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FACHGEBIET
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Diese
Erfindung betrifft ein elektrostatisch unterstütztes Beschichtungsverfahren
und Vorrichtung. Genauer betrifft die Erfindung die Benutzung von
elektrischen Feldern an dem Punkt des Beschichtungsfluidkontakts
mit einer sich bewegenden Bahn, um eine verbesserte Gleichförmigkeit
des Beschichtungsprozesses zu erreichen.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Eine
Beschichtung ist der Prozess des Ersetzens des Gases, das mit einem
Substrat, gewöhnlich einer
festen Fläche
wie einer Bahn, in Kontakt steht, durch eine oder mehrere Fluidschichten.
Eine Bahn ist ein relativ langes flexibles Substrat oder Materialblatt
wie eine Kunststofffolie, Papier oder synthetisches Papier oder
eine Metallfolie oder diskrete Teile oder Blätter. Die Bahn kann ein kontinuierliches
Band sein. Ein Beschichtungsfluid ist funktionell nützlich, wenn
es auf die Fläche
eines Substrats aufgebracht wird. Beispiele von Beschichtungsfluida
sind Flüssigkeiten
zum Bilden von fotografischen Emulsionsschichten, Trennschichten,
Grundierschichten, Basisschichten, Schutzschichten, Schmiermittelschichten,
magnetischen Schichten, Klebeschichten, dekorativen Schichten und
Färbeschichten.
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Nach
der Aufbringung kann eine Beschichtung ein Fluid bleiben, wie bei
der Aufbringung eines Schmieröls
auf Metall bei der Metallspulenverarbeitung oder der Aufbringungen
chemischer Reaktionspartner, um eine Substratfläche zu aktivieren oder chemisch
umzuwandeln. Als Alternative kann die Beschichtung getrocknet werden,
wenn sie ein flüchtiges
Fluid enthält,
um einen festen Belag wie einen Lack zu hinterlassen, oder sie kann
gehärtet
oder auf andere Art und Weise zu einer funktionellen Beschichtung
wie einer Trennbeschichtung verfestigt werden, an der ein Haftklebstoff
nicht aggressiv kleben wird. Verfahren zum Aufbringen von Beschichtungen
sind in Cohen, E.D. und Gutoff, E.B., Modern Coating and Drying
Technology, VCH Publishers, New York 1992, und Satas, D., Web Processing
and Converting Technology and Equipment, Van Vorstrand Reinhold
Publishing Co., New York 1984, beschrieben.
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In
der Regel ist es die Aufgabe bei einer Präzisionsbeschichtungsanwendung,
ein Beschichtungsfluid gleichmäßig auf
ein Substrat aufzubringen. Bei einem Bahnbeschichtungsprozess wird
eine sich bewegende Bahn durch eine Beschichtungsstation geleitet,
wobei eine Schicht aus Beschichtungsfluid auf eine Fläche der
Bahn aufgebracht wird. Die Gleichmäßigkeit von Beschichtungsfluidanwendungen
auf die Bahn wird durch viele Faktoren wie die Bahngeschwindigkeit,
die Bahnoberflächeneigenschaften,
die Beschichtungsfluidviskosität,
die Oberflächenspannung
des Beschichtungsfluids und die Dicke der Beschichtungsfluidanwendung
auf die Bahn beeinflusst.
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Elektrostatische
Beschichtungsanwendungen sind beim Drucken von fotografischen Bereichen benutzt
worden, wobei Walz- und Gleitbeschichtungen vorherrschen und leitfähige Fluida
mit niedriger Viskosität
benutzt werden. Obwohl die elektrostatischen Kräfte, die auf den Beschichtungsbereich
aufgebracht werden, den Ansatz von eingeschlossener Luft verzögern können und
zu der Fähigkeit
des Betriebs bei höheren
Bahngeschwindigkeiten führen,
ist das elektrostatische Feld, welches das Beschichtungsfluid zu
der Bahn anzieht, recht breit gefächert. Ein bekanntes Verfahren
zum Aufbringen elektrostatischer Felder setzt das Vorladen der Bahn
(das Aufbringen von Ladungen auf die Bahn vor der Beschichtungsstation)
ein. Ein anderes bekanntes Verfahren setzt eine mit Energie beaufschlagte
Stützwalze
unterhalb der Bahn an der Beschichtungsstation ein. Verfahren zum
Vorladen der Bahn weisen die Korona drahtladung und geladene Bürsten auf.
Verfahren zum Energiebeaufschlagen einer Stützwalze weisen leitfähige Walzen
mit erhöhtem
elektrischem Potential, nicht leitfähige Walzenflächen, die
vorgeladen sind, und angetriebene halbleitende Walzen auf. Wenngleich
diese Verfahren den Beschichtungsbereich mit elektrostatischen Ladungen
versorgen, weisen sie kein stark fokussiertes elektrostatisches
Feld an dem Beschichter auf. Zum Beispiel wird das Fluid bei einer
Vorhangbeschichtung mit einer vorgeladenen Bahn zu der Bahn angezogen,
wobei die Gleichgewichtsposition der Fluid/Bahn-Kontaktlinie (Befeuchtungslinie)
durch ein Gleichgewicht von Kräften bestimmt
wird. Das elektrostatische Feld zieht das Beschichtungsfluid zu
der Bahn und zieht die Beschichtung bahnaufwärts. Die Bewegung der Bahn erzeugt
eine Kraft, welche die Befeuchtungslinie tendenziell bahnabwärts zieht.
Wenn andere Prozessbedingungen konstant bleiben, führen höhere elektrostatische
Kräfte
oder niedrigere Bahngeschwindigkeiten folglich dazu, dass die Befeuchtungslinie bahnaufwärts gezogen
wird. Wenn außerdem
in dem Strom des Beschichtungsfluids quer zur Bahn eine gewisse
Strömungsvariation
vorliegt, werden die niedrigeren Strömungsbereiche im Allgemeinen
weiter bahnaufwärts
gezogen und die höheren
Strömungsbereiche
werden im Allgemeinen weiter bahnabwärts gezogen. Diese Situationen
können
zu einer verminderten Gleichmäßigkeit
der Beschichtungsdicke führen.
Auch ist die Prozessstabilität
geringer als gewünscht,
da die Befeuchtungslinie nicht stabil ist, sondern von einer Reihe
von Faktoren abhängt.
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Viele
Patentschriften beschreiben eine elektrostatisch gestützte Beschichtung.
Manche handeln von Beschichtungsbesonderheiten, andere von Ladungsbesonderheiten.
Die folgenden sind einige repräsentative
Patentschriften. US-Patentschrift Nr. 3,052,131 offenbart die Beschichtung
einer wässrigen
Dispersion mittels entweder der Walzenladung oder der Bahnvor ladung,
US-Patentschrift Nr. 2,952,559 offenbart Gleitbeschichtungsemulsionen mit
Bahnvorladung und US-Patentschrift
Nr. 3,206,323 offenbart eine viskose Fluidbeschichtung mit Bahnvorladung.
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US-Patentschrift
Nr. 4,837,045 lehrt die Verwendung einer Grundschicht mit niedriger
Oberflächenenergie
für Gelatine
mit einer Gleichstromspannung auf der Stützwalze. Ein Beschichtungsfluid,
das mit diesem Verfahren benutzt werden kann, weist eine Gelatine-,
Magnet-, Schmiermittel- oder Klebeschicht von entweder einer wasserlöslichen
oder organischen Natur auf. Das Beschichtungsverfahren kann die
Gleit-, Walzenkügelchen-,
Sprüh-,
Extrusions- oder Vorhangbeschichtung aufweisen. Das Beschichtungsverfahren
von US-Patentschrift Nr. 4,837,045 ist die gleiche Verfahrensart,
die unten in 2 dargestellt ist.
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EP 390774 B1 betrifft
eine Hochgeschwindigkeits-Vorhangbeschichtung von Fluida bei Geschwindigkeiten
von mindestens 250 cm/s (492 Fuß/min)
unter Verwendung einer im Vorfeld aufgebrachten elektrostatischen
Ladung, wobei das Verhältnis
der Ladungsgröße (Volt)
zu Geschwindigkeit (cm/s) mindestens 1:1 beträgt.
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US-Patentschrift
Nr. 5,609,923 offenbart ein Verfahren zur Vorhangbeschichtung eines
sich bewegenden Trägers,
wobei die maximale praktische Beschichtungsgeschwindigkeit erhöht wird.
Eine Ladung kann vor dem Beschichtungspunkt oder an dem Beschichtungspunkt
durch eine Trägerwalze
aufgebracht werden. Diese Patentschrift betrifft Techniken zum Erzeugen
einer elektrostatischen Spannung, die gut bekannt sind, und nimmt
Bezug auf die aufgelisteten Beispiele einer Walze unterhalb des
Beschichtungspunktes oder vorherige Patentschriften, bei denen eine
Koronaladung vor der Beschichtung eintritt. Diese Patentschrift
offenbart auch eine Koronaladung. Die offenbarte Technik dient der Übertragung der
Ladung auf die Bahn mit einer Korona, Walze oder Bürste vor
dem Beschichtungspunkt, um das elektrostatische Feld auf der Bahn
vor der Zugabe der Beschichtung zu bilden.
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1 und 2 zeigen
bekannte Techniken zum elektrostatischen Unterstützen von Beschichtungsanwendungen.
In 1 bewegt sich eine Bahn 20 in Längsrichtung
(in die Richtung der Pfeile 22) an einer Beschichtungsstation 24 vorbei.
Die Bahn 20 weist eine erste Hauptseite 26 und
eine zweite Hauptseite 28 auf. An der Beschichtungsstation 24 verteilt
ein Beschichtungsfluidapplikator 30 einen Beschichtungsfluidstrom 32 seitlich
auf die erste Seite 26 der Bahn 20. Dementsprechend
trägt die
Bahn stromabwärts
von der Beschichtungsstation 24 eine Beschichtung 34 aus
Beschichtungsfluid 32.
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In 1 wird
eine elektrostatische Beschichtungsunterstützung für den Beschichtungsprozess bereitgestellt,
indem elektrostatische Ladungen auf die erste Seite 26 der
Bahn 20 an einer Ladungsanwendungsstation 36 aufgebracht
werden, die längs und
stromaufwärts
von der Beschichtungsstation 24 beabstandet ist (die Ladungen
könnten
ersatzweise auf die zweite Seite 28 der Bahn 20 aufgebracht
werden). An der Ladungsanwendungsstation 36 bringt ein
seitlich angeordneter Koronaentladungsdraht 38 positive
(oder negative) elektrische Ladungen 39 auf die Bahn 20 auf.
Der Draht 38 kann sich entweder auf der ersten oder der
zweiten Seite der Bahn 20 befinden. Das Beschichtungsfluid 32 ist
geerdet (wie durch Erden des Beschichtungsfluidapplikators 30) und
wird an der Beschichtungsstation 24 zu der geladenen Bahn 20 elektrostatisch
angezogen. Ein seitlich angeordneter Luftdamm 40 kann benachbart
und stromaufwärts
der Beschichtungsstation 24 angeordnet werden, um Luftinterferenzen
der Bahngrenzschicht an der Grenzfläche 41 zwischen Beschichtungsfluid
und Bahn zu verringern. Der Koronadraht könnte in einem freien Raum entlang
der Bahn (wie in 1 dargestellt) oder ersatzweise
benachbart zu der ersten Seite der Bahn ausgerichtet sein, während die
Bahn mit einer Trägerwalze
an der Beschichtungsstation in Kontakt steht.
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2 zeigt
ein anderes bekanntes elektrostatisch gestütztes Beschichtungssystem.
In dieser Anordnung stützt
eine Trägerwalze 42 mit
relativ großem
Durchmesser die zweite Seite 28 der Bahn 20 an
der Beschichtungsstation 24. Die Trägerwalze 42 kann eine
geladene dielektrische Walze, eine angetriebenen halbleitende Walze
oder eine leitfähige Walze
sein. Die leitfähige
und die halbleitende Walze können
durch eine Hochspannungs-Leistungsversorgung geladen werden. Bei
einer dielektrischen Walze kann die Walze mit elektrischen Ladungen
durch geeignete Mittel wie eine Koronaladungsanordnung 43 bereitgestellt
werden. Ungeachtet des Typs der Trägerwalze 42 oder ihrer
Ladungsmittel ist ihre äußere zylindrische
Fläche 44 angepasst,
um die elektrischen Ladungen 39 zu der zweiten Seite 28 der
Bahn 20 zu liefern. Wie in 2 dargestellt,
sind die elektrischen Ladungen 39 aus der Trägerwalze 42 positive
Ladungen und das Beschichtungsfluid 32 ist durch Erden
des Beschichtungsfluidapplikators 30 geerdet. Dementsprechend
wird das Beschichtungsfluid 32 zu Ladungen elektrostatisch
angezogen, welche sich an der Grenzfläche zwischen der Bahn 20 und
der äußeren zylindrischen
Fläche 44 der
Walze 42 befinden. Der Luftdamm 40 verringert
die Luftinterferenz der Bahngrenzschicht an der Grenzfläche 41 zwischen Beschichtungsfluid
und Bahn.
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Bekannte
elektrostatisch gestützte
Beschichtungsanordnungen wie diejenigen, die in 1 und 2 dargestellt
sind, unterstützen
den Beschichtungsprozess durch Verzögern des Ansatzes von Lufteinschluss
und durch Verbessern der Befeuchtungseigenschaften an der Beschichtungsbefeuchtungslinie.
Jedoch bringen sie an einer Stelle stromaufwärts der Befeuchtungslinie Ladungen
auf die Bahn auf und erzeugen recht breite elektrostatische Felder.
Sie sind bei der Bewahrung einer geraden Befeuchtungslinie unwirksam,
wenn Beschichtungsströmungsvariationen
quer zu der Bahn oder elektrostatischer Feldvariationen quer zu
der Bahn vorliegen. Wenn zum Beispiel in einem Vorhangbeschichter
ein lokalisierter schwerer Beschichtungsfluid-Strömungsbereich
irgendwo quer über
den Beschichtungsvorhang auftritt, kann sich die Befeuchtungslinie
in diesem schwereren Beschichtungsbereich in Antwort bahnabwärts bewegen.
Dies kann aufgrund der Spannung und des Drucks auf den Vorhang eine
sogar noch schwerere Beschichtung in diesem Bereich schaffen, insbesondere
für Fluida, die
elastische Eigenschaften aufweisen (elastischere Fluida weisen hinsichtlich
der Scherkraft eine höhere Dehnungsviskosität auf).
Wenn das elektrostatische Feld nicht gleichmäßig ist (zum Beispiel eine
Ungleichmäßigkeit
der Koronabahnvorladung vorliegt), ermöglicht der niedrigere Spannungsbereich
auf der Bahn außerdem,
dass sich die Befeuchtungslinie in diesem Bereich bahnabwärts bewegt,
so dass das Beschichtungsgewicht in diesem Bereich zunimmt. Diese
Auswirkungen werden zunehmend vorherrschend, wenn die Fluidelastizitäten zunehmen.
Folglich bewirken Fluidströmungsvariationen
quer über die
Bahn und elektrostatische Feldvariationen quer über die Bahn eine Ungleichmäßigkeit
hinsichtlich der Befeuchtungslinie und somit zu der Aufbringung einer
ungleichmäßigen Beschichtung
auf die Bahn.
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Keine
der bekannten Vorrichtungen oder Verfahren für eine elektrostatisch gestützte Beschichtung
offenbart eine Technik zum Aufbringen eines fokussierten Feldes
auf die Bahn an der Beschichtungsstation aus einem elektrischen
Feldapplikator, um die Eigenschaft der aufgebrachten Fluidbeschichtung
zu verbessern und auch verbesserte Verarbeitungsbedingungen zu erreichen.
Es besteht ein Bedarf an einer elektrostatisch gestützten Beschichtungstechnik,
welche ein fokussierteres elektrisches Feld auf die Bahn an der
Beschichtungs station aufbringt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Verfahren und die Vorrichtung zum Aufbringen einer Fluidbeschichtung
auf ein Substrat gemäß der vorliegenden
Erfindung sind durch die Merkmale der Ansprüche gekennzeichnet.
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Die
Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Fluidbeschichtung
auf ein Substrat. Das Substrat weist eine erste Fläche und
eine zweite Fläche
auf. Das Verfahren weist das Bereitstellen einer relativen Längsbewegung
zwischen dem Substrat und einer Fluidbeschichtungsstation und das
Bilden einer Fluidbefeuchtungslinie durch Einführen eines Fluidstroms in einem
Winkel von 0° bis
180° auf
die erste Seite des Substrat entlang eines seitlich angeordneten
Fluidbahn-Kontaktbereich an der Beschichtungsstation auf. Eine elektrische
Kraft wird auf dem Fluid von einem elektrischen Feld erzeugt, das
aus elektrischen Ladungen entsteht, die sich auf der zweiten Seite
des Substrats im Wesentlichen an und stromabwärts der Fluidbefeuchtungslinie
befinden.
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Die
elektrische Kraft kann durch Übertragen der
elektrischen Ladungen durch ein Fluidmedium und Aufbringen der elektrischen
Ladungen auf die zweite Fläche
des Substrats, Übertragen
elektrischer Ladungen von einer Ladungsquelle und Aufbringen der
elektrischen Ladungen auf die zweite Fläche des Substrats mit Hilfe
eines physikalischen Kontakts zwischen einem Abschnitt der Ladungsquelle
und dem Substrat oder durch beides erzeugt werden. Wenn ein Fluidmedium
benutzt wird, können
die elektrischen Ladungen von einer seitlich verlaufenden Koronaentladungsquelle übertragen
werden, die von der zweiten Fläche
des Substrats an der Fluidbeschichtungsstation nah beabstandet ist.
Die Übertragung
elektrischer Ladungen stromaufwärts
von der Fluidbefeuchtungslinie kann durch Bereitstellen einer elektrischen
Sperre zum Abschirmen von oberen Bahnabschnitten der Bahn von den
elektrischen Ladungen weiter eingeschränkt werden. Das Substrat kann
benachbart zu der Fluidbeschichtungsstation auf der zweiten Fläche gestützt werden.
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In
einer Ausführungsform
werden die elektrischen Ladungen als erste Ladungen an einer Stelle gebildet,
die von dem Substrat entfernt liegt, auf einen seitlich angeordneten
Ladungsanwendungsbereich benachbart zu der zweiten Fläche des
Substrats an der Fluidbefeuchtungslinie übertragen und auf die zweite
Fläche
des Substrats an einer Stelle auf dem Substrat aufgebracht, die
sich im Wesentlichen bei und stromabwärts von der Fluidbefeuchtungslinie
befindet, um eine elektrische Kraft auf dem Fluid zu erzeugen.
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Der
Fluidstrom kann mit einem Beschichtungsfluidverteiler wie einem
Vorhangbeschichter, einem Kügelchenbeschichter,
einem Extrusionsbeschichter, Trägerfluid-Beschichtungsverfahren,
einem Gleitbeschichter, einem Rakelbeschichter, einem Düsenbeschichter,
einem Kerbprüfstab,
einem Walzbeschichter oder einem Fluidlagerbeschichter gebildet
werden. Der Fluidstrom kann auf die erste Fläche des Substrats tangential
eingeführt
werden.
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Die
elektrischen Ladungen können
eine erste Polarität
aufweisen und das Verfahren kann das Aufbringen elektrischer Ladungen
einer zweiten entgegengesetzten Polarität auf das Fluid aufweisen.
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In
einer anderen Ausführungsform
weist das Verfahren zum Aufbringen einer Fluidbeschichtung auf ein
Substrat (wobei das Substrat eine erste Fläche auf einer ersten Seite
und eine zweite Fläche
auf einer zweiten Seite aufweist) das Bereitstellen einer relativen
Längsbewegung
zwischen dem Substrat und einer Fluidbe schichtungsstation auf. Das
Verfahren weist ferner das Bilden einer Fluidbefeuchtungslinie durch
Einführen
eines Beschichtungsfluidstroms in einem Winkel von 0° bis 180° auf die
erste Fläche des
Substrats entlang eines seitlich angeordneten Fluidbahn-Kontaktbereichs
an der Beschichtungsstation auf. Das Verfahren weist ferner das
Aussetzen des Fluids wirksamen elektrostatischen Ladungen auf dem
Substrat an nur einer Stelle auf dem Substrat auf, die im Wesentlichen
bei und stromabwärts der
Fluidbefeuchtungslinie liegt.
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In
diesem erfinderischen Verfahren kann der Schritt des Aussetzens
ferner das Aufbringen der elektrischen Ladungen auf eine der ersten
oder der zweiten Seite des Substrats an einer Stelle bahnaufwärts der
Fluidbeschichtungsstation aufweisen. Der Schritt des Aussetzens
kann ferner das Unwirksammachen der elektrischen Ladungen als elektrostatische
Ladungen hinsichtlich des Fluids aufweisen, bis sich die elektrischen
Ladungen mindestens im Wesentlich an der Fluidbefeuchtungslinie
befinden.
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In
einer Ausführungsform
weist der Schritt des Aussetzens des erfinderischen Verfahrens ferner das
Aufbringen elektrischer Ladungen auf das Substrat bahnaufwärts von
der Fluidbefeuchtungslinie und das Maskieren sämtlicher wirksamer elektrostatischer
anziehender Kräfte
zwischen den elektrischen Ladungen auf der Bahn und dem Fluid auf,
bis sich die elektrischen Ladungen mindestens im Wesentlichen bei
der Fluidbefeuchtungslinie befinden.
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In
einer anderen Ausführungsform
werden die elektrischen Ladungen auf die erste Fläche des Substrat
aufgebracht, wobei der Schritt des Maskierens ferner das Bereitstellen
einer geerdeten Fläche benachbart
zu und beabstandet von der zweiten Fläche des Substrats aufweist,
wobei die geerdete Fläche
entlang des Substrats von einem hinteren Rand genau bahnaufwärts von
der Fluidbefeuchtungslinie zu einem vorderen Rand verläuft, der
weiter bahnaufwärts
beabstandet ist.
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Die
Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfluids
auf ein Substrat, das eine erste Fläche auf einer ersten Seite
und eine zweite Fläche
auf einer zweiten Seite aufweist und bezüglich der Vorrichtung in Längsrichtung
bewegt wird. Die Vorrichtung weist Mittel zum Verteilen eines Beschichtungsfluidstroms
auf die erste Fläche des
Substrats, um eine Fluidbefeuchtungslinie entlang eines seitlich
angeordneten Fluidbahn-Kontaktbereichs zu bilden, und einen elektrischen
Ladungsapplikator auf, der über
die zweite Seite des Substrats seitlich verläuft. Der elektrische Ladungsapplikator
ist im Allgemeinen im Allgemeinen gegenüber der Fluidbefeuchtungslinie
auf der ersten Fläche
des Substrats ausgerichtet, um das Substrat nur an einer Stelle
auf dem Substrat zu laden, die sich im Wesentlichen bei und stromabwärts von
der Fluidbefeuchtungslinie befindet.
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Der
elektrische Ladungsapplikator kann einen seitlich verlaufenden geladenen
Draht, ein scharfkantiges Glied, ein scharfkantiges leitfähiges Blatt,
eine Reihe von Nadeln, eine Bürste
und eine gezahnte Messerkante aufweisen.
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Der
elektrische Ladungsapplikator kann eine elektrische Ladungsquelle
zum Erzeugen elektrischer Ladungen als erste elektrische Ladungen,
die von der zweiten Fläche
des Substrats entfernt sind, und ein Fluidmedium aufweisen. Das
Fluidmedium ist zwischen der elektrischen Ladungsquelle und der zweiten
Fläche
des Substrats angeordnet, um die ersten elektrischen Ladungen von
der elektrischen Ladungsquelle auf einen seitlich angeordneten Ladungsanwendungsbereich
zu übertragen,
der benachbart zu der zweiten Fläche
des Substrats an der Fluidbefeuchtungslinie liegt, und um die ersten
elektrischen Ladungen auf die zweite Fläche des Substrats aufzubringen.
Der elektrische Ladungsapplikator kann von der zweiten Fläche des
Substrats gleichmäßig beabstandet
sein.
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Ein
Luftlager kann seitlich über
das Substrat benachbart zu dem elektrischen Ladungsapplikator zum
Stützen
und Ausrichten der zweiten Seite des Substrats bezüglich des
elektrischen Ladungsapplikators verlaufen. Eine elektrostatische
Feldsperre kann nahe des elektrischen Ladungsapplikators und des
Substrats angeordnet sein, um Abschnitte der Bahn, welche stromaufwärts von
der Fluidbefeuchtungslinie liegen, von elektrischen Ladungen nahe des
elektrischen Ladungsapplikators und des Substrats angeordnet ist,
um Abschnitte der Bahn, welche stromaufwärts von der Fluidbefeuchtungslinie
liegen, von elektrischen Ladungen aus dem elektrischen Ladungsapplikator
abzuschirmen.
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Elektrische
Ladungen aus dem elektrischen Ladungsapplikator können eine
erste Polarität
aufweisen und Ladungen mit einer zweiten, entgegengesetzten Polarität können auf
das Beschichtungsfluid aufgebracht werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht einer bekannten elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung,
bei der Ladungen auf die sich bewegende Bahn aufgebracht werden,
bevor sie eine Beschichtungsstation von einem bahnaufwärts gelegenen
Koronadraht betritt.
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2 ist
eine schematische Ansicht einer bekannten elektrostatischen Beschichtungsvorrichtung,
bei der Ladungen von einer Trägerwalze
unter der sich bewegenden Bahn an der Beschichtungsstation zu einer
sich bewegenden Bahn geliefert werden.
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der elektrostatisch
unterstützten Be schichtungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Koronaquelle Ladungen auf
die sich bewegende Bahn an der Beschichtungsstation aufbringt.
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4 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht eines Abschnitts von 2, welche
die aufgebrachten elektrostatischen Ladungen und Kraftlinien darstellt.
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5 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht eines Abschnitts von 3, welche
die aufgebrachten elektrostatischen Ladungen und Kraftlinien während der
Beschichtungsvorgänge
darstellt.
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6 ist
eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der elektrostatisch
unterstützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei eine
Luftlageranordnung einen Koronadraht unterbringt.
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7 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht der Luftlageranordnung mit dem Koronadraht aus 6.
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8 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht einer alternativen Luftlageranordnung mit einem leitfähigen Streifen.
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9 ist
eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der elektrostatisch
gestützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche eine
Anwendung ihrer Benutzung für
eine tangentiale Vorhangbeschichtung darstellt.
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10 und 11 sind
schematische Ansichten anderer Ausführungsformen der elektrostatisch
gestützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, welche entfernte
Stellen für
die Quelle von elektrischen Ladungen darstellen.
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Wenngleich
die oben genannten Zeichnungsfiguren bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschreiben, werden auch andere Ausführungsformen
berücksichtigt,
wie in der Beschreibung erwähnt.
In allen Fällen
präsentiert
diese Offenbarung die vorliegende Erfindung darstellend und nicht einschränkend. Man
muss verstehen, dass ein Fachmann zahlreiche andere Modifikationen
und Ausführungsformen
entwickeln kann, die innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung
fallen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Diese
Erfindung weist eine Vorrichtung und ein Beschichtungsverfahren
auf, die fokussiertere elektrostatische Felder an der Grenzfläche zwischen einem
zu beschichtenden Substrat (wie einer Bahn) und einem Fluidbeschichtungsmaterial
benutzen, das auf das Substrat aufgebracht wird. Die Erfinder haben
herausgefunden, dass fokussiertere elektrostatische Felder den Beschichtungsprozess
durch Stabilisieren, Richten und Vorgeben der Position der Beschichtungsbefeuchtungslinie
verbessern können, wodurch
ermöglicht
wird, breitere Prozessfenster zu erreichen. Zum Beispiel ermöglicht die
Erfindung ein breiteres Spektrum an Beschichtungsgewichten, Beschichtungsgeschwindigkeiten,
Beschichtungsgeometrien, Bahnmerkmalen wie dielektrischen Stärken, Beschichtungsfluideigenschaften
wie Viskosität, Oberflächenspannung
und Elastizität,
und Düse-zu-Bahn-Spalten
sowie die Verbesserung der Beschichtungsgleichmäßigkeit über die Bahn. Außerdem können für leitfähige Fluida
im Vergleich zu Systemen, die leitfähige Walzen mit erhöhtem Potential benutzen,
Systeme mit viel niedrigerer Energie (niedrigerem Strom) benutzt
werden. Für
Bahnen mit einer niedrigen dielektrischen Stärke wie Papier können höhere Spannungen
und Beschichtungsgeschwindigkeiten ohne einen dielektrischen Zusammenbruch der
Bahn benutzt werden. Bei der Vorhangbeschichtung ermöglicht eine
elektrostatische Beschichtungsunterstützung niedrigere Vorhanghöhen (und
folglich eine größere Vorhangstabilität) und ermöglicht elastische
Beschichtungslösungen, die
vorher nicht ohne Lufteinschluss beschichtet werden konnten. Fokussierte
Felder verbessern die Fähigkeit
zum Arbeiten mit elastischen Beschichtungsfluida bedeutend, da sie
die Position, Linearität
und Stabilität
der Befeuchtungslinie genauer vorgeben, was zu einer erhöhten Prozessstabilität führt. Außerdem können dünnere Beschichtungen
bei niedrigeren Bandgeschwindigkeiten als vorher möglich war
hergestellt werden, was für
Prozesse wichtig ist, die hinsichtlich der Trocknungs- oder Härtungsgeschwindigkeit
eingeschränkt sind.
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Bei
der Extrusionsbeschichtung ist herausgefunden worden, dass die Elektrostatik
die Benutzung von wasserbasierten Fluida mit geringer Elastizität (wie einigen
wasserbasierten Emulsionsklebstoffen), die ohne die Elektrostatik
(im Extrusionsmodus) nicht extrusionsbeschichtet werden können, sowie
die Benutzung von größeren Beschichtungsspalten
ermöglicht.
während
bei einem Vorhangbeschichtungsprozess, bei dem der Beschichtungsschritt
das Verlagern der Grenzschichtluft mit Beschichtungsfluid betrifft,
die Hauptkraft auf dem Drehmoment basiert, stehen bei der Extrusionsbeschichtung
die Hauptkräfte
mit der Elastizität
und Oberflächenspannung
in Beziehung. Bei der Benutzung von Elektrostatik kann die vorherrschende
Kraft die Elektrostatik werden. Wenn also die Elektrostatik benutzt
wird und zu dem vorherrschenden Mechanismus für den Beschichtungsschritt
wird, können
die Beschichter eher als elektrostatische Beschichter und nicht
als Vorhang- oder Extrusionsbeschichter klassifiziert werden. Während der
Spalt des Extrusionsbeschichters vergrößert wird, kann er folglich
hinsichtlich des Betriebsprinzips von einem Vorhangbeschichter mit Elektrostatik
ununterscheidbar werden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf glatte, kontinuierliche Beschichtungen
beschrieben wird, kann die Erfindung auch bei der Aufbringung von
diskontinuier lichen Beschichtungen benutzt werden. Zum Beispiel
kann die Elektrostatik benutzt werden, um die Beschichtung eines
Substrats mit einer Makrostruktur wie Leerräumen zu unterstützen, die
mit der Beschichtung gefüllt
werden, ganz gleich ob zwischen der Beschichtung und den benachbarten
Leerräumen
eine Kontinuität
besteht oder nicht. In dieser Situation wird die Beschichtungsgleichmäßigkeit
und verbesserte Befeuchtungsfähigkeit
sowohl innerhalb diskreter Beschichtungsbereiche als auch von Bereich
zu Bereich bewahrt.
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Das
Substrat kann jede beliebige Fläche
aus jedem beliebigen Material sein, das beschichtet werden soll,
einschließlich
einer Bahn. Eine Bahn kann jedes beliebige blattähnliche Material wie Polyester, Polypropylen,
Papier oder Vliesmaterialien sein. Die verbesserte Befeuchtungsfähigkeit
der Beschichtung ist bei rauen strukturierten oder porösen Bahnen
besonders nützlich,
ungeachtet dessen, ob die Poren mikroskopisch oder makroskopisch
sind. Obwohl die dargestellten Beispiele eine Bahn zeigen, welche sich
an einem ortsfesten Beschichtungsapplikator vorbei bewegt, kann
die Bahn ortsfest sein, während sich
der Beschichtungsapplikator bewegt, oder sowohl die Bahn als auch
der Beschichtungsapplikator können
sich bezüglich
eines festen Punktes bewegen.
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Im
Allgemeinen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen
einer Fluidbeschichtung auf ein Substrat wie eine Bahn und weist
das Bereitstellen einer relativen Längsbewegung zwischen der Bahn
und einer Fluidbeschichtungsstation auf. Ein Beschichtungsfluidstrom
wird auf die erste Seite der Bahn entlang einer seitlich angeordneten
Fluidbefeuchtungslinie an einer Beschichtungsstation eingeführt. Das
Beschichtungsfluid wird in jedem beliebigen Winkel von 0° bis 180° eingeführt. Eine
elektrische Kraft wird auf dem Fluid von einem elektrischen Feld
erzeugt, das aus Ladungen entsteht, die sich auf der zweiten Seite
der Bahn an einer Stelle befinden, die im Wesentlichen an und stromabwärts der
Fluidbefeuchtungslinie liegt. Das elektrische Feld kann durch Ladungen
erzeugt werden, die durch jedes beliebige Verfahren übertragen
und auf die zweite Seite der Bahn aufgebracht worden sind. Die Ladungen können auf
die zweite Seite der Bahn durch ein Fluidmedium oder direkten Kontakt übertragen
werden. In allen Versionen der Erfindung können negative oder positive
elektrische Ladungen benutzt werden, um das Beschichtungsfluid anzuziehen.
Das Beschichtungsfluid kann auf Lösungsmittel basierende Fluida,
thermoplastische Fluidschmelze, Emulsionen, Dispersionen, vermischbare
und unvermischbare Fluidgemische, anorganische Fluida und 100%ige Feststofffluida
aufweisen. Auf Lösungsmittel
basierende Beschichtungsfluida weisen Lösungsmittel auf, die auf Wasser
basieren und auch organischer Natur sind. Bestimmte Sicherheitsvorkehrungen
müssen beim
Umgang mit flüchtigen
Lösungsmitteln
getroffen werden, die zum Beispiel entflammbar sind, da statische
Entladungen Gefahren wie Feuer oder Explosionen schaffen können. Solche
Vorkehrungen sind bekannt und können
die Benutzung einer inerten Atmosphäre in dem Bereich aufweisen,
in dem statische Entladungen auftreten können.
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Anstatt
des Vorladens der Bahn oder der Benutzung eines mit Energie beaufschlagten
Stützwalzensystems,
wie bekannt, benutzt die Erfindung eine fokussierte Quelle elektrischer
Ladungen wie eine schmale leitfähige
Elektrode, welche linear in der Bahnquerrichtung verläuft, wo
die Befeuchtungslinie eintreten soll, auf der Seite der Bahn, die
dem Beschichtungsfluid gegenüber
liegt. Für
Vorhangbeschichtungsanwendungen ist die gewünschte Befeuchtungslinie in
der Regel die durch die Schwerkraft bestimmte Beschichtungsfluid-Befeuchtungslinie
(ohne aufgebrachte Elektrostatik), wenn die Bahn ortsfest ist (oder
eine anfängliche
Beschichtungsfluid-Befeuchtungslinie
(ohne aufgebrachte Elektrostatik), wenn die Bahn ortsfest ist).
Die schmale leitfähige Elektrode
könnte
zum Beispiel ein kontinuierlicher Koronadraht (wie der Koronadraht 50 in 3),
diskret beabstandete Nadelpunkte, eine Bürste oder jedes beliebige Glied
mit einer scharfen Kante sein, das eine Koronaentladung erzeugen
kann. Der hohe elektrostatische Feldgradient nahe der schmalen Elektrode
erzeugt eine Koronaentladung aus der Elektrode, wobei die Ladungen
zu dem leitfähigen Beschichtungsfluid
wandern, jedoch durch die dielektrische Sperre der Bahn gestoppt
werden. Die Quelle elektrischer Ladungen kann auch entfernt angeordnet
sein, wobei Ladungen nacheinander auf die Rückseite der Bahn übertragen
werden und im Wesentlichen an oder stromabwärts der Befeuchtungslinie fokussiert
werden. Als Alternative können
die Ladungen direkt auf die Rückseite
der Bahn von einer festen Struktur aufgebracht werden, welche die Rückseite
der Bahn berührt,
wie zum Beispiel eine Bürste,
eine leitfähige
Folie oder ein Glied mit einem kleinen Radiusabschnitt. Wieder werden
die Ladungen im Wesentlichen an oder stromabwärts von der Befeuchtungslinie
fokussiert. Diese Ladungen auf der Rückseite der Bahn erzeugen ein
fokussierteres elektrisches Feld als elektrostatisch gestützte Beschichtungssysteme
des Standes der Technik. Da sich das Feld nicht so weit bahnaufwärts erstreckt (wie
es der Fall bei bekannten vorgeladenen Bahnsystemen oder energiebeaufschlagten
Beschichtungswalzensystemen war), wird das Beschichtungsfluid zu
der schärfer
definierten Befeuchtungslinie gezogen, bewahrt ein lineareres Querbahnprofil
und stabilisiert die Befeuchtungslinie durch tendenzielles Feststellen
ihrer Position. Dies bedeutet, dass das normale Gleichgewicht der
Kräfte,
das die Befeuchtungslinienposition vorgibt, weniger wichtig ist
und dass Nichtlinearitäten
in der Befeuchtungslinie weniger ausgeprägt sind. Folglich haben Prozessvariationen
wie Beschichtungsströmungsgeschwindigkeiten, die
Beschichtungsgleichmäßigkeit
quer über
die Bahn, Bahngeschwindigkeitsvariationen, ankommende Bahnladungsvariationen
und andere Prozessvariationen eine geringere Auswirkung auf den Be schichtungsprozess.
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Ein
zusätzlicher
Nutzen bei einem kontaktlosen elektrostatischen Ladungsanwendungssystem der
vorliegenden Erfindung (wie zum Beispiel in 3) ist,
dass dieses System bei Bahnen mit niedriger dielektrischer Stärke und
mit leitfähigen
Beschichtungsfluida gut arbeitet. Bei Systemen wie leitfähigen Walzen
mit hohem Potential, die mit leitfähigen Fluida benutzt werden,
können
bekannte elektrostatisch gestützte
Beschichtungsstromflüsse
eintreten, die höher
als notwenig sind, um die gewünschte Anziehungskraft
zu erzeugen, da sich die Walze in der Nähe der Bahnfläche befindet.
Dies erfordert Systeme mit höherer
Energie und erzeugt größere Stromschlaggefahren.
Außerdem
ist es wahrscheinlicher, dass eine Bogenbildung von der Elektrode durch
die Bahn auf das Beschichtungsfluid eintritt, insbesondere bei Materialien
mit niedriger dielektrischer Stärke.
Bei einem kontaktlosen System, bei dem die fokussierten Bahnladungen
durch Übertragen
von Ladungen durch ein Fluidmedium (zum Beispiel Luft) auf die zweite
Seite der Bahn erzeugt werden, ist ein niedrigerer Strom erforderlich
und eine geringere Bogenbildung von der Elektrode auf das Beschichtungsfluid
tritt ein. Dis führt
zu einem sichereren System und zu einem, das bei höheren Bahngeschwindigkeiten
betrieben werden kann. In der Regel beträgt der Elektrode-zu-Bahn-Spalt
von 0,2 cm (0,10 Inch) bis 5 cm (2 Inch). Vorzugsweise beträgt der Spalt
1,9 cm (0,75 Inch). Jedoch können
nähere Spalte
die Aggressivität
erhöhen
und größere Spalte von
2,5 cm (1 Inch) bis 5 cm (2 Inch) können die Bogenbildung weiter
verringern und die Fähigkeit
zum Betrieb mit Materialien mit niedriger dielektrischer Stärke weiter
verbessern.
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3 stellt
eine Ausführungsform
der erfinderischen elektrostatisch gestützten Beschichtungsvorrichtung
dar, die ein fokussiertes Bahnladungsfeld benutzt, das eine bessere
Aggressivität
(das heißt, Beschichtungsfluid-Bahn-Anziehung
an der gewünschten
Befeuchtungslinienstelle) und Befeuchtungslinienlinearität als bekannte
Anordnungen erreichen kann. Die Erfinder haben herausgefunden, dass
durch Beabstanden der Elektrode von der Bahn und die Benutzung von
Drähten
mit einem kleinen Durchmesser, so dass die Elektrode als ein Koronadraht
wirkt, das Feld fokussiert bleiben kann, während die Bogenbildung und
Stromflüsse
verringert werden. In diesem Fall erzeugt das Feld, das von dem
Draht selbst ausgeht, die Hauptanziehungskraft auf dem Beschichtungsfluid
nicht. Die Hauptkraft stammt aus Koronaladungen aus dem Draht, die durch
die Luft oder andere Verbindungsmittel auf die Rückseite der Bahn übertragen
werden und sich an der Befeuchtungslinie ansammeln. Diese Ladungen auf
der Rückseite
der Bahn erzeugen die starke Anziehungskraft auf dem Beschichtungsfluid.
Auch werden die Ladungen aus dem Draht tendenziell nicht im Wesentlichen
bahnaufwärts
von der Befeuchtungslinie zu der Bahn angezogen, da die primäre Anziehung
zu dem Beschichtungsfluid an der Befeuchtungslinie vorliegt. Das
Feld kann stärker
fokussiert werden, indem Sperren oder Formungsfelder bereitgestellt
werden, um den Strom von Ladungen entweder bahnaufwärts oder
bahnabwärts
von der gewünschten
Befeuchtungslinie einzuschränken.
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In
der Anordnung, die in 3 dargestellt ist, ist ein seitlich
verlaufender Koronaentladungsdraht 50 von der zweiten Seite 28 der
Bahn 20 in Längsrichtung
nahe zu der Beschichtungsstation 24 beabstandet, welche
die seitliche Beschichtungsbefeuchtungslinie 52 aufweist.
Die Bahn 20 ist an der Beschichtungsstation 24 zwischen
einem Paar Stützwalzen 54, 56 gestützt. Alternativ
kann die Bahn 20 an der Beschichtungsstation 24 durch
Stützschienen, Schieber,
Spuren oder andere Stützen
gestützt
werden. Der Luftdamm 40 kann jede beliebige physikalische
Sperre sein, welche eine Umgebungsluftinterferenz an der Befeuchtungslinie
einschränkt. 3 zeigt
das erfinderische Verfahren bei einem Vorhangbeschichtungsvorgang,
ist jedoch auch für
andere Beschichtungsgeometrien funktionell.
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Ein
Beschichtungsfluidstrom 32 wird von dem Beschichtungsfluidapplikator 30 auf
eine erste Fläche
auf der ersten Seite 26 der Bahn 20 geleitet. Wie
dargestellt, kann der Beschichtungsfluidapplikator 30 geerdet
sein, um das Beschichtungsfluid 32 hinsichtlich der elektrischen
Ladungen 58 zu erden, die auf die Bahn 20 durch
den Koronaentladungsdraht 50 aufgebracht werden. Ersatzweise
kann eine entgegengesetzte elektrische Ladung auf das Beschichtungsfluid 32 durch
jede beliebige geeignete Elektrodenvorrichtung aufgebracht werden;
auch können
die aufgebrachten Polaritäten
der elektrischen Ladungen auf das Beschichtungsfluid 32 und die
Bahn 20 umgekehrt werden. Dieses Verfahren kann besonders
nützlich
sein, wenn Beschichtungsfluida mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit
benutzt werden. Zum Beispiel können
für ein
Beschichtungsfluid mit geringer Leitfähigkeit vor der Beschichtung entweder
durch die Düse
oder durch eine Korona Ladungen auf das Beschichtungsfluid aufgebracht
werden. Dieses System kann benutzt werden, wenn aufgrund der Benutzung
von Beschichtungsfluida mit geringer Leitfähigkeit eine unzulängliche
elektrostatische Aggressivität
zu sehen ist. Für
ein leitfähiges Beschichtungsfluid,
bei dem der leitfähige
Pfad isoliert ist, kann das Düsenpotential
erhöht
werden, um die entgegengesetzte Polarität in dem Beschichtungsfluid
zu erzeugen. Alternativ kann die entgegengesetzte Polarität auf das
Beschichtungsfluid irgendwo entlang des leitfähigen, isolierten Pfads aufgebracht
werden.
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Wenn
der Koronaentladungsdraht 50 aktiviert ist, bringt er elektrische
Ladungen 58 auf die zweite Seite 28 der Bahn 20 auf.
In einer Ausführungsform
verläuft
ein stromaufwärts
angeordneter Seitenschirm 60 seitlich und benachbart zu
dem Koronaentladungsdraht 50, um dabei zu helfen, die Anziehung
von entladenen Ionen zu der zweiten Seite 28 der Bahn 20 stromaufwärts von
der Beschichtungsbefeuchtungslinie 52 zu verhindern. Der
stromaufwärts
angeordnete Seitenschirm 60 kann aus einem nicht leitfähigen oder
isolierenden Material wie DelrinTM-Acetalharz,
das von E. I. du Pont de Nemours of Wilmington Delaware hergestellt
wird, oder aus einem halbleitenden oder leitfähigen Material gebildet sein,
das bei Erdungspotential oder einem erhöhten Potential gehalten wird.
Der bahnaufwärts
angeordnete Seitenschirm 60 ist in jeder beliebigen Form
ausgebildet, um die gewünschte
elektrische Sperre zum Abschirmen von oberen Bahnabschnitten der
Bahn 20 von den elektrischen Ladungen des Koronaentladungsdrahtes 50 zu
erreichen. Ein bahnabwärts
angeordneter Schirm kann auch benutzt werden, der eine übermäßige Ladungsübertragung in
Bahnabwärtsrichtung
verringern kann. Der bahnaufwärts
und der bahnabwärts
angeordnete Schirm sind vorzugsweise von dem Draht gleich beabstandet,
obwohl andere Abstände
funktionell sein können.
Obwohl ein Schirm der Art einer physikalischen Sperre dargestellt
ist, können
andere Schirmarten wie ein entgegenwirkendes elektrostatisches Feld benutzt
werden.
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4 ist
eine erweiterte Ansicht des Systems in 2 und stellt
die Kraftlinien 66 dar, die von den elektrostatischen Ladungen 39 bezüglich des Beschichtungsfluids 32 erzeugt
werden. In der Regel ist die gewünschte
Befeuchtungslinie die durch die Schwerkraft bestimmte Beschichtungsfluid-Befeuchtungslinie,
wenn die Bahn stationär
ist (oder eine anfängliche
Beschichtungsfluid-Befeuchtungslinie, wenn die Bahn ortsfest ist)
und ist, wie in 2 und 4 dargestellt,
der obere Totpunkt der geladenen Walze. Jedoch sind andere Befeuchtungslinienpositionen üblich und
hängen
von der Art der Beschichtungsdüse,
den Fluideigenschaften und dem Bahnpfad ab.
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Die
Kraftlinien 66 zeigen an, dass die Kräfte für eine geladene Walze (wie
die Walze 42 in 2) nicht gut fokussiert sind
und die Ladungen im Wesentlichen bahnaufwärts von der Befeuchtungslinie (zum
Beispiel auf dem oberen Bahnbereich 67) Kräfte auf
das Beschichtungsfluid ausüben.
Zum Beispiel üben
die Ladungen für
geladene Walzen, die einen größeren Durchmesser
als 7,5 cm (3 Inch) aufweisen, im Wesentlichen bahnaufwärts von
der gewünschten
Befeuchtungslinie Kräfte
auf das Beschichtungsfluid aus. Wenn jedoch zum Beispiel für eine Walze
mit einem Durchmesser von einem Inch mit dem gleichen Potential
die Lieferung von Ladungen auf die Bahn fokussierter wird, üben die
Ladungen im Wesentlichen bahnaufwärts von der gewünschten
Befeuchtungslinie keine funktionellen Kräfte auf das Beschichtungsfluid
aus, welche die Befeuchtungsliniengleichmäßigkeit negativ beeinflussen
(das heißt,
die Ladungen auf der Bahn sind bahnaufwärts bezüglich des Beschichtungsfluids
unwirksam).
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5 ist
eine erweiterte Ansicht des erfinderischen Systems in 3 und
zeigt, wo die Ladungen, die auf eine zweite Fläche auf der zweiten Seite der
Bahn übertragen
werden, unterhalb des Beschichtungsfluid und der Bahnkontaktlinie
fokussierter sind. In diesem Fall sind die Kraftlinien 68 fokussierter
und erzeugen folglich eine schärfer
definierte und lineare Befeuchtungslinie, wodurch die Befeuchtungslinie
stabilisiert wird, indem ihre Position über den Bahnführungsweg
tendenziell festgehalten wird. Weitere Fokussierungstechniken wie
der Schirm 60, der in 3 dargestellt
ist, können
die Fokussierung ebenfalls verbessern. Viskose und elastische Fluida können im
Vergleich zu einem Fluid mit geringerer Viskosität und Elastizität einen
höheren
Fokussierungsgrad erfordern, da Variationen der Kontaktliniengleichmäßigkeit
größere Variationen
in der Beschichtungsdicke bewirken können. 6 und 7 stellen
noch eine andere Ausführungsform
der elektrostatisch gestützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung dar. Wie in 6 und 7 dargestellt,
verläuft
eine seitlich verlaufende Elektrode 100 entlang der zweiten
Seite 28 der Bahn 20. Die Elektrode 100 kann
aus zum Beispiel einem kontinuierlichen Koronadraht, diskret beabstandeten
Nadelpunkten, einer Bürste
oder einem beliebigen Glied mit einer scharfen Kante gebildet sein,
das eine Koronaentladung erzeugen kann. Vorzugsweise ist die Elektrode 100 innerhalb
eines benachbarten Bahnluftlagers 102 angeordnet, das als
ein bahnaufwärts angeordneter
Schirm und ein bahnabwärts
angeordneter Schirm wirken kann. Das Luftlager 102 stabilisiert
die Bahnposition und Bahnschwingungen, die anderenfalls eine nachteilige
Auswirkung auf die Beschichtungsstabilität und -gleichmäßigkeit
haben können.
Das Luftlager 102 weist vorzugsweise eine durchlässige Membran 104 (wie
ein durchlässiges Polyethylen)
in Fluidverbindung mit einer Luftverteilerkammer 106 auf.
Druckluft wird der Luftverteilerkammer 106 durch einen
oder mehrere geeignete Einlässe 108 bereitgestellt,
wie durch den Pfeil 110 angezeigt. Die Luft strömt durch
die Luftverteilerkammer 106 und in die durchlässige Membran 104.
Die durchlässige
Membran 104 weist eine relativ glatte und im Allgemeinen
bogenförmige
Lagerfläche 112 auf,
die benachbart zu der zweiten Seite 28 der Bahn 20 positioniert
ist. Luft, welche die Lagerfläche 112 verlässt, stützt die
Bahn 20, während
sie die Beschichtungsstation 24 und die Elektrode 100 durchquert,
und erzeugt einen Medienzwischenraum (das heißt, Luft) zwischen der Elektrode 100 und
der zweiten Seite 28 der Bahn 20. Während ein
aktives Luftlager beschrieben ist, kann ein passives Luftlager (das
nur die Luftgrenzschicht auf der zweiten Seite der Bahn als das
Lagermedium benutzt) bei ausreichend hohen Bahngeschwindigkeiten
arbeiten. Wie die erfinderische Anordnung aus 3 und 5, bilden
die Ausführungsformen
aus 6 und 7 eine enge Verteilung elektrostatischer
Feldlinien benachbart zu der Fluidbefeuchtungslinie, welche die Beschichtungsfluid-/Bahnbefeuchtungslinie
auf eine gerade Linie an einer gewünschten Stelle begrenzt. Die elektrostatischen
Effekte erhöhen
die Befeuchtungsfähigkeit
des Beschichtungsfluids auf der Bahn und „verriegeln" die Beschichtungsfluid/Bahn-Kontaktlinie
zu einer stabilen Linie, die seitlich über die Bahn verläuft.
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Quantitative
Vergleichsanalysen wurden ausgeführt,
um die Vorteile der erfinderischen elektrostatisch gestützten Beschichtungsanordnung
auszuwerten. In einer Versuchsreihe reichte die Bahn 20 von
einem 0,013 cm (0,005 Inch) dicken Papierträger bis zu einer 0,0076 cm
(0,003 Inch) dicken Papierbeschichtung mit einer Trennschicht auf
der zweiten Seite, wobei das Beschichtungsfluid 32 eine
wasserbasierte Dispersion mit einer Viskosität von etwa 850 Centipoise war.
Die Strömungsgeschwindigkeit
des Beschichtungsfluids in dem Vorhang wurde derart eingestellt,
dass bei einer Bahngeschwindigkeit von 111,25 m/min (365 Fuß/min) eine
Trockenbeschichtungsdicke von etwa 10,6 Mikrometer (0,0042 Inch) erreicht
würde.
Unterschiedliche Vorhanghöhen
von 5,72 cm (2,25 Inch) bis 0,64 cm (0,25 Inch) wurden ausgewertet.
Die Vorhangbeschichtung dieses Fluids ohne eine elektrostatische
Unterstützung
führte
zu sehr geringen Bandgeschwindigkeiten mit Lufteinschluss und Vorhangriss,
wenn die Bahngeschwindigkeiten erhöht wurden. Mehrere elektrostatische Systeme
wurden geprüft,
um das beste Verfahren zum Vorhangbeschichten dieses Fluids zu bestimmen.
Sofern nicht anderweitig erwähnt,
weisen die aufgelisteten Spannungen eine positive Polarität auf. Bei
Benutzung eines Systems wie dem aus 2, jedoch
mit einer leitfähigen
angetriebenen Walze und einer Vorhanghöhe von etwa 1,27 cm (0,5 Inch)
lag die maximale Bahngeschwindigkeit, die ohne Lufteinschluss erhalten
werden konnte, bei 15,25 m/min (50 Fuß/min) ohne Elektrostatik.
Bei dieser Bedingung wurde die Vorhangkontaktlinie etwa 2,5 cm (1
Inch) bahnabwärts
von der oberen Totpunktposition auf der Stützwalze gebeugt. Weitere Erhöhungen der
Bandgeschwindigkeit bewirkten ein Zerreißen des Vorhangs.
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Während die
Spannung der energiebeaufschlagten Stützwalze erhöht wurde, um höhere Bahngeschwindigkeiten
zu ermöglichen,
trat bei etwa 2.500 Volt eine Bogenbildung durch die Bahn auf. Eine
Bahngeschwindigkeit von 112,78 m/min (370 Fuß/min) wurde vor dem dielektrischen
Zusammenbruch der Bahn bei 2.000 Volt erreicht. Wenn eine Bogenbildung
auftrat, nahm die vorteilhafte Wirkung der Elektrostatik stark ab,
was wiederum die Bahngeschwindigkeit einschränkte. Mittels einer Polymerträgerbahn
oder -bandes würde
eine geringere Bogenbildung auftreten, jedoch würden Bahn- oder Bandrestladungen
Probleme hinsichtlich der Beschichtungsgleichförmigkeit verursachen. Das Vorladen
der Bahn in einer Weise, die derjenigen aus 1 ähnlich ist,
wurde auch untersucht, wobei eine sehr geringe Fähigkeit zur Erhöhung der
Bahngeschwindigkeit vorlag, wenn ein Papierträger als die Bahn benutzt wurde.
Das Laden einer mit Gummi oder Keramik abgedeckten Stützwalze
wurde auch ausgewertet. Bei diesen Systemtypen konnten Bahngeschwindigkeiten
von bis zu 137,16 m/min (450 Fuß/min)
erreicht werden, wenn die Koronaladevorrichtung auf 9 bis 12 Kilovolt
eingestellt war. Jedoch können
bei diesem System Ladungsungleichmäßigkeiten auf der hereinkommenden
Bahn oder auf der Walzenfläche
die Linearität
der Kontaktlinie und der Kontaktlinienstabilität beeinflussen.
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Bei
Benutzung der erfinderischen Anordnung aus 3 wurden
eine ausgezeichnete Kontaktlinienstabilität und -linearität beobachtet.
Der Koronaentladungsdraht war ein Wolframdraht mit einem Durchmesser
von 0,0152 cm (0,006 Inch), der in der Regel 1,9 cm (0,75 Inch)
unter der zweiten Seite 28 der Bahn 20 angeordnet
war. Die Leistungsversorgung war eine Hochspannungs-Leistungsversorgung der
EH-Serie, die von Glassman High Voltage, Inc. of Whitehouse Station,
New Jersey, hergestellt wird. Ein DelrinTM-Schirm 60 auf
der oberen Bahnseite war 1,27 cm (0,5 Inch) von dem Koronaentladungsdraht 50 beabstandet.
Bahngeschwindigkeiten von bis zu 198,12 m/min (650 Fuß/min) wurden
unter Anwendung von 15 Kilovolt beobachtet. Die Vorhangströmungsgeschwindigkeit
wurde verdoppelt und die maximalen Bahngeschwindigkeiten von 618,16
m/min (1700 Fuß/min)
wurden bei 17 Kilovolt erhalten. Die Stromnutzung war geringer als
diejenige, die bei einem angetriebenen Stützwalzensystem beobachtet wurde,
und betrug im Allgemeinen weniger als 15 Mikroampere pro Inch Breite.
Dieses System war das aggressivste benutzte System und das am wenigsten empfindliche
mit Bezug auf Prozessvariationen.
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Die
Nützlichkeit
der erfinderischen Anordnung wurde in diesem System weiter veranschaulicht,
wenn eine große
seitliche Diskontinuität
in dem elektrostatischen Feld, das von dem Koronadraht 50 erzeugt
wurde, absichtlich erzeugt wurde. Ein 0,15 cm (0,06 Inch) breiter
Streifen eines elektrischen Bandes des Typs 33 von 3M wurde auf
dem Draht angeordnet, um einen stark verunreinigten Draht zu simulieren.
Bei einer Bahngeschwindigkeit von etwa 635 cm/min (250 Fuß/min) und
8 Kilovolt auf dem Koronadraht blieb die Kontaktlinie recht linear,
wobei eine Breite von 0,32 cm (0,125 Inch) des Vorhangs bahnabwärts um nur
0,076 cm (0,030 Inch) über
dem Bereich des Bandstreifens auf dem Draht gebeugt wurde und wobei
nur eine schmale Lufteinschlusslinie an dem Beugungspunkt auftrat
(die Aufbringung von höheren
Spannungen auf den Draht würde
den Lufteinschluss tendenziell verringern oder beseitigen). Anscheinend
wandern elektrostatische Ladungen, die von dem Draht benachbart
zu dem Bandstreifen erzeugt werden, zu der zweiten Seite der Bahn
direkt über
dem Bandstreifen, wodurch die erforderliche elektrostatische Anziehungskraft
zwischen der Bahn und dem Beschichtungsfluid in dem Beschichtungsbereich
geschaffen wird. Das erfinderische kontaktlose Koronaladesystem
(zum Beispiel wie in 3 dargestellt) schafft ein anpassungsfähiges System,
das eine im wesentlichen gleichmäßige Ladungsverteilung
quer über
die Bahn auf die zweiten Seite der Bahn an der Beschichtungsfluid-Befeuchtungslinie
aufbringt, jedoch mit einer recht abrupten Abnahme der Ladungen
auf der zweiten Seite bahnaufwärts
der Befeuchtungslinie.
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In
einer anderen Prüfung
war die Bahn 20 ein Polyesterträger von 0,0036 cm (0,0014 Inch),
der mit Hilfe einer erfinderischen Systemvorrichtung beschichtet
wurde, die derjenigen aus 6 ähnlich ist. In
dieser Prüfung
wurde ein Luftlager 102a (8) benutzt,
das eine Elektrode 100a stützte. Die Elektrode 100a war
ein seitlich angeordneter leitfähiger Streifen,
der etwa 0,94 cm (0,37 Inch) lang war (in der Bahnführungsrichtung),
wobei ein oberer und ein unterer Bahnrand des leitfähigen Streifens
an der Lagerfläche 112a des
Luftlagers 102a hafteten (um Koronaentladungen an diesen
Rändern
zu verhindern). Das Beschichtungsfluid 32 war eine wasserbasierte Emulsion
mit einer Viskosität
von etwa 800 Centipoise und die Strömungsgeschwindigkeit wurde
eingestellt, um eine Trockenbeschichtungsdicke von etwa 19 Mikrometer
(0,00075 Inch) bei einer Bahngeschwindigkeit von 304,8 m/min (1000
Fuß/min)
zu erreichen. Bei einer Beschichtungsvorhanghöhe von 13,34 cm (5,25 Inch)
betrug die maximale erhaltene Bahngeschwindigkeit (vor der Degradation
der Beschichtungsgleichmäßigkeit)
etwa 121,92 m/min (400 Fuß/min)
ohne die Benutzung von Elektrostatik. Wenn das elektrostatische
System aktiviert war, betrug die maximale erhaltende Bahngeschwindigkeit etwa
487,68 m/min (1600 Fuß/min)
bei einer Elektrodenspannung von 5 Kilovolt. Der Bahnbetrieb bei
höheren
Geschwindigkeiten würde
Lufteinschlussblasen bewirken. Jedoch war ein Hauptproblem bei dem System,
dass sehr hohe Strompegel (von etwa 500 Mikroampere pro Inch Beschichtungsbreite)
erforderlich waren. Während
die Spannung auf der Elektrode 100a erhöht wurde, um höhere Bahngeschwindigkeiten
zu ermöglichen,
waren höhere
Strompegel erforderlich, so dass eine Bogenbildung auftreten konnte.
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Die
erfinderische elektrostatisch gestützte Beschichtungsvorrichtung
aus 3 wurde mit dem gleichen Beschichtungsfluid und
Polyestersubstrat benutzt wie in dem obigen Beispiel (die Bahn 20 war ein
Polyesterträger
von 0,0036 cm (0,0014 Inch) und das Beschichtungsfluid 32 war
eine wasserbasierte Emulsion mit einer Viskosität von etwa 800 Centipoise).
Die Beschichtungsvorhang-Strömungsgeschwindigkeit
wurde eingestellt, um eine Trockenbeschichtungsdicke von 19 Mikrometern
(0,00075 Inch) bei einer Bahngeschwindigkeit von 914,1 m/min (3000
Fuß/min)
und einer Beschichtungsvorhanghöhe
von 19,37 cm (7,625 Inch) hervorzubringen. Ein DelrinTM Schirm 60 auf
der oberen Bahnseite wurde um 0,635 cm (0,25 Inch) von dem Koronaentladungsdraht 50 beabstandet.
Ein bahnabwärts
angeordneter Schirm wurde für
diese Prüfung
auch benutzt und 0,635 cm (0,25 Inch) von dem Koronaentladungsdraht 50 beabstandet.
Wenn das elektrostatische System bei einer Spannung von 19 Kilovolt
aktiviert war, wurde eine Bahngeschwindigkeit von 914,1 m/min (3000
Fuß/min)
mit einer linearen und stabilen Befeuchtungslinie und ohne Lufteinschluss
erhalten. Der Stromstoß betrug
im Allgemeinen nur 10 Mikroampere pro Inch.
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Bei
der Benutzung war das elektrostatisch gestützte Beschichtungssystem aus 3 aggressiver
als erwarten und die Beschichtungsbefeuchtungslinie war linear und
stabil. Die Interaktion zwischen dem geerdeten leitfähigen Beschichtungsfluid 32 und
dem Koronaentladungsdraht 50 erzeugt eine abrupte und intensive
Aufbringung elektrischer Ladungen 58 auf der zweiten Seite 28 der
Bahn 20 entlang einer gewünschten seitlichen Fluidbefeuchtungslinie
(siehe 5). Die Benutzung einer bahnaufwärts angeordneten
Abschirmung erhöht
die Abruptheit des Feldes weiter. Die Anziehung einer hohen Ladungsdichte
zu der zweiten Seite 28 der Bahn 20 gegenüber der
Stelle, an der das Be schichtungsfluid 32 die erste Seite 26 der
Bahn 20 berührt
(und eine zunehmend niedrigere Ladungsdichte in einer Stromaufwärtsrichtung),
erzeugt äußerst fokussierte elektrostatische
Feldlinien. Die Linearität
der Kontaktlinie war bei dem Beschichtungssystem aus 3 viel
besser als bei einem bekannten dielektrischen Trägerwalzensystem wie in 2 dargestellt. Die
Anordnung aus 3 ist flexibel und selbstausgleichend
und erzeugt einen elektrostatischen fokussierten Feldgradienten.
Dieses System ist im Vergleich zu bekannten Systemen einfacher,
sicherer (da geringere Strompegel benutzt werden) und leidet weniger
wahrscheinlich unter den Auswirkungen eines dielektrischen Zusammenbruchs
der Bahn.
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Das
System aus 3 beseitigt auch die hohen Stromanforderungen,
wenn wasserbasierte oder leitfähige
Fluida benutzt werden. In der Regel kann ein Strom von mehr als
98,43 Mikroampere pro cm (250 Mikrometer pro Inch) Breite (der Bahn)
erforderlich sein, wenn eine leitfähige energiebeaufschlagte Trägerwalze
für eine
bekannte elektrostatisch gestützte
Beschichtung bei Beschichten bei sehr hohen Bahngeschwindigkeiten
benutzt wird. Jedoch wird bei dem Koronaentladungsdraht aus 3 die
Stromanforderung für
die elektrostatische Ladungserzeugung im Allgemeinen auf 9,843 Mikroampere
pro cm (25 Mikroampere pro Inch) Breite oder weniger verringert.
Folglich weist das System aus 3 eine sehr
geringe Stromschlaggefahr auf und ist demzufolge sicherer. Um dieses
System mit geringer Stromschlaggefahr weiter zu verbessern, können Widerstände von
geeigneter Größe (oder
andere Strom einschränkende
Systeme) in Reihe mit der Hochspannungsversorgung zu dem Koronaentladungsdraht
benutzt werden. Dies reduziert den maximalen Stromfluss in Falle
einer Entladung und verteilt die kapazitive Energie der Leistungsversorgung über eine
längere
Zeitspanne (wodurch der Spitzenstrom in einer Entladung vermindert
wird).
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In
der erfinderischen elektrostatisch gestützten Beschichtungsvorrichtung
des Systems aus 3 ist der Koronaentladungsdraht 50 von
der zweiten Seite 28 der Bahn 20 nah beabstandet.
Der Koronaentladungsdraht 50 sollte von der zweiten Seite 28 der
Bahn 20 beabstandet sein, um einen Luftspalt bereitzustellen,
um einen wirksamen Koronaentladungseffekt zu erhalten. Der Zwischenraum von
Draht zu Bahn hängt
von einer Anzahl von Faktoren ab, einschließlich zum Beispiel von der
Bahndicke und dielektrischen Stärke,
der Beschichtungsfluidleitfähigkeit
und der Bahngeschwindigkeit. Der Zwischenraum liegt vorzugsweise
im Bereich von 0,08 cm (0,031 Inch) bis 5,1 cm (3 Inch) und mehr
bevorzugt im Bereich von 1,58 cm (0,625 Inch) bis 1,9 cm (0,75 Inch).
-
Der
Zwischenraum des stromaufwärts
angeordneten Seitenschirms 60 von dem Koronaentladungsdraht 50 beträgt vorzugsweise
0,15 cm (0,06 Inch) bis 7,7 cm (3,0 Inch). Ein Seitenschirm kann auch
um einen ähnlichen
Abstand stromabwärts
von dem Koronaentladungsdraht 50 bereitgestellt werden,
um den Ladungsverlust aufgrund des Koronaentladungseffekts weiter
einzuschränken.
Die verhindert, dass unnötige
Ladungen stromabwärts
von der gewünschten
Beschichtungsbefeuchtungslinie gehen.
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Der
Koronaentladungsdraht 50 kann direkt unter der anfänglichen
Befeuchtungslinie des Beschichtungsfluids 32 auf der Bahn 20 positioniert
werden. Eine Bahnbewegung, Oberflächenspannung, Grenzschichteffekte
auf der ersten Seite der Bahn 20 und die Elastizität des Beschichtungsfluids 30 können eine
Verschiebung der Beschichtungsbefeuchtungslinie in Bahnabwärtsrichtung
bewirken. Aufgrund der starken elektrostatischen Anziehung, das mit
dieser Erfindung erreicht werden kann, gibt die Position des Koronaentladungsdrahtes 50 tendenziell
die Betriebsposition der Beschichtungsbefeuchtungslinie vor, wenn
der Koronaentladungsdraht 50 zur Beschichtungsunterstützung aktiviert
wird. Folglich kann die Position des Koronaentladungsdrahtes 50 (stromaufwärts oder
stromabwärts
von der anfänglichen
Beschichtungsbefeuchtungslinie) eine entsprechende Bewegung der
Befeuchtungslinie bewirken, da sie sich selbst mit den entgegengesetzten angezogenen
elektrischen Ladungen ausrichtet. Vorzugsweise ist der Koronaentladungsdraht 50 nicht mehr
als 2,54 cm (1,0 Inch) stromaufwärts
oder stromabwärts
von der Stelle positioniert, bei welcher die anfängliche Befeuchtungslinie fallen
würde,
wenn sie von den Ladungen unbeeinflusst wäre.
-
Die
Benutzung eines Koronaentladungsdrahtes, der von der Bahn benachbart
zu der Befeuchtungslinie beabstandet ist, eignet sich gut für eine tangentiale
Fluidbeschichtung. Eine tangentiale Beschichtungsvorrichtung, die
ein Luftlager benutzt, um einen Koronadraht zur elektrostatischen
Beschichtungsunterstützung
aufzunehmen, ist in 9 dargestellt (mittels einer
Luftlager-/Elektrodenanordnung, wie in 7 dargestellt).
Die Breite "w" des Kanals (7)
in dem Luftlager 102, das den Koronadraht aufnimmt, beträgt vorzugsweise
0,635 cm (0,25 Inch) bis 1,9 cm (0,75 Inch), kann jedoch größer oder kleiner
sein. Die tangentiale Vorhangbeschichtung ist im Allgemeinen dazu
fähig,
Beschichtungsfluida mit höheren
Ausdehnungsviskositäten
zu verarbeiten als bei horizontalen Vorhangbeschichtungsgeometrien möglich ist.
Die tangentiale Beschichtungsanordnung aus 9 bringt
einen geringeren Richtungswechsel des Beschichtungsvorhangs an der
Befeuchtungslinie hervor und weist den zusätzlichen Herstellungsvorteil
auf, dass, wenn die Bahn 20 reißt, der Koronaentladungsdraht 50 nicht
so leicht mit Beschichtungsfluid 32 verunreinigt wird.
Das Modifizieren der Anordnung, um einen sich kontinuierlich bewegenden oder
diskontinuierlich bewegenden Koronaentladungsdraht aufzuweisen,
würde einen
sauberen Draht gewährleisten.
Außerdem
kann ein Luftstrom um den Draht benutzt werden, um Teilchen davon
abzuhalten, sich an den Draht zu binden (was hinsichtlich einer
langfristigen Herstellungsalterungsbeständigkeit wünschenswert ist).
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10 stellt
eine alternative Ausführungsform
der elektrostatisch gestützten
Beschichtungsvorrichtung mit fokussierter Bahnladung dar. In dieser
Ausführungsform
werden elektrostatische Ladungen, die auf die Bahn 20 aufgebracht
werden, von einem Ladungsgenerator erzeugt, der von der Bahn entfernt
beabstandet ist, und dann durch ein geeignetes Medium auf die zweite
Seite 28 der Bahn 20 übertragen. Wie das System aus 3 definiert
diese Version die Position der Beschichtungsbefeuchtungslinie, minimiert
die Luftgrenzschicht und vergrößert akzeptable
Prozessparameter.
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In 10 ist
ein seitlich verlaufender Koronaentladungsdraht 80 innerhalb
einer Trommel 82 angeordnet. Der Koronaentladungsdraht 80 ist
um mindestens 7,62 cm (3,0 Inch) von der Bahn 20 entfernt
beabstandet. Die Trommel 82 kann benachbart zu der Bahn 20 wie
durch Schirme 84, 86 hinsichtlich der Leitung
abgeschirmt sein. Die Schirme 84, 86 können geerdet
oder auf ein gewünschtes
Potential erhöht
sein. Die Schirme 84, 86 sind durch einen seitlich
verlaufenden Schlitz 88 getrennt und die zylindrische Wand
der Trommel 82 weist einen seitlich verlaufenden Schlitz 90 auf,
der im Allgemeinen mit dem Schlitz 88 ausgerichtet ist.
Folglich ist die Innenseite der Trommel 82 zu der Außenseite
durch diese Schlitze 88, 90 offen. Die Trommel 82 kann
auch einen Einlass 91 für
einen Luftstrom durch die Trommel 82 aufweisen. Ionen oder
elektrische Ladungen 92, die von dem Koronaentladungsdraht 80 entladen werden,
sind innerhalb der Trommel 82 enthalten und können die
Trommel 82 (benachbart zu ihrem oberen Abschnitt) nur durch
die Schlitze 88, 90 verlassen. Der obere Bahnrand
des Schlitzes 88 ist in der Regel derart ausgerichtet,
dass er zu der anfänglichen
Be schichtungsbefeuchtungslinie 52 benachbart liegt. Die
Ladungen 92 aus dem Koronaentladungsdraht 80 werden
nur auf die zweite Seite 28 der Bahn 20 durch
die Schlitze 88, 90 aufgebracht. Es besteht kein
Kontakt zwischen dem Ladungsgenerator und der Bahn 20.
Dieses System erzeugt eine abrupte und stark fokussierte seitlich
angeordnete Aufbringung von Ladungen 92 auf die Bahn 20,
selbst wenn diese Ladungen 92 von der Bahn 20 entfernt
und ohne jeglichen Kontakt zwischen dem Ladungsgenerator und der
Bahn 20 erzeugt werden. Wenngleich eine Trommel dargestellt
ist, werden auch andere Geometrien zur Aufbringung von Ladungen
berücksichtigt,
die entfernt erzeugt werden, wie eine rechteckige oder dreieckige
Struktur, bei welcher der Strom von einem Ionengebläse oder
einem geladenen Draht bereitgestellt wird.
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Eine
andere Ausführungsform
der elektrostatisch gestützten
Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in 11 dargestellt
und zeigt ein anderes Mittel zum Bereitstellen von elektrostatischen
Ladungen an einer Position, die von der Beschichtungsstation 24 entfernt
ist. Ein seitlich verlaufender elektrischer Ladungsapplikator (wie
ein Koronaentladungsdraht 130) ist bahnaufwärts von
der Beschichtungsstation 24 beabstandet, vorzugsweise auf
der ersten Seite 26 der Bahn 20. Der Koronaentladungsdraht 130 (oder
eine andere geeignete Elektrode) bringt elektrostatische Ladungen 132 auf
die erste Seite 26 der Bahn 20 an einer Ladungsanwendungsstation 134 auf,
die längs
und stromaufwärts von
der Beschichtungsstation 24 beabstandet ist. In diesem
System ist eine geerdete Fläche
oder Platte 136 entlang der zweiten Seite 28 der
Bahn 20 bahnaufwärts
von der Beschichtungsstation 24 ausgerichtet und davon
beabstandet. Der Koronadraht 130 kann an einem Punkt oberhalb
der geerdeten Platte 136 (wie dargestellt) positioniert
sein oder kann sich an einer Position weiter stromaufwärts von
einem vorderen Ende 137 der geerdeten Platte 136 befinden.
Ein hinteres Ende 138 der freigelegten geerdeten Platte 136 endet
im Wesentlichen leicht bahnaufwärts
von der anfänglichen
seitlichen Beschichtungsbefeuchtungslinie 52. Die Position
des hinteren Randes 138 bestimmt größtenteils die Befeuchtungslinie, wenn
die Elektrostatik aktiviert wird. Vorzugsweise befindet sich der
hintere Rand 138 auf einer der Seiten der anfänglichen
Befeuchtungslinie. Die Platte 136 verläuft bahnabwärts an der anfänglichen
Befeuchtungslinie vorbei, sofern sie wirksam abgeschirmt ist, um
einen hinteren Rand der Platte zu definieren. Der Koronaentladungsdraht 130 bringt
elektrische Ladungen 132 auf die erste Seite 26 der
Bahn 20 auf. Die elektrostatische Anziehung der Ladungen 132 auf
der Bahn 20 zu der Platte 136 ist größer als die
Anziehung der Ladungen 132 zu dem geerdeten Beschichtungsfluid 32 (aufgrund
der Nähe
der Platte zu der Bahn), bis sich die Ladungen 132 näher zu dem
geerdeten Fluid 32 als zu der geerdeten Platte 136 befinden,
und insbesondere an dem hinteren Rand 138 der Platte 136 (die
das fokussiertere Feld erzeugt). An diesem Punkt wird das geerdete
Fluid 32 dann zu den Ladungen 132 in der Bahn 20 gezogen,
wodurch die Definition der Befeuchtungslinie in der stark fokussierten
Weise der vorliegenden Erfindung und ihre zugehörigen Vorteile, wie oben beschrieben,
elektrostatisch unterstützt
werden. Die bahnaufwärts
angeordneten elektrostatischen Ladungen 132 sind "maskiert" oder werden als
anziehende Ladungen bezüglich
des Beschichtungsfluid 32 bis zu dem Punkt in der Nähe des hinteren
Randes 138 der geerdeten Platte 136 unwirksam
gemacht (an diesem Punkt werden die elektrostatischen Ladungen 132 auf
der Bahn 20 zu wirksamen (das heißt, anziehenden) Ladungen bezüglich des Beschichtungsfluids 32,
um die Definition der Befeuchtungslinie gemäß den hierin erwähnten Prinzipien
der Erfindung elektrostatisch zu unterstützen). Während die Platte 136 vorzugsweise
geerdet ist, kann es ferner genügen,
eine Platte oder Fläche
bereitzustellen, die ein leicht erhöhtes Potential aufweist (sofern
sie dem Zweck des Unwirksammachens der elektrischen Ladungen dient,
die auf die Bahn aufgebracht werden, bis sie die Kontaktlinie des
Beschichtungsfluids erreichen). Vorzugsweise ist das Potential der
Platte dem Potential der Ladungen 132 elektrisch entgegengesetzt.
Obwohl 11 die Benutzung eines Koronaentladungsdrahtes 130 zum Liefern
von Ladungen 132 auf die erste Seite 26 der Bahn 20 darstellt,
könnten
die Ladungen ferner durch jedes beliebige geeignete Ladungslieferschema
aufgebracht werden und könnten
sogar auf die zweite Seite 28 der Bahn 20 aufgebracht
werden. Ungeachtet dessen, wie die Bahn 20 geladen wird,
macht die Erfindung diese Ladungen zu elektrostatischen Anziehungszwecken
nur im Wesentlichen an und bahnabwärts der Fluidbefeuchtungslinie
wirksam.
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Vergleichsbeschichtungsvorgänge wurden (mit
Glycerin als das Beschichtungsfluid) ausgeführt, um die Durchführbarkeit
und Nützlichkeit
von Maskierungsladungen zum Erzeugen fokussierterer Felder zu zeigen.
Das benutzte System war dem System aus 11 ähnlich,
mit der Ausnahme, dass der Bahnvorladungsschritt auf einer Spannwalze
bahnaufwärts
von der Beschichtungsstation ausgeführt wurde. Der Spalt zwischen
dem Bahnladungsdraht und der Spannwalze mit einem Durchmesser von 7,62
cm (3 Inch) betrug etwa 1,8 cm (0,7 Inch). Die geerdete Platte war
aus Aluminium, wobei die Fläche,
die zu der Bahn zeigte, 10,8 cm (4,25 Inch) lang und 30,5 cm (12
Inch) breit war. Der Spalt zwischen der geerdeten Platte und der
Bahn an der Beschichtungsstation betrug etwa 0, 32 cm (0, 125 Inch).
Die Ränder
der Platte waren mit einem elektrischen Band des Typs 33 von 3M
abgedeckt, um Koronaentladungen von den Rändern der Platte zu verhindern.
Die Düsenposition
wurde derart eingestellt, dass ein vertikal fallender Vorhang eines
Beschichtungsfluids die Bahn an dem vorderen Rand des Bandes an
dem verjüngten
hinteren Rand der geerdeten Platte ohne Elektrostatik und mit einer
ortsfesten Bahn berührt. Der
Spalt zwischen der Bahn und der Düse betrug 1,43 cm (0,56 Inch).
Die Polyesterbahn war 30,48 cm (12 Inch) breit und 0,00356 cm (0,0014
Inch) dick. Die Düse
war eine Gleitvorhangdüse
mit einer Beschichtungsbreite von 25,4 cm (10 Inch) und einer Düsenschlitzdicke
von 0,076 cm (0,030 Inch). Das Beschichtungsfluid war Glycerin (zu
99,7% rein) von Milsolv® Minnesota Corporation.
Die Vorhanghöhe wurde
auf 1,9 cm (0,75 Inch) eingestellt. Die gemessene Viskosität des Beschichtungsfluids
war etwa 1060 Centipoise und seine Oberflächenspannung war etwa 46 dyne/cm.
Die Strömungsgeschwindigkeit
des Glycerins wurde eingestellt, um eine Nassbeschichtungsdicke
von 51 Mikrometern (0,002 Inch) bei einer Bahngeschwindigkeit von
30,5 m/min (100 Fuß/min)
zu erreichen.
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Ohne
Elektrostatik richtete sich die Befeuchtungslinie bei 1,53 m/min
(5 Fuß/min)
bahnabwärts von
der vertikalen Vorhangposition mit großen Mengen eingeschlossener
Luft um etwa 2,3 cm (0,9 Inch) selbst aus. Höhere Geschwindigkeiten würden die Kontaktlinie
bahnabwärts
weiter bewegen und einen Vorhangriss bewirken. Mit einer elektrostatischen Vorladung
der Bahn bei 12 Kilovolt und ohne Ladungsmaskierungsplatte bewegte
sich die Befeuchtungslinie bahnaufwärts, war jedoch sehr nichtlinear und
wies große
instabile Rippen mit Zwischenräumen
zwischen den Rippen von etwa 2,5 bis 5 cm (1 bis 2 Inch) auf. Die
Rippen verliefen bahnaufwärts von
der vertikalen Position um etwa 0,64 cm (0,25 Inch) und bahnabwärts um etwa
1,27 cm (0,5 Inch) bei einer Linearität von etwa plus oder minus
0,97 cm (0,38 Inch). Niedrigere aufgebrachte Spannungen führten dazu,
dass sich die Befeuchtungslinie weiter bahnabwärts bewegte, während höhere Spannungen die
Kontaktlinie weiter bahnaufwärts
bewegten und eine instabilere Befeuchtungslinie erzeugten. Das Erhöhen der
Bahngeschwindigkeit bewirkte eine größere Instabilität und Vorhangriss.
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Die
Benutzung des gleichen Bahnvorladesystems, jedoch bei gleichzeitiger
Benutzung der geerdeten Platte zum Maskieren der bahnaufwärts angeordneten
Ladungen führte
zu einer wesentlichen Verbesserung. Bei der gleichen bahnaufwärts angeordneten
Vorladung von 12 Kilovolt befand sich die Befeuchtungslinie etwa
an der vertikalen Position mit einer Linearität von plus oder minus 0,32
cm (0,125 Inch) und war bei einer Bahngeschwindigkeit von 1,53 m/min
(5 Fuß/min)
stabil. Weitere Erhöhungen der
Spannung bewirkten keine Bewegung der Befeuchtungslinie nach oben
und führten
zu einer erhöhten
Linearität.
Dieses System ermöglichte
auch, dass die Bahngeschwindigkeit zunahm. Bei 24,4 m/min (80 Fuß/min) war
die Befeuchtungslinie bei 20 Kilovolt etwa an der vertikalen Position
mit einer visuellen Linearität
von etwa plus oder minus 0,08 cm (1/32 Inch) stabil. Bei dieser
Geschwindigkeit wurde eingeschlossene Luft mit einem Durchmesser
von etwa 0,127 cm (0,050 Inch) und weniger verzeichnet.
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Zu
Vergleichszwecken wurde das System wie in 3 dargestellt
benutzt. Die Bahnvorladung und die geerdete Ladungsmaskierungsplatte
wurden nicht benutzt, ansonsten war das System das gleiche wie bei
der letzten Prüfung,
wobei die Vorhanghöhe etwa
1,9 cm (0,75 Inch) betrug. Bei der Benutzung einer Spannung von
12 Kilovolt auf der Elektrode (Koronaentladungsdraht) und einer
Bahngeschwindigkeit von 1,53 m/min (5 Fuß/min) befand sich die Befeuchtungslinie
0,32 cm (0,125 Inch) bahnabwärts von
der vertikalen Position und war ohne Lufteinschluss linear und stabil.
Bei sowohl 15 Kilovolt als auch 20 Kilovolt war die Befeuchtungslinienposition vertikal
(direkt über
dem Draht). Die Bahngeschwindigkeit wurde dann auf 30,48 m/min (100
Fuß/min) bei
20 Kilovolt erhöht
und die Befeuchtungslinie blieb bei der vertikalen Position mit
einer linearen und stabilen Befeuchtungslinie und ohne visuellen
Lufteinschluss. Messungen der Befeuchtungslinienposition und – linearität der Kontaktlinie
wurden im Allgemeinen visuell eingeschätzt.
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Diese
Prüfungen
zeigen, dass die Systeme aus 3 und 11 die
Felder fokussieren können,
um eine lineare und stabile Befeuchtungslinie zu erzeugen und höhere Beschichtungsgeschwindigkeiten
zu ermöglichen.
Außerdem
wurde gesehen, dass das System aus 3 aggressiver
war und breitere Betriebsfenster aufzuweisen schien. Das System
aus 11 kann funktionell sein, wobei eine weniger aggressive
elektrostatische Unterstützung
erforderlich ist.
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Das
Maskieren von Ladungen ist noch ein anderer Weg zum Erzeugen fokussierterer
Felder. Zahlreiche andere Art und Weisen sind ebenfalls denkbar,
einschließlich
der Benutzung von Feldformungstechniken mittels entgegengesetzter
Felder oder Ladungsquellen oder jedes beliebigen Systems, welches
das Feld formt.
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3, 6, 9, 10 und 11 stellen
einige der vielen Variationen einer Vorrichtung zum Aufbringen elektrischer
Ladungen auf die zweite Seite der Bahn an der Beschichtungsstation
dar.
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Zum
Erreichen der verbesserten Verfahrensbedingungen der vorliegenden
Erfindung sind für
den Fachmann zahlreiche andere Anordnungen offensichtlich, welche
in den Geist und den Schutzbereich dieser Offenbarung fallen. Ein
bedeutender Vorteil des Erzeugens elektrischer Ladungen an einer
Stelle, die von der Beschichtungsstation entfernt ist, und des Übertragens
dieser Ladungen durch ein Fluidmedium (wie Luft) auf die Bahn ist
eine Vereinfachung der Struktur zur Erleichterung der Wartung und
des Betriebs. Der elektrische Ladungsgenerator muss nicht benachbart
zu dem Beschichtungsfluidapplikator oder sogar an der Beschichtungsstation liegen.
Wenn die Bahn reißt,
kann darüber
hinaus eine Kontamination des elektrischen Ladungsgenerators durch
das Beschichtungsfluid minimiert oder vermieden werden. Diese Vorteile
führen
zu Einsparungen der Betriebszeit und einer verbesserten Produktivität.
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Verschiedene
Veränderungen
und Modifikationen können
in der Erfindung vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich oder
Geist der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann jedes beliebige
Verfahren angewendet werden, um das fokussierte Bahnladungsfeld
zu erzeugen. Außerdem
können, wie
oben erwähnt,
zahlreiche Beschichtungsprozesse (einschließlich sogar der Walzenbeschichtung) aus
fokussierteren elektrostatischen Feldern Nutzen ziehen. Zum Beispiel
kann das fokussierte Feld über der
anfänglichen
Befeuchtungslinie beim Kiss-Coating die Aggressivität, Befeuchtungsfähigkeit
und Prozessstabilität
verbessern.
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Das
elektrostatische fokussierte Feld kann auch in seitlich diskontinuierlicher
Weise hergestellt werden, um nur bestimmte Bahnabwärtsstreifen
des Beschichtungsfluids auf die Bahn zu beschichten, oder es kann
mit Energie beaufschlagt werden, um mit der Beschichtung in einem
Bereich zu beginnen, und abgeschaltet werden, um mit der Beschichtung in
einem Bereich aufzuhören,
um eine Insel von Beschichtungsfluid auf der Bahn oder ein Muster
von Beschichtungsfluid einer gewünschten
Natur zu bilden. Das elektrostatische Feld kann auch nichtlinear hergestellt
werden, zum Beispiel von einer seitlich nichtlinearen Koronaquelle,
um eine nichtlineare Kontaktlinie und eine nicht gleichmäßige Beschichtung
zu schaffen. Wenn eine Elektrode eine Bahnabwärtskrümmung in einem bestimmten seitlich
angeordneten Bereich aufweist, kann die Beschichtung in diesem Bereich
im Vergleich zu benachbarten Bereichen folglich dicker sein.