DE60123230T2 - Elektrostatisch erregtes beschichtungsverfahren und vorrichtung mit fokussiertem materialbahnladungsfeld - Google Patents

Elektrostatisch erregtes beschichtungsverfahren und vorrichtung mit fokussiertem materialbahnladungsfeld Download PDF

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Description

  • FACHGEBIET
  • 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.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Das Verfahren und die Vorrichtung zum Aufbringen einer Fluidbeschichtung auf ein Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung sind durch die Merkmale der Ansprüche gekennzeichnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die elektrischen Ladungen können eine erste Polarität aufweisen und das Verfahren kann das Aufbringen elektrischer Ladungen einer zweiten entgegengesetzten Polarität auf das Fluid aufweisen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Elektrische Ladungen aus dem elektrischen Ladungsapplikator können eine erste Polarität aufweisen und Ladungen mit einer zweiten, entgegengesetzten Polarität können auf das Beschichtungsfluid aufgebracht werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 4 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Abschnitts von 2, welche die aufgebrachten elektrostatischen Ladungen und Kraftlinien darstellt.
  • 5 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Abschnitts von 3, welche die aufgebrachten elektrostatischen Ladungen und Kraftlinien während der Beschichtungsvorgänge darstellt.
  • 6 ist eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der elektrostatisch unterstützten Beschichtungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, wobei eine Luftlageranordnung einen Koronadraht unterbringt.
  • 7 ist eine vergrößerte schematische Ansicht der Luftlageranordnung mit dem Koronadraht aus 6.
  • 8 ist eine vergrößerte schematische Ansicht einer alternativen Luftlageranordnung mit einem leitfähigen Streifen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (21)

  1. 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 und wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer relativen Längsbewegung zwischen dem Substrat und einer Fluidbeschichtungsstation; Bilden einer Fluidbefeuchtungslinie durch Einführen eines Fluidstroms in einem Winkel von 0° bis 180° auf die erste Fläche des Substrats entlang eines seitlich angeordneten Fluidbahn-Kontaktbereichs an der Beschichtungsstation; und Erzeugen einer elektrischen Kraft auf dem Fluid aus einem fokussierten elektrischen Feld, das aus elektrischen Ladungen entsteht, die sich auf der zweiten Seite des Substrats befinden, wobei die elektrische Kraft im Wesentlichen an und stromabwärts der Fluidbefeuchtungslinie wirksam ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens mindestens einen der folgenden Schritte aufweist: Übertragen der elektrischen Ladungen durch ein Fluidmedium und Aufbringen der elektrischen Ladungen auf die zweite Fläche des Substrats; Übertragen der elektrischen Ladungen von einer Ladungsquelle und Aufbringen der elektrischen Ladungen auf die zweite Fläche des Substrats mit Hilfe des physikalischen Kontakts zwischen einem Abschnitt der Ladungsquelle und dem Substrat; und Übertragen der elektrischen Ladungen durch ein Fluidmedium und Aufbringen der elektrischen Ladungen auf die zweite Fläche des Substrats von einer seitlich verlaufenden Koronaentladungsquelle, die von der zweiten Fläche des Substrats an der Fluidbeschichtungsstation nah beabstandet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Stützen des Substrats benachbart zu der Fluidbeschichtungsstation auf der zweiten Seite des Substrats aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Abschirmen von oberen Bahnabschnitten der Bahn von den elektrischen Ladungen aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bilden des Fluidstroms und das tangentiale Einführen des Fluidstroms auf die erste Fläche des Substrats aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrischen Ladungen eine erste Polarität aufweisen, und ferner aufweisend das Aufbringen von zweiten elektrischen Ladungen mit entgegengesetzter Polarität auf das Fluid.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erzeugens aufweist: Bilden von elektrischen Ladungen als erste Ladungen an einer Stelle, die von dem Substrat entfernt ist; Übertragen der ersten Ladungen durch ein Fluidmedium auf einen seitlich angeordneten Ladungsanwendungsbereich, der benachbart zu der zweiten Fläche des Substrats an dem Fluidkontaktbereich liegt; und Aufbringen der ersten Ladungen durch ein Fluidmedium auf die zweite Fläche des Substrats an einer Stelle auf dem Substrat, die sich im Wesentlichen bei und stromabwärts von der Fluidbefeuchtungslinie befindet, um eine elektrische Kraft auf dem Fluid zu erzeugen.
  8. Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfluids auf ein Substrat mit einer relativen Längsbewegung im Hinblick auf die Vorrichtung, wobei das Substrat eine erste Fläche auf einer ersten Seite und eine zweite Fläche auf einer zweiten Seite aufweist und wobei die Vorrichtung aufweist: 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, der seitlich über die zweite Seite des Substrats verläuft und im Allgemeinen gegenüber der Fluidbefeuchtungslinie auf der ersten Fläche des Substrats ausgerichtet ist, um das Substrat nur an einer Stelle auf dem Substrat zu laden, die sich im Wesentlichen bei und stromabwärts von der Fluidbefeuchtungslinie befindet.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der elektrische Ladungsapplikator mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: einen seitlich verlaufenden geladenen Draht, ein scharfkantiges Glied, ein scharfkantiges leitfähiges Blatt, eine Reihe von Nadeln, eine Bürste und eine gezahnte Messerkante.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der elektrische Ladungsapplikator aufweist: eine elektrische Ladungsquelle zum Erzeugen von elektrischen Ladungen als erste elektrische Ladungen, die von der zweiten Fläche des Substrats beabstandet ist; und ein Fluidmedium, das zwischen der elektrischen Ladungsquelle und der zweiten Fläche des Substrats angeordnet ist, 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.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der elektrische Ladungsapplikator von der zweiten Fläche des Substrats gleichmäßig beabstandet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner ein Luftlager aufweist, das seitlich über das Substrat benachbart zu dem elektrischen Ladungsapplikator zum Stützen und Ausrichten der zweiten Seite des Substrats bezüglich des elektrischen Ladungsapplikators verläuft.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner eine elektrostatische Feldsperre aufweist, die nahe des elektrischen Ladungsapplikators und des Substrats angeordnet ist, um Abschnitte der Bahn, welche stromaufwärts von der Fluidbefeuchtungslinie liegen, von elektrischen Ladungen abzuschirmen, die von dem elektrischen Ladungsapplikator erzeugt werden.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Mittel zum Verteilen einen Beschichtungsfluidverteiler auf weist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Vorhangbeschichter, einem Kügelchenbeschichter, einem Extrusionsbeschichter, Trägerfluid-Beschichtungsverfahren, einem Gleitbeschichter, einem Rakelbeschichter, einem Düsenbeschichter, einem Kerbprüfstab, einem Walzbeschicter und einem Fluidlagerbeschichter.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der elektrische Ladungsapplikator erste elektrische Ladungen erzeugt, die eine erste Polarität aufweisen, und ferner aufweisend Mittel zum Aufbringen von zweiten Ladungen mit entgegengesetzter Polarität auf den Beschichtungsfluidstrom.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Mittel zum Verteilen ausgerichtet ist, um den Fluidstrom auf das Substrat in einem Winkel von 0° bis 180° zu verteilen.
  17. Verfahren zum Aufbringen einer Fluidbeschichtung auf ein Substrat, wobei das Substrat eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, und wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer relativen Längsbewegung zwischen dem Substrat und einer Fluidbeschichtungsstation; Bilden einer Fluidbefeuchtungslinie durch Einführen eines Fluidstroms in einem Winkel von 0° bis 180° auf die erste Fläche des Substrats entlang eines seitlich angeordneten Fluidbahn-Kontaktbereichs an der Fluidbeschichtungsstation; und Aussetzen des Fluids effektiven elektrostatischen Ladungen auf dem Substrat an nur einer Stelle auf dem Substrat, die im Wesentlichen bei und stromabwärts der Fluidbefeuchtungslinie liegt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Aussetzens ferner das Aufbringen der elektrischen Ladungen auf eine der ersten und der zweiten Fläche des Substrats an einer Stelle aufweist, die sich bahnaufwärts der Fluidbeschichtungsstation befindet.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Aussetzens ferner das Unwirksammachen der elektrischen Ladungen als elektrostatische Ladungen im Hinblick auf das Fluid aufweist, bis sich die elektrischen Ladungen mindestens im wesentlichen bei der Fluidbefeuchtungslinie befinden.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Aussetzens ferner aufweist: Aufbringen elektrischer Ladungen auf das Substrat bahnaufwärts von der Fluidbefeuchtungslinie; und Maskieren der elektrischen Ladungen, bis sich die elektrischen Ladungen mindestens im Wesentlichen bei der Fluidbefeuchtungslinie befinden.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die elektrischen Ladungen auf die erste Fläche des Substrats aufgebracht werden, und 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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