt und der Walzen-Koronaauflader 126 an
positive 20 Kilovolt gelegt. Die Benetzungslinie trat in der Regel etwa
1,27 cm (0,5 Inch) bahnaufwärts
vom Tangentenpunkt auf der Walze auf, der durch eine vertikale Linie
von der Gießkopflippe
zur Walze gebildet wird (bahnaufwärts vom Punkt 134 in 9).
Mit einer Bahngeschwindigkeit von 76 m/min (250 Fuß/min) war
die Benetzungslinie wellig mit einer Gesamtabweichung bahnauf zu
bahnab von 1,27 cm (0,5 Inch). Die dazugehörige gemessene Schwankung der
Beschichtungsdicke betrug etwa 17,9 Mikrometer (0,0007 Inch). Eine
Erhöhung
der Geschwindigkeit auf 91,4 m/min (300 Fuß/min) hatte zur Folge, dass in
der Beschichtung 34 Luft mitgeführt wurde.
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Bei
einer Verwendung des fokussierenden Feldsystems wurden größere Verbesserungen
der Gleichmäßigkeit
der Benetzungslinie und der Beschichtung beobachtet. Die Elektrodenanordnung der 10 und 11 wurde ähnlich zu
der in 7 dargestellten tangential ausgerichtet, aber
mit der unter einem spitzeren Winkel einlaufenden Bahn. An den Vorhangauflade-Koronadraht 120 wurden
positive 20 Kilovolt und an die leitfähige Folie 130 negative 20
Kilovolt gelegt. Bei 91,4 m/min (300 Fuß/min) wurde eine ausgezeichnete
Linearität
der Benetzungslinie mit einer dazugehörigen gemessenen Beschichtungsschwankung
von etwa 3,6 Mikrometer (0,00014 Inch) beobachtet. Diese Experimente
zeigen die Verbesserungen der Linearität der Benetzungslinie und der
Gleichmäßigkeit
der Beschichtungsdicke mit stärker
fokussierenden elektrostatischen Feldern.
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Zwei
Tests, die mit einer Beschichtungsdicke von 50 Mikrometern (0,002
Inch) bei einer Bahngeschwindigkeit von 91,4 m/min (300 Fuß/min) liefen, wurden
mit dem fokussierenden Feldaufbau von 10 und 11 ausgeführt, um
die Prozessempfindlichkeit gegenüber
der Eingangsdurchflussmenge des Beschichtungsfluids und der Gleichförmigkeit des
Stromaufladens zu analysieren. Zuerst wurde in dem Schlitz des Beschichtungsfluid-Applikators 30 ein
seitliches Segment von etwa 0,25 cm (0,1 Inch) blockiert, um in
dem Beschichtungsvorhang 32 einen seitlichen Bereich mit
einer geringen Durchflussmenge zu erzeugen. Als zweites wurde ein
0,33 cm (0,13 Inch) langer seitlicher Abschnitt des Vorhangaufladedrahtes
(Elektrode 120) in einem anderen Bereich abgedeckt, wobei
auf dem Beschichtungsvorhang 32 ein seitlicher Bereich
mit einer reduzierten Ladung erzeugt wurde. War das fokussierende
Feldsystem der Stange 128 aktiviert, dann wurde bei keiner
der beiden eingestellten lateralen Diskontinuitäten eine sichtbare Abweichung
der Beschichtungsfluid-Bahn-Berührungslinie
beobachtet. Ohne fokussiertes Feld würde sich der Vorhang 32 im
Niedrigdurchflussbereich bahnaufwärts durchbiegen, und im Niedrigladungsbereich
würde sich
der Vorhang 32 bahnabwärts
durchbiegen, wobei beide Zustände Ungleichmäßigkeiten
der Beschichtung hervorheben würden.
Dementsprechend ist die Verwendung des elektrostatisch fokussierten
Feldes zum Unterstützen der
Beschichtung sehr wirksam zum Überwinden
von Systemunregelmäßigkeiten
im Beschichtungsfluidvorhang.
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Es
wurden auch quantitative Vergleichsuntersuchungen ausgeführt, um
die Nützlichkeit
des Voraufladens des ankommenden Fluids für eine Erhöhung des Angriffsvermögens des
elektrostatischen Systems auf Fluide mit einer begrenzten elektrischen Leitfähigkeit
zu beurteilen. In diesen Testreihen wurde ein aushärtbares
100%-Feststofffluid auf eine 0,0036 cm (0,0014 Inch) Polyesterbahn
beschichtet. Die Viskosität
des Fluids betrug ungefähr
1.400 Zentipoise. Es wurde eine Gleitvorhang-Gießkopfanlage, wie sie in 12 dargestellt
ist, mit einer leitfähigen Stützwalze 200 mit
einem Durchmesser von lediglich 2,54 cm (1,0 Inch) verwendet, die
mit dem positiven Pol einer Hochspannungsversorgung verbunden wurde.
Der Gießkopf 30 befand
sich unmittel bar über dem
oberen Totpunkt der Walze 200 in einer Höhe von etwa
2,7 cm (1,06 Inch). Es wurde jedoch beobachtet, dass das Angriffsvermögen des
Beschichtungsverfahrens durch die geringe elektrische Leitfähigkeit
des Beschichtungsfluids 32 begrenzt wurde. Um das zu untersuchen,
wurde die Oberfläche
des Beschichtungsfluids 32 mit einer Polarität aufgeladen,
die zu der an Spannung gelegten Stützrolle 200 entgegengesetzt
war. Dafür
wurden zwei Verfahren untersucht und als zweckmäßig erachtet, wobei in einem
das Potential des Gießkopfes 30 erhöht und in dem
anderen ein Koronadraht 220 (und die zugehörigen Abschirmung 222)
verwendet wurde, um die Oberfläche
des Fluids aufzuladen. Das Aufladen des Vorhangs wurde mit einem
Wolfram-Koronadraht mit einem Durchmesser von 0,015 cm (0,006 Inch)
ausgeführt,
der sich etwa 6,35 cm (2,5 Inch) von dem herabfallenden Vorhang
entfernt auf der Seite bahnabwärts
von der Benetzungslinie und etwa 1,27 cm (0,5 Inch) über der
Walzenoberfläche
befand. Die genaue Lage dieses Koronadrahtes 220 war nicht
außerordentlich
entscheidend, und er könnte
an verschiedenen Orten entlang des fallenden Vorhangs, auf der entgegengesetzten
Seite des Vorhangs oder angrenzend an die Gleitfläche des
Gießkopfes 30 angeordnet
werden.
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Diese
Testreihe wurde an dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Beschichtungsunterstützungssystem
von 12 ausgeführt,
um die maximale Beschichtungsgeschwindigkeit zu bestimmen, die bei
einer gegebenen Vorhang-Durchflussmenge (a) ohne Elektrostatik,
(b) allein mit dem erhöhten Walzenpotential
und (c) mit dem erhöhten
Walzenpotential zusammen mit einem Voraufladen des Vorhangs erreicht
werden könnte.
Die Durchflussmenge des Beschichtungsfluids 32 wurde konstant
gehalten und so eingestellt, dass sie bei 91,4 m/min (300 Fuß/min) eine
Trockenbeschichtungsdicke von 14,3 Mikrometer (0,00057 Inch) liefert.
Ohne Elektrostatik trat die Benetzungslinie bei einer Bahngeschwindigkeit
von 3,1 m/min (10 Fuß/min)
um 1,27 cm (0,5 Inch) bahnabwärts
vom oberen Totpunkt der Walze 200 auf. Bei höheren Bahngeschwindigkeiten
verlagerte sich die Benetzungslinie weiter bahnabwärts, wobei
eine gebogene Berührungslinie,
eine Ungleichmäßigkeit
der Beschichtung, eine Luftmitführung
und ein Vorhangbruch erzeugt wurden. Mit der Unterstützungswalze 200,
an die positive 20 Kilovolt angelegt worden waren, trat die Benetzungslinie
bei einer Bahngeschwindigkeit von 24,4 m/min (80 Fuß/min) bei
etwa 0,64 cm (0,25 Inch) bahnabwärts auf.
Eine weitere Geschwindigkeitszunahme erzeugte eine Bewegung der
Benetzungslinie weiter bahnabwärts.
Mit der Walze 200, an die positive 20 Kilovolt angelegt
worden waren, und dem Vorhangauflade-Koronadraht 220 auf
negativen 11 Kilovolt trat die Benetzungslinie bei einer Bahngeschwindigkeit
von 97,5 m/min (320 Fuß/min)
bei etwa 0,64 cm (0,25 Inch) bahnabwärts auf. Diese Tests zeigen
den Nutzen eines Aufladens von Beschichtungsfluiden mit einer geringeren
Leitfähigkeit
als einen Weg zur Verbesserung des Angriffsvermögens der elektrostatischen
Ladungsanziehung des erfindungsgemäßen elektrostatischen Beschichtungsunterstützungssystems.
Eine weitere Reihe von Experimenten wurde an dem elektrostatischen
Beschichtungsunterstützungssystem
von 12 (unter Verwendung des gleichen Beschichtungsfluids)
mit dem Ziel ausgeführt,
die minimale Beschichtungsdicke zu bestimmen, die bei einer Bahngeschwindigkeit
von 91,4 m/min (300 Fuß/min)
erreicht werden konnte. Ohne Elektrostatik (d.h. ohne dass der Walze 200 oder
der Elektrode 220 Ladungen zugeführt wurden), war das verwendete
Pumpensystem nicht in der Lage, ausreichend Beschichtungsfluid 32 für eine minimale Durchflussmenge
bereitzustellen, die benötigt
wird, um die Benetzungslinie zu veranlassen, an der oberen Totpunktlage
der Walze 200 aufzutreten (die Durchflussmenge war nicht
hoch genug, um einen Fluidimpuls zu erzeugen, der benötigt wird,
um die Benetzungslinie zu veranlassen, an der oberen Totpunktlage
der Walze 200 aufzutreten, und um den Vorhang in einer
vertikalen Lage zu halten). Bei dieser Pumprate, die geringer war
als die minimale Beschichtungsdicke, trat die Benetzungslinie etwa
einen Inch bahnabwärts
von der oberen Totpunktlage der Walze 200 auf, wobei sich
eine Beschichtungsdicke von 85 Mikrometer (0,0034 Inch) ergab. Unter Verwendung
der Elektrostatik, wobei sowohl die Stützwalze 200 als auch
der Koronadraht 220 wie in dem vorhergehenden Beispiel
angeregt wurden, waren weit dünnere
Beschichtungen mit einer minimalen Beschichtungsdicke von 6,5 Mikrometer
(0,00026 Inch) möglich,
die mit der Benetzungslinie erreicht wurden, welche hauptsächlich an
der oberen Totpunktlage der Walze 200 auftrat.
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Da
beobachtet wurde, dass die stärker
fokussierten elektrischen Felder geradlinigere und stabilere Beschichtungsfluid-Benetzungslinien
erzeugen, wurde ein tangentiales Beschichtungssystem bewertet, das
eine Vorrichtung mit einem fokussierten Feld ähnlich zu der in 7 dargestellten
verwendet. Die Elektrode 100 in der Luftlageranordnung 102 war
ein Stab mit einem Durchmesser von 0,157 cm (0,062 Inch). Für das erste
Experiment mit dieser Anordnung wurde als ein Beschichtungsfluid
ein aushärtbares
100%-Feststoff-Fluid verwendet, das eine Viskosität von ungefähr 3.700
Zentipoise aufwies. Es wurde eine Vorhanglänge von zwei Inch verwendet (wobei
die Vorhanglänge
als der Abstand vom dem untersten Punkt der Gießkopflippe zum Stab gemessen
wurde). Der Vorhangauflade-Koronadraht 120 war vertikal
etwa 0,75 Inch über
dem Stab angebracht und hatte einen horizontalen Abstand vom Stab
von etwa 2,25 Inch. An die Stabelektrode wurden negative 16 Kilovolt
und an den Vorhangauflade-Koronadraht positive 10 Kilovolt angelegt.
Die Anordnung aus den beiden Walzen und dem Luftlager wurde so ausgerichtet,
dass die Bahn 20 mit dem Beschichtungsfluid 32 unter
einem Winkel von ungefähr 10
Grad gegenüber
der Vertikalen in Berührung kommt.
Bei einer Bahngeschwindigkeit von 250 Fuß pro Minute wurde mit einer
geradlinigen und stabilen Be rührungslinie
eine 50 Mikrometer (0,002 Inch) dicke Beschichtung erzeugt. Die
Beschichtungsdickeschwankung, die sich aus den Benetzungslinienschwankungen
ergab, betrug nur etwa 2 Mikrometer (0,00008 Inch). Die elektrostatische
Beschichtungsunterstützung
minimierte somit die Prozessschwankungen und erhöhte die Gleichmäßigkeit
der Beschichtung.
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In
den US-Patentschriften Nr. 5,262,193 und 5,376,402 wird offengelegt,
dass ein akustische Anregen der Anfangskontaktlinie zwischen dem
Beschichtungsfluid und der Bahn während der Beschichtung die
Gleichmäßigkeit
und Benetzbarkeit des Beschichtungsfluids erhöht. Die Erfinder haben festgestellt,
dass die gleichzeitige Einwirkung von sowohl akustischen als auch
elektrischen Feldern eine zusätzliche
Auswirkung auf die erwünschten
Kräfte auf
die Benetzungslinie hat. 13 veranschaulicht zum
Beispiel einen Test, der ausgeführt
wurde unter Verwendung einer Hohlnadel 225 mit einem Innendurchmesser
von 0,076 cm (0,03 Inch) als Beschichtungsgießkopf und einer kombinierten
Ultraschall- und elektrostatischen Elektrode 228 unter
der zweiten Seite 28 der Bahn 20. Die kombinierte
Elektrode besteht aus einem Ultraschalltrichter 230, der
auf seiner Trichterfläche 232 nicht
leitfähige
Polyesterbandschichten 234 und eine leitfähige Aluminiumbandschicht 236 aufweist.
Wie dargestellt ist, ist die Nadel 225 senkrecht zur Trichterfläche 232 auf
der ersten Seite 26 der Bahn 20 ausgerichtet,
und der Trichter 230 befindet sich auf der zweiten Seite 28 der
Bahn 20, ähnlich
zu der in 3 dargestellten Ausrichtung, wobei
sich die Bahn 20 über
das Aluminiumband 236 auf der Trichteroberfläche 232 hinwegbewegt.
Die Nadel 225 ist so ausgerichtet, dass sie einen Beschichtungsfluidstrom 238 auf
die erste Oberfläche der
Bahn 20 gegenüber
der Elektrode 228 verteilt. Bei der Fluidbeschichtung ist
der „dynamische
Berührungswinkel" oder „DCA" ein Maß für den Widerstand
des Beschichtungssystems gegenüber
einem Ausfall infolge Luftmitführung.
Im Allgemeinen nimmt der dynamische Berührungswinkel (siehe 14) mit
zunehmender Bahngeschwindigkeit zu, bis die Luftmitführung üblicherweise
in der Nähe
von 180 Grad auftritt.
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Das
Anwenden von Ultraschall- oder elektrostatischen Kräften verringert
den dynamischen Berührungswinkel.
Der Ultraschall-Aluminiumtrichter war 1,91 cm (0,75 Inch) breit
mit einem Radius von 1,27 cm (0,5 Inch). Die eingesetzte Frequenz
betrug 20.000 Kilohertz, und die Amplitude von Spitzenwert zu Spitzenwert
war 20 Mikrometer (0,0008 Inch). Die elektrostatische Elektrode
wurde hergestellt, indem zwei Schichten aus einem Klebeband (Polyester 234)
mit einer äußeren Schicht
aus einem Aluminiumband 236, die an eine positive Hochspannungsversorgung
gelegt wurde, verbunden wurden. Das Beschichtungsfluid 238 war
eine Glyzerin-Wasser-Lösung mit
einer Viskosität
von 100 Zentipoise. Es wurde festgestellt, dass der „dynamische
Berührungswinkel" bei einer Bahngeschwindigkeit
von 3m/min (10 Fuß/min)
ohne Elektrostatik oder Ultraschall 135 Grad betrug, wohingegen
er durch Ultraschall allein auf 105 Grad verringert wurde; bei einem alleinigen
Einsatz eines elektrostatischen Feldes wurde er auf 90 Grad verringert,
und mit gleichzeitig angewendeten elektrostatischen und Ultraschallkräften wurde
er auf 70 Grad reduziert, was die additiven Einflüsse der
beiden Beschichtungsunterstützungskräfte zeigt.
Wurde die Bahngeschwindigkeit ohne Ultraschall und Elektrostatik
auf 30 m/min (100 Fuß/min)
erhöht,
dann wuchs der Kontaktwinkel auf etwa 160 Grad an, wobei Luftmitführung auftrat.
Mit Elektrostatik allein betrug der dynamische Kontaktwinkel bei
einer Bandgeschwindigkeit von 30 m/min (100 Fuß/min) nur 110 Grad. Mit Ultraschall
allein betrug der dynamische Kontaktwinkel auch nur 110 Grad. Wurden
sowohl Ultraschall als auch Elektrostatik eingesetzt, dann wurde
der dynamische Kontaktwinkel auf 100 Grad verringert, was ein weiteres
Mal die additiven Einflüsse
der beiden Beschichtungs unterstützungskräfte zeigt.
Um den Einfluss der äußeren Kräfte zu veranschaulichen,
welche den dynamischen Kontaktwinkel über der Beschichtungsgeschwindigkeit
verringern, war der „dynamische
Kontaktwinkel" bei
einer Bandgeschwindigkeit von 3 m/min (10 Fuß/min) ohne Elektrostatik oder
Ultraschall 135 Grad, wohingegen allein mit der Elektrostatik der „dynamische
Kontaktwinkel" nicht über 135 Grad
anwuchs, bis eine Bandgeschwindigkeit von 76 m/min (250 Fuß/min) erreicht
wurde. Die Vorteile des akustischen Anregens können ebenso gut bei anderen
Frequenzen, einschließlich
von sowohl Hörschall-
als auch Ultraschallfrequenzen, erreicht werden.
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Die
Vorteile einer Kombination von Akustik und Elektrostatik in einer
Beschichtungsumgebung sind nicht auf die spezifische, oben detailliert
dargestellte Anwendung beschränkt.
Die vorteilhaften zusätzlichen
Effekte, wenn das Beschichtungsfluid angrenzend an die Beschichtungsstation
elektrischen und akustischen Kräften
ausgesetzt wird, werden in vielen Beschichtungsanwendungen gefunden.
Selbst wenn zum Beispiel das elektrostatische System und das Ultraschallsystem
dort eingesetzt werden, wo die Kräfte nicht im Wesentlichen an
oder bahnabwärts von
der Fluidlinie anliegen, können
Zunahmen erwünschter
Effekte, wie z.B. einer verringerten Luftmitführung und höherer Beschichtungsgeschwindigkeiten,
festgestellt werden. Wenn jedoch die Elektrostatik oder der Ultraschall
(oder beide) so konfiguriert werden, dass die Kräfte im Wesentlich an oder stromab
von der Fluid-Berührungsfläche angreifen,
können
weitere Verbesserungen erreicht werden. Der Einsatz sowohl eines
elektrostatischen Feldes als auch eines akustischen Feldes angrenzend
an die Fluid-Benetzungslinie, um das Beschichtungsfluid an das zu
beschichtende Substrat anzuziehen, ergibt erhebliche Vorteile und
ist weder in der Struktur noch in der Methodik auf die spezifischen
elektrostatischen und akustischen Ausführungsformen und Kraftapplikatoren,
die hier offengelegt sind, beschränkt.
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Durch
Bezugnahme ist hier auch die US-Patentanmeldung Serien-Nr. **, eingereicht
am 6. April 2000, über
Electrostatically Assisted Coating Method And Apparatus With Focused
Web Charge Field, by John. W. Louks, Nancy J. Hiebert, Luther E.
Erickson und Peter T. Benson (Anwaltsregister Nr. 51113USA4A)),
eingeschlossen.