DE69307523T2

DE69307523T2 - Vorrichtung und verfahren zur elektrostatischen sprühbeschichtung

Info

Publication number: DE69307523T2
Application number: DE69307523T
Authority: DE
Inventors: William Berggren; Daniel Danielson; Eugene Harkins; Ross Kedl; Albert Seaver
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2013-09-23
Also published as: US5326598A; ZA937161B; WO1994007609A1; TW233270B; CA2143960A1; EP0662866B1; AU5135993A; DE69307523D1; JP3410096B2; JPH08501723A; CN1080141C; KR100271116B1; KR950703411A; MX9306025A; BR9307163A; CN1088135A; EP0662866A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines kontinuierlichen Substrats und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektrischen Aufsprühen eines Beschichtungsmaterials auf ein Substrat.
Beim elektrostatischen Beschichten wird normalerweise ein Sprühkopf verwendet, der Tröpfchen mit einer Größe im Bereich von etwa 10 Mikrometer (µm) bis 500 µm erzeugt. In den meisten Fällen ist es Ziel, eine gleichmäßige Beschichtung mit einer Dicke von mehreren zehn bis mehreren hundert Mikrometern zu erzeugen. Bei diesen Beschichtungen landen Tröpfchen auf der Oberseite anderer Tröpfchen auf einem Substrat, wobei die Tröpfchen sich vereinigen und eine kontinuierliche Beschichtung bilden.
Beim herkömmlichen elektrostatischen Sprühbeschichten werden die Tröpfchen durch eine Flüssigkeit erzeugt, die unter elektrischer Belastung die Tröpfchen von Belastungspunkten abgibt. Bei vielen dieser elektrostatischen Sprühverfahren werden Tröpfchen erzeugt, indem zunächst ein von jedem Punkt maximaler elektrischer Belastung ausgehender Flüssigkeitsfaden erzeugt wird. Wenn das elektrostatische Sprühverfahren in diesem Fadenbereich ausgeführt wird, kann die Betriebsweise basierend auf der Strömungsgeschwindigkeit oder Flußmenge in einem einzelnen Flüssigkeitsfaden weiter unterteilt werden. Bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten oder Flußmengen wird ein elektrischer Sprühmodus oder Elektrosprühmodus eingestellt. Beim Elektrosprühmodus tritt der Faden von einem Flüssigkeitskonus oder -kegel aus, wobei der Konus und der Faden räumlich fixiert werden können, wenn der Flüssigkeitskonus an einer feststehenden Struktur, wie beispielsweise der Spitze einer Nadel oder eines anderen Objekts, befestigt ist. Beim Elektrosprühmodus wird angenommen, daß Rayleigh-Kapillaren sich auflösen oder aufbrechen bzw. der Faden sich auflöst oder aufbricht, wodurch die Spitze des Fadens sich in einen feinen Tröpfchennebel auflöst. Wenn die Flußmenge eines Fadens erhöht wird, wird eine Flußmengenwert erreicht, bei dem die Konusspitze beginnt, ein transparentes Erscheinungsbild anzunehmen, obwohl die Basis des Flüssigkeitskonus eher lichtundurchlässig bzw. opak bleibt. Normalerweise kann dies nur unter Verwendung einer optischen Vergrößerungsvorrichtung beobachtet werden, wenn beispielsweise der Flüssigkeitskonus und der Flüssigkeitsfaden durch ein Meßmikroskop oder Kathetometer beobachtet werden. Dieser Flußmengenwert stellt den Beginn des Flußmengenbereichs dar, bei dem der Faden in einen sogenannten harmonischen Sprühmodus gesteuert bzw. gehandhabt wird. Wenn die Flußmenge des Fadens im harmonischen Sprühmodus erhöht wird, nimmt der Fadendurchmesser zu. Schließlich beginnt, wenn die Flußmenge weiter zunimmt, die Transparenz der Konusspitze zu verschwinden, und wenn die Flußmenge noch weiter zunimmt, wird der Faden sehr lang und nimmt der Fadendurchnesser zu. Durch diesen Flußmengenwert, bei dem die Transparenz der Konusspitze beginnt zu verschwinden; wird der Beginn des Bereichs eines Modus mit hoher Flußmenge festgelegt. D.h., wenn ein elektrostatisches Sprühverfahren im Fadenbereich durchgeführt wird, kann dieser in Abhängigkeit von der in einem einzelnen Faden vorliegenden Flußmenge eingeteilt werden in einen Betrieb unterhalb des Bereichs für den harmonischen Sprühmodus, im Bereich für den harmonischen Sprühmodus oder über dem Bereich für den harmonischen Sprühmodus. Für eine vorgegebene Flüssigkeit ist der tatsächliche Flußmengenbereich für den harmonischen Sprühbetrieb abhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit und insbesondere von der elektrischen Leitfähigkeit. Für eine große Anzahl von für Beschichtungsanwendungen geeigneten Flüssigkeiten liegt die elektrische Leitfähigkeit im Bereich zwischen 0.1 und 1000 Mikrosiemens je Meter (10&supmin;&sup7; - 10&supmin;³ S/m). Für Flüssigkeiten in diesem Leitfähigkeitsbereich beginnt der harmonische Sprühbetrieb für die leitfähigsten Flüssigkeiten, wenn die Fadenflußmenge etwa 0.1 bis 1 Milliliter je Stunde (ml/h) erreicht, wohingegen für Flüssigkeiten mit den geringsten Leitfähigkeiten der harmonische Sprühmodus zunächst nicht auftritt, bis die Fadenflußmenge etwa 10 bis 100 ml/h erreicht.
In "Journal of Colloid and Interface Science", Bd. 41, 1972, Seiten 185-193 von Sample und Bollini wird der harmonische Sprühzyklus beschrieben und aufgezeigt, daß beim Beginn des Zyklus die elektrisch belastete Flüssigkeit zunächst eine längliche Form annimmt. Daraufhin bildet die Flüssigkeit eine Konusform aus, aus der sich dann ein von der Konusspitze ausgehender Flüssigkeitsfaden bildet. Der Flüssigkeitsfaden verlängert sich bzw. wird langgestreckt, und schließlich löst sich der Flüssigkeitsfaden von der konusförmigen Basis. Durch diesen letzten Schritt werden ein freier Flüssigkeitsfaden, der sich aufgrund der Oberflächenspannung zu einem Tröpfchen ausbildet, und eine konusförmige Flüssigkeitsmenge erzeugt, die aufgrund der Oberflächenspannung dazu tendiert, sich zu entspannen und wieder ihren ursprünglichen Zustand anzunehmen. Während die konusförmige Flüssigkeitsmenge sich entspannt, wird durch die ausgeübte elektrische Belastung ein weiterer harmonischer Sprühzyklus eingeleitet. Wenn der Konus optisch verstärkt betrachtet wird, erscheint dieser als opake Flüssigkeitshalbkugel innerhalb eines teilweise transparenten Konus, an dem ein Faden nahezu ortsfest befestigt ist. Das transparente Erscheinungsbild des Konus ergibt sich dadurch, daß während eines Zeitabschnitts in diesem Raum tatsächlich nichts vorhanden ist, weil die Flüssigkeit sich entspannt, nachdem der Flüssigkeitsfaden sich gelöst hat. Wie von Sample und Bellini vorgeschlagen, kann, wenn die Anfangsflüssigkeitsmenge, von der das elektrische harmonische Sprühverfahren auftritt, sorgfältig kontrolliert bzw. gesteuert wird, erreicht werden, daß die Größenverteilung der von den Fäden erzeugten Tröpfchen ziemlich eng ist. Wenn die Flußmenge über den Bereich hinaus erhöht wird, in den ein harmonischer Sprühbetrieb auftritt, nimmt die Fadenlänge zu, und beginnt die Rayleigh-Kapillar (oder Faden) -instabilität als ein konkurrierender Mechanismus zum Aufbrechen der Fäden in Tröpfchen in Erscheinung zu treten. Bei diesen höheren Flußmengen werden lange Fäden und große Tröpfchen erzeugt. Bei einer herkömmlichen elektrostatischen Zerstäubung wird die Flußmenge normalerweise so eingestellt, daß entweder der harmonische Sprühmodus oder ein Modus für höhere Flußmengen auftritt. Wenn die Flußmenge zu hoch wird, werden jedoch nur Flüssigkeitsstreifen erzeugt. Bei einem herkömmlichen elektrostatischen Sprühverfahren wird keine besondere Aufmerksamkeit darauf gerichtet, zu gewährleisten, daß die Tröpfchen den gleichen Durchmesser aufweisen. Weil die elektrische Belastung verhältnismäßig konstant ist, weisen die erzeugten Tröpfchen normalerweise eine Größenverteilung auf, die schärfer ist als bei den meisten nicht-elektrostatischen Sprühvorrichtungen.
Wenn die Flußmenge in einem herkömmlichen elektrostatischen Sprühkopf unter den Bereich für den harmonischen Sprühmodus vermindert wird, während die Geschwindigkeit des beschichteten Objekts gleich bleibt, wird die Beschichtungsdicke reduziert, und schließlich wird, wenn die Flußmenge gering genug ist, die Beschichtung ungleichmäßig. Eine genaue Untersuchung zeigt, daß, während einige Fäden sich im elektrischen harmonischen Sprüh- oder Pulsationsbereich entwickeln, andere Fäden beginnen, sich aus Flüssigkeitskonussen zu entwickeln, die vorübergehend räumlich fixiert sind. Obwohl ein solcher Flüssigkeitskonus und sein Faden vorübergehend fixiert sind, werden von der Fadenspitze ausgehend weiterhin Tröpfchen erzeugt. Im Flüssigkeitsfaden tritt eine Fluidströmung auf, und für einen bestimmten Flüssigkeitsströmungsbereich ist der Faden instabil. Anschließend bricht die Fadenspitze aufgrund der Rayleigh-Kapillar- oder der Fadeninstabilität in Tröpfchen auf. Bei dieser niedrigen Flußmenge weisen sowohl die erzeugten Fäden als auch die Tröpfchen Durchmesser auf, die im Vergleich zu in einem Bereich hoher Flußmenge erzeugten Fäden und Tröpfchen sehr klein sind. Für in industriellen Beschichtungsanwendungen geeignete Flüssigkeiten beträgt dieser Bereich niedriger Flußmengen in Abhängigkeit von den Fluideigenschaften typischerweise 0.1 bis 100 Milliliter je Stunde je Faden, und ein Betrieb in diesem Bereich niedriger Flußmenge wird als Elektrosprühmodus bezeichnet. Im Elektrosprühmodus werden Tröpfchen mit gleichmäßigem Durchmessern, d.h. in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Flüssigkeit, dem an die Flüssigkeit angelegten Potential und der Flußmenge, mit einer schmalen Größenverteilung im Größenbereich von 1 bis 50 µm erzeugt. Während im Betrieb bei einer hohen Flußmenge typischerweise Tröpfchen mit einem Durchmesser von mehr als 50 µm erzeugt werden, wird im Elektrosprühmodus ein feiner Nebel erzeugt. Allgemein kann die von Fäden ausgehende elektrostatische Zerstäubung bzw. der von Fäden ausgehende elektrostatische Sprühvorgang so definiert werden, daß hierbei der Elektrosprühmodus, der harmonische Sprühmodus und der Modus für hohe Flußmengen eingeschlossen sind. Der Elektrosprühmodus ist nur dann praktisch, wenn sehr geringe Flußmengen erwünscht sind, wie beispielsweise zum Herstellen dünner Beschichtungen.
In der US-A-2695002 (Miller) wird die Verwendung einer elektrostatischen Klinge und die Zerstäubung einer Flüssigkeit am Klingenrand beschrieben. Später beschreibt der gleiche Erfinder (in "Electrostatics and its Applications", (1973), Seiten 255-258) eine Vorrichtung zum Erzeugen von von einer Klingenspitze ausgehenden gleichmäßig beabstandeten Flüssigkeitsfäden. Diese Fäden sind so ausgebildet, daß ein Nebel feiner Tröpfchen gebildet wird, und es wird beschrieben, daß die Klinge als Einrichtung zum Erzeugen einer Reihe von Fäden dient, die im Elektrosprühmodus und im harmonischen Sprühmodus wirken. Unabhängig von dieser Veröffentlichung ist für Fachleute offensichtlich, daß diese Fäden mit der Zeit dazu tendieren, zu schwingen und abzudriften. Tatsächlich ist es sehr schwierig, die Fäden sowohl räumlich als auch zeitlich zu fixieren. Außerdem können zwei benachbarte Fäden auseinanderdriften, wodurch veranlaßt wird, daß an dieser Stelle die Zerstäubungsnebeldichte abnimmt. Ahnlicherweise können zwei benachbarte Fäden zusamnendriften, wodurch veranlaßt wird, daß an dieser Stelle die Zerstäubungsnebeldichte vorübergehend zunimmt. Wenn der Nebel auf ein Substrat aufgebracht wird, kann dadurch eine Zu- oder Abnahme der Schichtdicke verursacht werden.
In der US-A-2809128 wird eine elektrostatische Sprühvorrichtung und ein elektrostatisches Sprühverfahren beschrieben, wobei auf einer Walze eine Schicht einer zu zerstäubenden Flüssigkeit ausgebildet und anschließend durch ein Abgabeelement zerstäubt wird.
In der US-A-2723646 wird eine elektrostatische Sprühvorrichtung und ein elektrostatisches Sprühverfahren beschrieben, wobei eine Schicht einer zu zerstäubenden Flüssigkeit auf der Oberfläche eines bandförmigen Abgabeelements ausgebildet wird, das geneigt angeordnet ist, um die Dicke der Flüssigkeitsschicht der elektrostatischen Sprühvorrichtung zu steuern, in der die aus einer geraden Öffnung austretende Flüssigkeit durch ein durch in der Nähe angeordnete Elektroden erzeugtes elektrisches Feld zerstäubt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrostatisches Sprühverfahren, das sich von herkömmlichen elektrostatischen Verfahren unterscheidet, die für viele Jahre verwendet wurden, um verhältnismäßig dicke Beschichtungen mit einer Dicke von beispielsweise mehreren zehn bis mehreren hundert Mikrometern herzustellen. Die vorliegende Erfindung kann zum Herstellen gleichmäßiger, auf Wunsch diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Beschichtungen, mit einer Dicke zwischen etwa ein Zehntel und mehreren zehn Mikrometern verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann in stabilem Zustand im Elektrosprühbereich betrieben werden. Der Elektrospruhbereich bezeichnet einen begrenzten Flußmengenbereich, in dem ein einzelner Flüssigkeitsfaden erzeugt und gesteuert werden kann, um einen gleichmäßigen Sprühnebel zu erzeugen. Die Gesamtflußmenge ist dann die Summe der Flußmengen der einzelnen erzeugten Fäden. Der Elektrosprühbereich ist geeignet zum Erzeugen eines Nebels, der zum Herstellen einer dünnen Schichtauflage verwendet werden kann. Damit die Beschichtungen gleichmäßig ausgebildet werden, muß jedoch der Nebel gleichmäßig sein, wozu gewährleistet sein muß, daß die Fäden sowohl räumlich als auch zeitlich fixiert sind. Viele der herkömmlichen Patentveröffentlichungen betreffen die Entwicklung von Sprühköpfen, durch die diese Kriterien erfüllt werden sollen. Bei den bisherigen Patentveröffentlichungen wurde versucht, die Anzahl der Fäden festzulegen, indem veranlaßt wird, daß der Sprühnebel von einer festen Anzahl von Punkten, wie beispielsweise Nadeln oder Zähnen, ausgeht. Beispielsweise wird in der US-A- 4748043 (Seaver et al.) die Verwendung einer Reihe von in geringer Dichte angeordneten Nadeln beschrieben, um eine Reihe von Fäden zu erzeugen, die dazu verwendet werden, sehr dünne Beschichtungen in einem elektrostatischen Beschichtungsverfahren aufzubringen. In der US-A-4846407 (Coffee et al.) wird eine Anordnung einer Reihe scharfer punktförmiger, zahnähnlicher Vorsprünge entlang einer Klinge beschrieben, um das Fadenbewegungsproblem zu lösen. In der US-A-4788016 (Colclough et al.) wird eine nicht leitfähige Klinge mit Zähnen beschrieben und in der US-A-4749125 (Escallon et al.) werden Lamellen oder Scheiben mit zahnähnlichen stumpfen bis spitzen Strukturen beschrieben. Während bei diesen Vorrichtungen die Anzahl der Fäden festgelegt ist, ist der Beschichtungsbereich, der ohne mechanisches Austauschen des Beschichtungskopfes erhalten werden kann, wesentlich eingeschränkt. Außerdem kann bei Vorrichtungen mit einer festen Anzahl von Punkten bei einer bestimmten Spannung die gleichmäßige Struktur des Nebels abnehmen, wenn von einem einzelnen Punkt mehrere Fäden ausgehen und an einem benachbarten Punkt ein einzelner Faden auftritt.
Durch die Erfindung wird ein Elektrosprühbeschichtungskopfsystem zur Verwendung in einem Elektrosprühbeschichtungsverfahren bereitgestellt. Zusammengefaßt weist das Beschichtungskopfsystem einen Dosierabschnitt zum Abgeben bzw. Ausgeben einer Flüssigkeit zu einer unteren Formungseinrichtung und eine untere Formungseinrichtung zum Erzeugen eines einzelnen kontinuierlichen und im wesentlichen konstanten Krümmungsradius der dosierten Flüssigkeit um die untere Formungseinrichtung auf, so daß die Anzahl und die Position der sich von der unteren Formungseinrichtung erstreckenden Flüssigkeitsfäden in Abhängigkeit von der Größe eines der Oberfläche der die untere Formungseinrichtung umgebenden Flüssigkeit zugeführten Potentials variabel sind. Bei einem bestimmten Potential sind die Flüssigkeitsfäden räumlich und zeitlich fixiert, um zu ermöglichen, daß ein gleichmäßiger Nebel hochgeladener Tröpfchen erzeugt wird.
Durch die vorliegende Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum variablen Steuern der gleichmäßigen Abgabe der in einem Elektrosprühbeschichtungsverfahren als Beschichtungsmaterial aufgebrachten Flüssigkeit bereitgestellt. Das Verfahren weist die Schritte auf: Bereitstellen eines Dosierungsabschnitts zum Ausgeben oder Zuführen von Flüssigkeit zu einer unteren Formungseinrichtung, Positionieren der unteren Formungseinrichtung zum Erzeugen eines einzelnen kontinuierlichen und im wesentlichen konstanten Krümmungsradius der dosierten Flüssigkeit um die untere Formungseinrichtung derart, daß die Anzahl und die Position der sich von der unteren Formungseinrichtung erstreckenden Flüssigkeitsfäden in Abhängigkeit von der Größe eines der Oberfläche der die untere Formungseinrichtung umgebenden Flüssigkeit zugeführten Potentials variabel sind, und Einstellen des der Flüssigkeitsoberfläche zugeführten Potentials so, daß bei einem bestimmten Potential die gewünschte Anzahl und die gewünschte Position von Fäden erzeugt wird. Bei einem bestimmten Potential sind die Flüssigkeitsfäden räumlich und zeitlich fixiert, um zu ermöglichen, daß ein gleichmäßiger Nebel hochgeladener Tröpfchen erzeugt wird. Schließlich weist das Verfahren den Schritt zum Richten der Strömung des Nebels auf ausgewählte Aufbringungsstellen auf einem bewegten Substrat auf.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Endquerschnittansicht einer Sprühkopfanordnung mit einer Dosiereinrichtung zum Erzeugen eines Flüssigkeitsschleiers und eines gleichmäßigen lokalen Flüssigkeitskrümmungsradius um eine untere Formungseinrichtung;
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Flüssigkeit, die sich auf einer unteren Formungseinrichtung und um diese erstreckt;
Figur 3 zeigt eine Endquerschnittansicht einer Sprühkopfanordnung mit einer Dosiereinrichtung zum Erzeugen eines Flüssigkeitsschleiers und eines kontinuierlichen und konstanten Flüssigkeitskrümmungsradius um eine untere Formungseinrichtung;
Figur 4. zeigt eine Seitenansicht einer der in Figur 1 dargestellten Anordnung ähnlichen Sprühkopfanordnung während eines Elektrosprühverfahrens zum Aufsprühen eines feinen Tröpfchennebels auf ein Substrat;
Figur 5 zeigt eine vergrößerte Querschnittansicht einer unteren Formungseinrichtung mit einem ersten Abschnitt zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und einem zweiten Abschnitt zum Erzeugen eines kontinuierlichen und konstanten Krümmungsradius;
Figur 6 zeigt ein schematisches elektrisches Diagramm eines Analyseaufbaus für eine Sprühkopfanordnung;
Figur 7 zeigt einen graphische Darstellung von Daten zum Darstellen einer proportionalen Beziehung zwischen Fäden je Meter und einer zugeführten Spannung; und
Figur 8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Elektrosprühverfahrens zum Herstellen eines beschichteten Substrats unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sprühbeschichtungssystems bzw. -verfahrens.
Diese Figuren sind nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich zur Darstellung, und durch die Figuren soll die Erfindung nicht eingeschränkt werden.
Die Erfindung betrifft ein Elektrosprühverfahren zum wirksamen Aufbringen von Beschichtungen auf Substrate. Bei elektrostatischen Sprühverfahren werden elektrische Felder verwendet, durch die geladene Beschichtungsmaterialtröpfchen erzeugt werden und die auf diese Tröpfchen wirken, um die Materialaufbringung zu steuern, wobei diese Verfahren normalerweise verwendet werden, um schwere Materialbeschichtungen aufzubringen, wie beispielsweise zum Sprühlackieren von Teilen. Bei der vorliegenden Erfindung wird unter Elektrosprühverfahren ein Verfahren verstanden, bei dem sehr feine Tröpfchen von einer Struktur ausgehend gesprüht und ein gleichmäßiger Nebel dieser Tröpfchen durch die Wirkung elektrischer Felder auf Substrate gerichtet wird.
Die Beschichtungen, auf die die vorliegende Erfindung Bezug nimmt, sind beispielsweise Filme ausgewählter Materialien auf Substraten, die geeignet sind als Grundierung oder Primer, als Untergrundschichtklebstoff oder -leim mit geringem Haftvermögen, abziehbare oder lösbare Beschichtungen, Schmiermittel, Klebstoffe und andere Materialien. In einigen Fällen sind lediglich wenige monomolekulare Materiallagen erforderlich. In der US-A-4748043 wird eine Einrichtung zum Aufbringen solcher Beschichtungen in verschiedenen Dicken beschrieben. Durch die vorliegende Erfindung wird ein kontaktfreies Verfahren zum exakten und gleichmäßigen Aufbringen einer Beschichtung in einer beliebigen gewünschten Schichtdicke von einem Bruchteil eines Mikrometers beim Betrieb mit einer Einzelkopfanordnung bis zu mehreren Hundert Mikrometern beim Betrieb mit einer Mehrfachkopfanordnung auf ein Substrat bereitgestellt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Materialnebel zu erzeugen und gesteuert gleichmäßig auf ein Substrat aufzubringen, um eine kontrollierte oder gesteuerte Schichtauflage des Materials auf dem Substrat zu erhalten. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektrosprühbeschichtungskopf bereitzustellen, durch den eine Reihe von Flussigkeitsfäden räumlich und zeitlich fixiert erzeugt und aufrechterhalten werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erhalten. Ferner wird ein Elektrosprühbeschichtungskopf bereitgestellt, durch den die Tröpfchennebeldichte durch Andem der Anzahl und der Position von Fäden verändert werden kann, was erforderlich ist, um die Nebeldichte zu erzeugen, ohne daß die mechanischen Abmessungen oder Teile des Sprühkopfes verändert werden müssen. Ferner wird ein Elektrosprühbeschichtungskopf bereitgestellt, durch den die Anzahl und die Position der Fäden durch einfaches Einstellen der zugeführten Spannung verändert werden können.
Die durch ein elektrisches Sprühverfahren aufzubringende Flüssigkeit weist vorzugsweise bestimmte physikalische Eigenschaften auf, um das Verfahren zu optimieren. Die elektrische Leitfähigkeit sollte zwischen 10&supmin;&sup7; und 10&supmin;³ Siemens je Meter betragen. Wenn die elektrische Leitfähigkeit größer ist als 10&supmin;³ Siemens je Meter, wird die Flußmenge der Flüssigkeit im elektrischen Sprühverfahren zu gering und dadurch für viele Beschichtungsanwendungen praktisch ungeeignet. Wenn die elektrische Leitfähigkeit sehr viel geringer ist als 10&supmin;&sup7; Siemens je Meter, sind die Sprüheigenschaften der Flüssigkeit beim elektrischen Sprühverfahren ungeeignet.
Die Oberflächenspannung der durch ein elektrisches Sprühverfahren aufzusprühenden Flüssigkeit (bei Atmosphärendruck in Luft) beträgt vorzugsweise weniger als etwa 65 Millinewton je Meter und bevorzugter weniger als etwa 50 Millinewton je Meter. Wenn die Oberflächenspannung zu groß ist, bildet sich um die Luft an der Flüssigkeitskonusspitze eine Koronaerscheinung. Dadurch wird die Steuerungsfunktion für das elektrische Sprühverfahren beeinträchtigt und können elektrische Funken erzeugt werden. Durch Verwendung eines von Luft verschiedenen Gases wird die zulässige maximale Oberflächenspannung gemäß der Durchschlagfestigkeit des Gases geändert. Ähnlicherweise können ein anderer Druck als der Atmosphärendruck und ein Schutzgas verwendet werden, um eine Reaktion der Tröpfchen auf dem Weg zum Substrat zu verhindern. Dies kann erreicht werden, indem die Elektrosprühnebelerzeugungseinrichtung in einer Kammer angeordnet wird, wobei die Austrocknungsstation ebenfalls in dieser Kammer angeordnet sein kann. Es kann ein reaktionsfähiges Gas verwendet weden, um eine gewünschte Reaktion mit den Flüssigkeitsfäden oder -tropfen zu veranlassen.
Die Viskosität der Flüssigkeit muß weniger als ein paar tausend und vorzugsweise weniger als ein paar hundert Millipascal-Sekunden betragen. Wenn die Viskosität zu hoch ist, bricht der Faden nicht in gleichmäßige Tröpfchen auf.
Die Dielektrizitätskonstante und die elektrische Leitfähigkeit definieren die elektrischen Entspannungseigenschaft der Flüssigkeit. Weil die Leitfähigkeit über einen breiten Bereich eingestellt werden kann, wird angenommen, daß die Dielektrizitätskonstante einen weniger wichtigen Einfluß hat.
Das erfindungsgemäße Elektrosprühverfahren hat im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren viele Vorteile. Weil die Beschichtungen aufgebracht werden können, wobei nur geringe Lösungsmittelmengen oder kein Lösungsmittel erforderlich sind, müssen keine großformatigen Trockenöfen vorgesehen sein, so daß hierdurch Kosten reduziert werden, und ergeben sich eine geringere Verschmutzung und geringere Umweltprobleme. Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet eine Verwendung dieser geringen Lösungsmittelmenge, daß eine schnelle Trocknung auftritt (normalerweise muß lediglich die Beschichtung austrocknen), so daß mehrere Beschichtungen in einer einzelnen Verfahrenslinie hergestellt werden können. Außerdem können poröse Substrate vorteilhaft auf nur einer Seite beschichtet werden, weil nur wenig oder kein Lösungsmittel vorhanden ist, das zur entgegengesetzten Seite durchdringen kann.
Gegebenenfalls können Zusatzstoffe beigefügt werden, um die Elektrosprüheigenschaften nach Wunsch einzustellen. Beispielsweise kann Methanol beigefügt werden, um die Leitfähigkeit und/oder die Viskosität eines aufzuschichtenden Materials zu erhöhen. Toluol kann hinzugefügt werden, um die Viskosität eines aufzuschichtenden Materials zu vermindern. Außerdem können reaktionsfähige Stoffe als Lösungsmitel hinzugefügt werden, die auch dazu dienen, der erhaltenen Beschichtung gewünschte Eigenschaften zu verleihen.
Gemäß Figur 1 weist eine Ausführungsform des Elektrosprühbeschichtungskopfsystems 10 einen Dosierabschnitt 11 zum Abgeben einer Flüssigkeit 13 zu einer unteren Formungseinrichtung 15 auf. Die untere Formungseinrichtung 15 ist so konstruiert, daß sie die Flüssigkeit 13 an einem ersten Abschnitt 32 aufnimmt und einen einzelnen kontinuierlichen und im wesentlichen konstanten Krümmungsradius der dosierten Flüssigkeit 13 um einen zweiten Abschnitt 33 der unteren Formungseinrichtung erzeugt. Dadurch können die Anzahl und die Position der sich vom zweiten Abschnitt 33 der unteren Formungseinrichtung 15 erstreckenden Flüssigkeitsfäden während eines elektrischen Betriebs des Systems 10 selektiv verändert werden. Diese Änderungseigenschaft wird durch Einstellen des der Oberfläche der die untere Formungseinrichtung 15 vollständig umgebenden Flüssigkeit 13 zugeführten Potentials eingestellt. Außerdem wird durch den zweiten Abschnitt 33 der unteren Formungseinrichtung 33 die Flüssigkeit so geformt, daß die Flüssigkeitsfäden bei einem bestimmten Potential raümlich und zeitlich fixiert sind, so daß ein gleichförmiger Nebel hochgeladener Tröpfchen erzeugt werden kann. Obwohl die untere Formungseinrichtung 15 verschiedenartig geformte Elemente aufweisen kann oder sogar einen Abschnitt eines anderen Elements, weist die untere Formungseinrichtung vorzugsweise ein längliches drahtähnliches Element mit einem kreisförmigen oder nahezu kreisförmigen Querschnitt auf. Gemäß den Figuren 1 und 5 weist die untere Formungseinrichtung 15 vorzugsweise einen ersten Abschnitt 32 zum Aufnehmen der Flüssigkeit 13 vom Dosierabschnitt 11 und einen zweiten Abschnitt 33 zum Erzeugen eines kontinuierlichen und konstanten Krümmungsradius auf.
Bei der Ausführungsform von Figur 1 weist der Dosierabschnitt 11 ein längliches Rohr 16 mit einem durch Hohlraumwände 17 definierten Flüssigkeitsspeicherhohlraum auf, der die Flüssigkeit 13 aufnimmt und von dem dann die Flüssigkeit unter Druck durch einen durch Wände 21 definierten schmalen Schlitz 20 ausgegeben wird. Die Flüssigkeit 13 tritt dann aus einer sich entlang einer Strecke des Dosierabschnitts erstreckenden Außenöffnung 22 aus. Die Flüssigkeit 13 fließt dann zur unter dem Dosierabschnitt angeordneten unteren Formungseinrichtung 15. Die untere Formungseinrichtung 15 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material, einem Halbleitermaterial oder einem Isoliermaterial hergestellt sein. Eine bevorzugte untere Formungseinrichtung besteht aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, um sie auf einfache Weise mit einer Hochspannungsversorgung zu verbinden und eine leichte Aufbringung elektrischer Ladungen auf die Oberfläche der die untere Formungseinrichtung 15 umgebenden Flüssigkeit zu ermöglichen und insbesondere eine Aufbringung entlang der Strecke A-A', wie in Figur 2 dargestellt. Gemäß Figur 1 und Figur 2 fließt die Flüssigkeit 13 vorzugsweise über einen Schlitz 20 mit geringer Durchflußmenge aus dem Dosierabschnitt 11 heraus. Dann bildet sich zwischen dem Dosierabschnitt 11 und dem ersten Abschnitt 32 der unteren Formungseinrichtung 15 ein Flüssigkeitsschleier 27. Es können andere Verbindungen zu einer Hochspannungsversorgung verwendet werden. Beispielsweise wird, wenn eine Hochspannungsversorgung mit einen leitfähigen Anschlußstück, wie beispielsweise einem in Figur 1 dargestellten Flüssigkeitszufuhranschlußstück 23, verbunden ist, die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit ausgenutzt, um die Ladungen zur Oberfläche der um die untere Formungseinrichtung 15 angeordneten Flüssigkeit zu transportieren.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform eines Sprühkopfsystems weist die Dosiereinrichtung 11 einen feststehenden oberen Abschnitt 28 und einen entfernbaren und austauschbaren unteren Abschnitt 30 auf, wodurch das Sprühkopfsystem bezüglich verschiedenen Breiten der Schlitze 20 und der Öffnung 22 leichter umgestaltet werden kann. Im Umfang der Erfindung können dem Schlitz 20 äquivalente Strukturen verwendet werden, wie nachstehend beschrieben wird.
Durch Verwendung des Schlitzes 20 in der in Figur 1 dargestellten Dosiereinrichtung 11 ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit 13 entlang einer Strecke des zweiten Abschnitts 33 der unteren Formungseinrichtung 15. Um die Flüssigkeit auf der unteren Formungseinrichtung 15 wird ein elektrisches Potential erzeugt, um einen gleichmäßigen Nebel aus hochgeladenen Tröpfchen zu erzeugen, wie durch Tröpfchen 34 in Figur 4 dargestellt ist. Zunächst wird jedoch, wenn der Flüssigkeit auf der unteren Formungseinrichtung 15 eine Hochspannung zugeführt wird, ein elektrisches Feld erzeugt, durch das die Flüssigkeit am zweiten Abschnitt 33 der unteren Formungseinrichtung belastet bzw. gespannt wird, wie in den Figuren 4 und 5 dargestellt, und insbesondere entlang der Strecke A-A', wie in den Figuren 2 und 5 dargestellt. Wenn keine oder eine geringe Spannung zugeführt wird, schwellen wenige unregelmäßig beabstandete halbkreisförmige Tröpfchen langsam an und lösen sich durch ihr Eigengewicht von der unteren Formungseinrichtung. Bei einer höheren Spannung bildet die Flüssigkeit 13 entlang der Strecke A-A' der unteren Formungseinrichtung 15 jedoch eine Reihe gleichmäßig beabstandeter Konusse 39 aus, wie in Figur 4 dargestellt. Von der Spitze jedes Konus 39 wird ein Flüssigkeitsfaden 40 emittiert. Die Anzahl der Fäden kann durch Erhöhen der angelegten Spannung vergrößert werden. Für eine vorgegebene Gesamtdurchflußmenge in das Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 wird die Spannung so eingestellt, daß eine ausreichende Anzahl von Fäden 40 erzeugt wird, so daß die Flußmenge in einem einzelnen Faden innerhalb des Elektrosprühbereichs liegt. Wenn die Fäden im Elektrosprühbereich betrieben werden, brechen die Enden der Fäden 40 in eine kontinuierliche Reihe sehr kleiner geladener Tröpfchen auf, die durch elektrische Felder auf das sich bewegende Substrat 43 gerichtet werden.
Bei bisherigen Versuchen zum Steuern des Musters von in einem Elektrosprühverfahren erzeugten Tröpfchen, die von einer glatten, gleichmäßigen und geraden Oberfläche ausgehend erzeugt werden, konnte nicht verhindert werden, daß sich ungewünschte Fäden bilden oder die Fäden unerwünscht schwingen. Die physikalischen Prozesse, die auftreten, wenn elektrische Felder zum Erzeugen einer Reihe von Fäden von einer glatten Flüssigkeitsoberfläche erzeugt werden, sind nicht gut bekannt. In "IEEE Transactions on Plasma Science", Bd. PS-15, Seiten 593-598 wird von Mitterauer die von einem Schlitz emittierte Flüssigkeit als Halbzylinder behandelt, der bei einer bestimmten Störung der Flüssigkeitsoberfläche entlang seiner Zylinderachse instabil wird. Gemäß der Theorie von Mitterauer wird festgestellt, daß die Trennung zwischen den Fäden mit dem Radius des Flüssigkeitszylinders in Beziehung steht. Obwohl diese Erscheinung bei Elektrosprühvorrichtungen beobachtet wird, tritt in der Praxis jedoch auch die Bewegung der Fäden auf. Als Beispiel wurde eine der in Figur 1 dargestellten Dosiereinrichtung ähnliche elektrisch leitfähige Dosiereinrichtung jedoch ohne Formungseinrichtung 15 gebaut. Wenn Flüssigkeit 13 zum Ausgang des Schlitzes 20 gedrückt wurde, bildete die Flüssigkeit ein am Ausgang des Schlitzes 20 hängendes Zylindersegment. Wenn der Oberfläche dieses hängenden Flüssigkeitszylindersegments eine elektrische Spannung zugeführt wurde, wurden entlang des Flüssigkeitszylinders eine Reihe etwa gleich beabstandeter Fäden erzeugt. Die Fäden bewegten sich jedoch mit der Zeit. Obwohl durch Einstellen der Flüssigkeitsflußmenge, Schleifen der Dosiereinrichtung 11 und Ändern der durch die Wände 21 definierten Schlitzabmessung in Zeitintervallen die Bewegung der Flüssigkeitsfäden vorübergehend für mehrere zehn Sekunden gestoppt werden konnte, begannen einer oder mehrere der Fäden sich von ihren ursprünglichen Positionen wegzubewegen. Die Linie des Kontakts zwischen der Flüssigkeit und der Dosiereinrichtung 11 an beiden Seiten des Flüssigkeitszylindersegments wird als Kontaktlinie bezeichnet. Während dieser Experimente wurde gelegentlich eine sehr geringe Bewegung der Flüssigkeit entlang verschiedener Orte auf der Kontaktlinie beobachtet. Manchmal traf die Flüssigkeit auf einen Punkt auf der Kontaktlinie, wodurch ein zunehmender Kontaktwinkel gebildet wurde, und zu anderen Zeitpunkten bewegte sich die Flüssigkeit von dem Punkt weg, wodurch ein abnehmender Kontaktwinkel gebildet wurde. Durch eine Analyse der Kinetik der Befeuchtung bzw. Benetzung ergibt sich jedoch, daß der zunehmende und der abnehmende Kontaktwinkel verschieden sind. Daraus wurde geschlossen, daß der lokale Winkel, unter dem die Flüssigkeit an der Struktur anhaftet, entlang der Kontaktlinie variiert, wodurch sich der lokale Krümmungsradius entlang des Zylinders der am Schlitz oder an der Abgabestruktur anhaftenden Flüssigkeit ändert. Dieses Ergebnis könnte, angewandt auf die Theorie von Mitterauer, erklären,. warum die Fäden sich mit der Zeit gelegentlich bewegen. D.h., wenn der Radius sich lokal ändert, ändert sich der Abstand zwischen den erhaltenen Fäden ebenfalls entlang des Flüssigkeitszylinders. Wenn einmal eine Strömung von einem Faden erzeugt wird, wird dadurch von diesem lokalen Bereich mehr Flüssigkeit abgezogen, und in einem benachbarten Bereich nimmt die Flüssigkeitsmenge ab. Durch diese Verminderung der Flüssigkeitsmenge nimmt der lokale dynamische Kontaktwinkel ab. Dieser abnehmende Kontaktwinkel beeinflußt den benachbarten Krümmungsradius. Durch die Wechselwirkung der lokalen Strömung mit dem benachbarten (lokalen) dynamischen Kontaktwinkel wird der benachbarte (lokale) Krümmungsradius beeinflußt und die unerwünschte Bewegung der Fäden, wie beispielsweise der Fäden 40, verursacht.
Gemäß einem anderen Beispiel verhält sich die Flüssigkeit auf einer klingenähnlichen Abgabestruktur etwa gleich. Wenn die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Klinge nach unten strömt oder fließt, kann entlang jedem der Strömungswege eine Instabilität des Flüssigkeitsfilms auftreten. Die Filminstabilität sieht ähnlich aus wie diejenige von Ozeanwellen, die sich auf eine Küste zu bewegen. Durch die Änderung der Wellenoberfläche entlang der Klingen wird veranlaßt, daß sich der Krümmungsradius der Flüssigkeit an der Klingenspitze ändert. Weil durch den Krümmungsradius der Flüssigkeit an der Klingenspitze der Abstand zwischen den Fäden definiert wird, wird durch eine Änderung des Krümmungsradius ein neuer Abstand zwischen den Fäden erzeugt. Daher wird, wenn die Flüssigkeitsfilminstabilität die Klingenspitze erreicht, veranlaßt, daß sich die Anzahl der Fäden je Längeneinheit ändert. Wenn dagegen veranlaßt wird, daß die Flüssigkeit lediglich auf einer Seite der Klinge nach unten strömt, umströmt die Flüssigkeit die Klingenspitze und bildet eine Kontaktinie auf der anderen Seite der Klinge. Bei diesen Verhältnissen beeinflussen sowohl die Filminstabilität als auch der lokale Kontaktwinkel den lokalen Flüssigkeitskrümmungsradius. Diese Ergebnisse zeigen daher, daß es nicht ausreichend ist, ausschließlich Schlitz- und Klingenvorrichtungen verwenden, um Fäden räumlich und zeitlich zu fixieren.
Bisher gab es keine bekannten Erkenntnisse über die technischen Gründe für die Bewegung von Fäden auf einer Schlitz-, Klingen- oder anderen Abgabestruktur. In gewisser Hinsicht erklärt dies die Strukturnachteile anderer Systeme bzw. Verfahren zum Lösen des Fadensteuerungsproblems, wie beispielsweise durch die Verwendung von Kapillarröhren oder einzelner Zähne, um das Auftreten zusätzlicher Fäden zu reduzieren. Durch diese Verfahren mit zahnähnlichen Vorrichtungen wird die Anzahl der entlang der Länge des Sprühkopfes erzeugten Zähne auf einen Faden je Zahn festgelegt. Durch Zähne ergeben sich auch andere Probleme, weil bekannt ist, daß bei einem hervorstehenden Punkt die Anzahl von Fäden über einem bestimmten Spannungswert mit zunehmender Spannung zunimmt. Wenn Zähne verwendet werden, nimmt daher das entsprechende elektrische Feld mit der Schärfe der Zähne drastisch zu. Wenn die Zähne nicht jeweils mit dem gleichen sorgfältig eingestellten Krümmungsradius ausgebildet werden, können bei einer vorgegebenen Spannung mehrere Fäden an einem Zahn auftreten, während nur ein einzelner Faden an einem benachbarten Zahn erzeugt wird. Diese entspricht nicht den Grundlagen der vorliegenden Erfindung, durch die Verfahren zum Stabilisieren einer natürlich auftretenden Instabilität bereitgestellt werden, wodurch unerwünschte Fadenbewegungen entlang einer glatten Oberfläche einer Abgabestruktur beseitigt werden. Durch diese Stabilisierung wird eine gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeitsfäden erhalten, die zu einer gleichmäßigen Aufbringung einer Elektosprühbeschichtung beiträgt. Wenn Zähne verwendet werden, wird dadurch die Anzahl von Fäden eingeschränkt, die in einer Längeneinheit der Obefläche der Abgabestruktur vorhanden sein können. Bei der vorliegenden Erfindung kann dagegen die angelegte Spannung verwendet werden, um die Anzahl von Fäden schnell und bequem zu ändern und die Anforderungen an die gewünschte Beschichtung zu erfüllen.
Diese Erfindung ist geeignet zum Stabilisieren des Krümmungsradius der Flüssigkeit und daher zum Stabilisieren der zeitlichen Position jedes Fadens. Der lokale Krümmungsradius der Flüssigkeit wird durch Verwendung der in den Figuren 1-6 und Figur 8 dargestellten Strukturkonzepte unabhängig von der Instabilität der Benetzungs- oder Befeuchtungslinie oder einer anderen im System auftretenden Flüssigkeitsstörung beibehalten. Figur 5 zeigt eine Querschnittansicht der unteren Formungseinrichtung 15, auf der ein dünner Flüssigkeitsfilm 13 angeordnet ist. In diesem Fall wird der lokale Krümmungsradius der Flüssigkeit im zweitem Abschnitt 33 durch die Summe aus dem Drahtradius r' und der Dicke r" der Flüssigkeit 13 gebildet. Obwohl bei der von einem Dosierungsabschnitt abgegebenen Flüssigkeitsmenge 13 noch immer Schwankungen innerhalb der Flüssigkeit auftreten können, definiert nun der zweite Abschnitt 33 der unteren Formungseinrichtung 15 mit der dünnen Flüssigkeitsschicht mit einer Dicke r" den lokalen Krümmungsradius der Flüssigkeit. D.h. die untere Formungseinrichtung 15 dämpft die Schwankungen des dünnen Flüssigkeitsfilms und veranlaßt, daß der Krümmungsradius der Flüssigkeit an der Strecke A-A' im wesentlichen konstant gehalten wird, wie in Figur 2 verdeutlicht wird, die die Strecke der bevorzugten maximalen elektrischen Belastung darstellt.
Es wurde die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung verwendet, bei der ein rohrförmiger Kunststoff-Dosierabschnitt 11 mit einem entlang der Unterseite ausgebildeten Schlitz 20 vorgesehen war. Eine untere Formungseinrichtung 15 wies einen unter dem Schlitz angeordneten Draht auf. Extraktionsstangen 54 waren in der Nähe des Drahtes im wesentlichen in der gleichen horizontalen Ebene angeordnet. Der Schlitz 20 hatte eine Länge von 110 Millimetern (mm), eine Breite von 0.610 mm und eine Höhe von 10.15 mm. Der Draht hatte einen Durchmesser von 2.06 mm und war 105 mm über einer Bodenebene angeordnet. Die Extraktionsstangen 54 hatten jeweils einen Durchmesser von 16 mm und waren in einem Abstand von 50 mm auf jeder Seite des Drahtes angeordnet. Bei diesem mechanischen Aufbau des Elektrosprühbeschichtungskopfsystems 10 betrug der Abstand zwischen dem unteren Endpunkt 22 des Schlitzes 20 und der unteren Formungseinrichtung 15 etwa 1 mm. Dadurch konnte die untere Formungseinrichtung 15 durch die Flüssigkeit 13 leicht und gleichmäßg befeuchtet werden. Bei einer Anfangsspannung von etwa 10000 Volt änderte sich die Anzahl der erzeugten Flüssigkeitsfäden 40, wie beispielsweise der in Figur 4 dargestellten Flüssigkeitsfäden, und trat eine Bewegung der Fäden auf. Wenn die zugeführte Spannung jedoch um weitere 5000 Volt erhöht wurde, stabilisierten sich die Fäden und wurden gleichmäßig beabstandet und räumlich fixiert. Wenn daraufhin die Spannung von 15000 Volt auf 19000 Volt erhöht wurde, nahm die Anzahl der Fäden je Meter stetig von 262 auf 459 zu. Dies zeigte, daß eine stabile Steuerung der Fäden je Längeneinheit und ein einfaches Einstellungsverfahren zum Steuern der Anzahl von Fäden je Längeneinheit erreicht werden können. Obwohl die Anzahl der Fäden je Längeneinheit der unteren Formungseinrichtung 15 vorzugsweise durch Einstellen der zugeführten Spannung gesteuert wird, kann die Anzahl auch durch mehrere andere Parameter in geringem Maß beeinflußt werden. Diese anderen Parameter sind beispielsweise der Abstand zwischen der unteren Formungseinrichtung und den Extraktionsstangen 54, der Abstand zwischen der unteren Formungseinrichtung und dem Substrat 43 und der in dessen Nähe angeordneten Erdungsplatte 52, die Viskosität der abgegebenen Flüssigkeit 13, die Leitfähigkeit der abgegebenen Flüssigkeit 13, die Dielektrizitätskonstante der abgegebenen Flüssigkeit 13, die Oberflächenspannung der abgegebenen Flüssigkeit 13 und die Flußmenge der um die untere Formungseinrichtung 15 angeordneten Flüssigkeit 13. Allgemein sind für viskosere Lösungen größere Durchmesser des zweiten Abschnitts 33 der unteren Formungseinrichtung 15 erforderlich, um stabile Fäden entlang des Drahtes zu erhalten.
Bei einer anderen Ausführungsform eines Elektrosprühbeschichtungskopfsystems weist ein allgemein dreieckiger nicht-leitfähiger Kunststoff-Dosierabschnitt 11 eine leitfähige untere Formungseinrichtung 15 mit einem darunter angeordneten Draht auf, wie in Fig. 3 dargestellt. Elektrisch leitfähige Strukturen, wie beispielsweise die in Figur 1, Figur 6 und Figur 8 dargestellten Extraktionsstangen 54 oder -platten (die flach oder gekrümmt bzw. gebogen sein können) werden angeordnet, um ein elektrisches Feld um die untere Formungseinrichtung 15 zu erzeugen. Elektrisch leitfähige Strukturen 54 haben basierend auf der Einstellung einer Hochspannungs-Spannungsversorgung, wie beispielsweise einer in den Figuren 6 und 8 dargestellten Quelle 57, ein vom Potential der unteren Formungseinrichtung 15 verschiedenes Potential. Leitfähige Extraktionsstangen 54 können parallel zur unteren Formungseinrichtung 15 und in verschiedenen Abständen davon angeordnet sein, obwohl ein Abstand von etwa 50 mm bei Verwendung der nachstehend in Beispiel 1 beschriebenen Komponentenabmessungen geeignet ist. Durch eine nicht parallele Anordnung der Stangen 54 würde eine ungleichmäßige Beschichtung gebildet, wobei dies in bestimmten Fällen auch ein gewünschtes Ergebnis sein kann. Die Extraktionsstangen 54 werden durch einen Wahlschalter S1 entweder mit einer elektrischen Hochspannungsquelle 58 oder mit einem Erdungsanschluß 68 verbunden, wie in Figur 6 dargestellt. Ein elektrisches Potential 57 wird zwischen der unteren Formungseinrichtung 15 und den Extraktionsstangen 54 angelegt, um das gewünschte elektrische Feld zwischen den Strukturen zu erzeugen. Die maximale elektrische Spannung wird vorzugsweise entlang der Strecke A-A' angelegt, wie vorstehend unter Bezug auf Figur 2 beschrieben wurde.
Die Flüssigkeit 13 wird dann durch das elektrische Feld in eine Reihe von Fäden 40 gespannt, wie in Figur 4 verdeutlicht wird. Wenn die Flüssigkeitsflußmenge je Faden im Elektrosprühbereich liegt, tritt an den Spitzen dieser Flüssigkeitsfäden ein Rayleighstrahlabriß auf, wodurch veranlaßt wird, daß ein feiner Nebel aus Tröpfchen 34 erzeugt wird. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere für solche Verfahren und Beschichtungen geeignet, bei denen kein Lösungsmittel oder eine nur geringe Lösungsmittelmenge vorgesehen ist. Trotzdem kann die Größe der Tröpfchen 34 weiter reduziert werden, wenn von jedem der Tröpfchen Lösungsmittel verdampft. Es wird vermutet, daß, wenn dies auftritt, die Ladung auf dem Tröpfchen an einem gewissen Punkt den Rayleig-Ladungsgrenzwert überschreitet, so daß das Tröpfchen in mehrere hochgeladene, jedoch stabile kleinere Tröpfchen aufbricht. Durch eine Folge mehrerer Aufbrüche werden lose Tröpfchen mit sehr kleinem Durchmesser erzeugt. Die Tröpfchen 34 können durch elektrische Felder gesteuert und gelenkt bzw. ausgerichtet werden, um sie auf der Oberfläche eines unter dem Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 angeordneten Substrats 43 aufzubringen. In Abhängigkeit von den Kenngrößen bzw. Eigenschaften der Flüssigkeit und den Betriebsbedingungen verteilen sich die Elektrosprühtröpfchen 34 auf der Oberfläche des Substrats 43, wodurch eine im wesentlichen kontinuierliche Oberflächenbeschichtung erzeugt wird. Alternativ kann, wenn das Verteilen verhindert wird, eine diskontinuierliche Beschichtung von Bereichen oder Inseln erreicht werden.
Figur 6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schaltung für eine Analyse des Elektrosprühverfahrens, wobei eine Faradaybecheranordnung 66 an Stelle des Substrats 43 und der Grundplatte 52 angeordnet ist, die in Figur 4 dargestellt sind. Die Extraktionsstangen 54 sind getrennt von der unteren Formungseinrichtung 15 angeordnet, liegen jedoch in der gleichen horizontalen Ebene wie diese. Figur 6 wird nachstehend näher erläutert.
Figur 8 zeigt ein Verfahren zur Verwendung des Sprühkopfes 10 zum Beschichten eines Substrates 43. Das Substrat 43, das glatt oder rauh sein kann, ist in diesem Fall bahnförmig und wird um eine große geerdete Trommel 72 geführt. Die Bahn wird über einen geeigneten Abschnitt des Trommelumfangs geführt, wodurch ermöglicht wird, daß die Trommel 72 als gemeinsamer Bezugspunkt zum Definieren von elektrischen Potentialdifferenzen verwendet werden kann. Das Substrat 43 (von dem vorausgesetzt wird, daß es nicht leitfähig ist) bewegt sich unter eine Aufladevorrichtung, wie beispielsweise ein Korotron 80, wo Ionen 83 einer Polarität auf das Substrat 43 aufgebracht werden. Die Ladung je Flächeneinheit wird indirekt durch Messen der Spannung aüf dem Substrat durch ein elektrostatisches Voltmeter 86 gemessen. Das Substrat bewegt sich dann unter den Sprühkopf 10, wo durch den Sprühkopf 10 ein Nebel 34 erzeugt wird. Der Nebel 34 muß dann durch eine Quelle 57 auf eine Polarität aufgeladen werden, die derjenigen der durch das Korotron 80 auf das Substrat aufgebrachten Ladungen entgegengesetzt ist. Der Nebel 34 wird daraufhin durch das elektrische Feld auf das Substrat 43 aufgebracht, das durch die Potentialdifferenz zwischen der Spannung der um die untere Formungseinrichtung 15 angeordneten Flüssigkeit und der durch das elektrostatische Voltmeter 86 auf der Oberfläche des Sübstrats 43 gemessenen Spannung erzeugt wird. Wie für Fachleute für den Bereich der Elektrosprühverfahren verständlich ist, wird durch Anlegen eines anderen Potentials am Substrat ein anderes Muster bei der Aufbringung der Flüssigkeit erhalten. Durch die durch die Potentialdifferenz zwischen der Spannung der Extraxtionselektroden 54 und der durch das elektrostatische Voltmeter 54 gemessenen Spannung der Substratoberfläche erzeugten Felder wird ebenfalls das Aufbringen des Nebels 34 auf das Substrat 43 unterstützt. Weil die Ladung des Nebels 34 bezüglich der durch das Korotron 80 auf das Substrat 43 aufgebrachten Ladung entgegengesetzt ist, weist das Substrat nach dem Beschichten eine geringere Ladung auf. Wenn die durch den Nebel 34 aufgebrachte Ladungsmenge größer ist als die durch das Korotron 80 aufgebrachte Ladungsmenge, erhält das Substrat die gleiche Polarität wie der Nebel und wirkt einer weiteren Aufbringung des Nebels durch Abstoßung entgegen, wodurch die Beschichtungsdicke nicht mehr geeignet gesteuert werden kann. Um zu gewährleistewn, daß das Substrat nicht eine zu große Ladungsmenge durch den Nebel aufnimmt, wird die Ladung nach dem Beschichten unter Verwendung des elektrostatischen Voltmeters 90 erneut gemessen. Außerdem ist es wünschenswert, daß das Substrat 43 nach dem Beschichten keinerlei Ladung auf seiner Oberfläche aufweist. Dies wird unter Verwendung einer anderen Aufladungsvorrichtung, wie beispielsweise eines Korotrons 93, erreicht, um eine ausreichende Ladungsmenge 96 der gleichen Polarität wie diejenige der Tröpfchen aufzubringen, um die Gesamt- oder Nettoladung auf dem Substrat wieder auf den Wert Null zu reduzieren. Dies wird durch Einstellen der mit dem Korotron 93 verbundenen (nicht dargestellten) Quelle erreicht, bis das elektrostatische Voltmeter 90 den Wert Null anzeigt. Das Substrat 43 kann daraufhin für eine weitere Verarbeitung weitertransportiert werden, wie beispielsweise zu einer Erwärmungs- und/oder Trocknungsstation, um die gewünschte Schichtauflage zu bilden. In Abhängigkeit von den gewünschten Beschichtungseigenschaften und Eigenschaften der Flüssigkeit kann durch Zuführen von Wärme ein Fließen der auf das Substrat aufgebrachten Flüssigkeit ermöglicht oder verhindert werden.
Wenn das Substrat 43 oder seine Oberfläche leitfähig und mit einer geeigneten Erdung verbunden ist, sind keine Aufladungseinrichtungen, wie zum Beispiel das Korotron 80 und das Korotron 93, erforderlich.
Gemäß Figur 4 ist es möglich, daß, weil die Flüssigkeit 13 (aufgrund der Kapillarwirkung) dazu tendiert, entlang der Oberfläche des Dosierabschnitts 11 und der Oberfläche der unteren Formungseinrichtung 15 zu fließen, die Ränder des Schleiers 27 und dadurch die Enden des Films aus Tröpfchen 34 bezüglich des Mittelabschnitts ungleichmäßig ausgebildet sind. In einigen Fällen ist es bevorzugt, ein oder mehr Endpunktformungsstrukturen bereitzustellen, um durch Festlegen einer Befeuchtungslinie gleichmäßigere Ränder zu erhalten. Beispiele solcher Strukturen sind ein mit Nuten versehener oder schräger Rand 77 des Dosierabschnitts 11 und eine Erhöhung bzw. ein Damm 78 (z.B. ein feiner Draht oder ein Faden bzw. ein Filament, der/das um den Umfang des unteren Formungsabschnitts 15 gewickelt ist). Typischerweise ist eine schräge Kante geeigneter als ein Damm, weil durch einen Damm typischerweise mit größerer Wahrscheinlichkeit veranlaßt wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit oder Flußmenge der äußeren Fäden größer ist als diejenige der weiter in der Mitte angeordneten Fäden.
Weil durch die Extraktionsstangen 54 ermöglicht wird, daß der Sprühkopf 10 mit einer verringerten Spannung betrieben werden kann, sind sie wünschenswert, aber nicht notwendig. Gemäß den Figuren 2, 5, 6, und 8 wird beispielsweise verdeutlicht, daß, wenn die Extraktionsstangen 54 nicht vorhanden sind, der Sprühkopf 10 weiterhin arbeitet, wenn die Spannung der Quelle 57 erhöht wird, um die gleiche elektrische Spannung entlang der Flüssigkeitsstrecke A-A' zu erzeugen, die erzeugt würde, wenn die Extraktionsstangen 54 vorhanden wären.
Durch die folgenden erläuternden Beispiele wird die Verwendung des Konzepts des erfindungsgemäßen Elektrosprühverfahrens erläutert, durch das Schichten aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Dicken hergestellt werden. Wenn nicht anders erläutert, sind alle Mengenangaben der Bestandteile der Flüssigkeit in Gewichtsanteilen angegeben.

Beispiel 1

Dieses Beispiel zeigt die Wirkung der angelegten Spannung auf die Anzahl der durch das Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 erzeugten Fäden je Meter. Die verwendete Lösung war eine Silikonacrylat-Zusammensetzung, die in der mitanhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennr. 07/672386 mit dem Titel "Radiation Curable Vinyl/Silicone Release Coating", eingereicht am 20. März 1991, beschrieben wird. Die Lösung wurde durch Mischen von 72.5 Gewichtsteilen Isooctylacrylat, 10 Gewichtsteilen Hexandioldiacrylat, 7.5 Teilen Trimethylolpropan-tri(8-Acryloxypropionat), 5 Teilen Acrylsäure und 1.5 Teilen Acrylamidoamidosiloxan mit den Molekulargewicht 5000 vorbereitet. Dazu wurden 2 Gewichtsteile DAROCURE 1173, 2-Hydroxy-2-Methyl-1-Phenyl-Propan-l-one, ein UV-Initiator mit freien Radikalen von Ciba Geigy, und 5 Teile Methanol hinzugefügt. Die für Elektrosprühverfahren relevanten physikalischen Eigenschaften der Lösung waren eine Leitfähigkeit von 1.5 Mikrosiemens je Meter (µS/m), eine Viskosität von 6 Millipascal-Sekunden (mPa-s), eine Dielektrizitätskonstante von 11.6, und eine Oberflächenspannung von 24.5 Millinewton je Meter (mN/m)
Es wurde ein dem in Figur 1 dargestellten System ähnliches Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 verwendet, das aus einem Kunststoffrohr mit einem entlang des Bodens ausgebildeten Schlitz, einem unter dem Schlitz angeordneten Draht und parallel zum Draht ungefähr in der gleichen horizontalen Ebene angeordneten Extraktionsstangen gebildet wurde. Der Schlitz hatte eine Länge von 110 mm, eine Breite von 0.610 mm und eine Höhe von 10.15 mm. Der Draht hatte einen Durchmesser von 2.06 mm und war 105 mm über der Erdungsebene angeordnet. Die Extraktionsstangen hatten jeweils einen Durchmesser von 16 mm und waren auf beiden Seiten des Drahtes in einem Abstand h von 50 mm vom Draht angeordnet, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Das Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 war über einer großen, flachen Metallpfanne 66 angeordnet, wie im schematischen Schaltungsdiagramm von Figur 6 dargestellt. Die Pfanne war auf einer Plexiglasplatte mit einer Dicke von 6.4 mm angeordnet, um sie von der Erde zu isolieren. Ein Picoamperemeter 69, Keithley Model 485, war zwischen Pfanne und Erde geschaltet. Dadurch wurde ermöglicht, daß die Pfanne als Faradaybecher wirkt und ein elektrischer Feldpfad E zwischen der Flüssigkeit um den Draht 15 und der Pfanne 66 erzeugt wird. Eine 20 kV-Spannungsversorgung, Glassman Modell PS/WG-20N15-DM, für negative Spannung wurde an den Draht angeschlossen. Die Extraktionselelektroden 54 wurden auf Erdpotential gehalten. Die Anzahl der Fäden wurden bei verschiedenen Potentialen gezählt. Die Ergebnisse sind als Datenpunkte in der graphischen Darstellung von Figur 7 dargestellt. Die Quelle 57 und die Quelle 58 können mit einer beliebigen gewünschten Polarität betrieben werden.
Die Fadendichte wurde durch Zählen der Fäden entlang des Drahts und durch Teilen durch die Länge des Drahtes erhalten, der die Fäden aufweist. In der graphischen Darstellung ist eine Beziehung dargestellt, bef der die Anzahl der Fäden je Meter grob einer Funktion des Quadrats der angelegten Spannung proportional ist. In der Nähe der Spannung, bei der die induzierte Instabilität zuerst zu Fäden führt (etwa 10000 Volt), änderte sich die Anzahl der Fäden und bewegten sich bzw. schwankten die Fäden. Innerhalb zusätzlicher 5000 Volt Spannung stabilisierten sich die Fäden und waren die Fäden im wesentlichen gleichmäßig beabstandet und räumlich fixiert. Durch Erhöhen der Spannung auf über 15000 Volt konnte die Anzahl der Fäden gesteuert werden. Die Datenpunkte der stabilisierten Fäden stimmen gut mit der Kurve überein, durch die eine lineare Beziehung zwischen der Anzahl der Fäden pro Meter und einer Funktion vorausgesagt wird, die näherungsweise dem Quadrat der angelegten Spannung entspricht. In der US-A-4748043 wird dargestellt, daß jede Flüssigkeit einen spezifischen Flußmengenbereich aufweist, in dem ein stabiler einzelner Faden im Elektrosprühbetrieb erzeugt wird. In einem nadel- oder zahnförmigen Elektrosprühkopf ist die Anzahl von Fäden je Längeneinheit durch die Anzahl dieser zahnähnlichen Vorsprünge festgelegt. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Flußmengenbereich des Systems nicht derart eingeschränkt und kann die Anzahl der Fäden je Längeneinheit leicht durch einfaches Steuern des Spannungspegels eingestellt werden. Ferner wird für viele Flüssigkeiten, wenn ein Faden im Elektrosprühmodus von einer glatten Oberfläche erzeugt wird, das obere Ende seines Flußmengenbereichs um einen Faktor von zwei oder mehr bezüglich dem Fall erhöht, bei dem unter Verwendung der gleichen Flüssigkeit ein Faden von einer nadel- oder scharfen zahnförmigen Struktur gebildet wird.

Beispiel 2

Dieses Beispiel beschreibt die Verwendung des Schlitz- und Draht-Elektrosprühverfahrens, um eine Lösung aufzubringen und eine dicke Beschichtung mit einer Dicke zwischen 6 und 9 Mikrometern (µm) auf einer rauhen Oberfläche zu bilden. Die aufzuschichtende Lösung wurde vorbereitet durch Mischen von 90 Gewichtsteilen eines cycloaliphatischen Epoxids (Handelsbezeichnung ERL-4221 von Union Carbide) mit 10 Teilen Hexandioldiacrylat (Handelsbezeichnung SR-238 von Sartomer Inc., Exton, Pennsylvania), Hinzufügen von 0.25 Teilen 2,2- Dimethyl-2-Phenylacetophenon, ein tiefentrocknender oder -aushärtender Photoinitiator (Handelsbezeichnung IRGOCURE 651 von Ciba-Geigy), und 0.25 Teilen Cyclopentadienylcumoleisen-II-Phosphor(III)-hexafluorid, ein in sichtbarem Licht trocknender oder aushärtender Photoinitiator (Handelsbezeichnung IRGOCURE 261 von Ciba-Geigy), und Verdünnen mit Toluol (Katalog Nr. 32,055-2 von Aldrich, Milwaukee, Wisconsin) auf 85 Gewichts-%. Die für ein Elektrosprühverfahren relevanten physikalischen Eigenschaften der Lösung waren eine Leitfähigkeit von 70 µS/m, eine Viskosität von 29 mPa-s, eine Dielektrizitätskonstante von 11, und eine Oberflächenspannung von 27 mN/m. Die Lösung wurde unter Verwendung einer von Sage Instruments, Cambridge, Massachusetts, erhältlichen Spritzpumpe, Sage Modell 355, in das Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 eingefüllt.
Der Schlitz hatte eine konstante Breite von ungefähr 610 µm und eine Länge von 102 mm. Dem Draht wurde eine positive Hochspannung von 19.5 kV zugeführt, und den Extraktionsstangen wurde eine positive Spannung von 6 kV zugeführt. Die Extraktionsstangen hatten einen Durchmesser von 6 mm und waren 25 mm vom Draht beabstandet. Der Draht hatte einen Durchmesser von 3.2 mm und war etwa 2 mm unter dem Schlitz und 90 mm über der Oberfläche eines Transportmechanismus angeordnet. Die Transporteinrichtung bestand aus einer auf der Oberseite eines sich bewegenden Metallbands angeordneten nicht-leitfähigen Trägerbahn. Probebahnen oder -rollen des Materials könnten auf dieser Band-Trägerbahn-Transportanordnung angeordnet oder dieser zugeführt werden. Das Metallband wurde auf Erdpotential gehalten.
Eine Rolle von 76 µm dickem Polyethylenterephthalat (PET) wurde harzbeschichtet und anschließend lose imprägniert mit einer dünnen Schicht aus Partikeln mit einem mittleren Durchmesser von 12 µm. Streifen dieses Materials mit einer Größe von 102 mm auf 914 mm wurden auf der Oberseite des Trägerbahnenmaterials angeordnet und dem Transportmechanismus zugeführt. Die rauhe Oberfläche des Streifens wurde unter einer Koronaufladevorrichtung auf ein negatives Potential von etwa -2 kV aufgeladen. Die Trägerbahngeschwindigkeit wurde bei 6.1 Meter/min gehalten. Es wurden zwei Pumpenförderleistungen verwendet, 295 ml/h und 443 ml/h. Die Flußmenge je Faden wurde durch Teilen der gesamten Pumpenförderleistung für die Flüssigkeitszufuhr in den Dosierabschnitt durch die Gesamtanzahl der Fäden erhalten.
Wenn die Hochspannung angelegt war, bildeten sich zehn Fäden über eine unter dem Schlitz angeordnete Drahtlänge von 95 mm. Die Flußmengen je Faden betrugen 29.5 ml/h und 44.3 ml/h, wodurch sich Schichtdicken von 6 µm bzw. 9 µm ergaben. In diesem Beispiel führte die Verwendung eines dicken Drahts zu 105 Fäden je Meter. Die beschichteten Streifen wurden daraufhin unter eine Mitteldruck-Quecksilberlampe gebracht und bei einer Bestrahlungsdichte von 610 Joule pro Quadratmeter (J/m²) mit Ultraviolettstrahlen von 254 Nanometern (nm) bestrahlt.

Beispiel 3

Dieses Beispiel beschreibt die Verwendung des Verfahrens zum Herstellen einer dünnen, leicht lösbaren Schichtfläche auf einem glatten Kunststoffilm für Klebezwecke. Es wurden zwei Lösungen aufgeschichtet. Die erste Lösung wurde durch Mischen der folgenden im Handel erhältlichen Flüssigkeiten hergestellt. 40 Gewichtsteile eines Epoxidsilikons (Handelsbezeichnung UV9300 Solventless UV Release Polymer von GE Silicones, einer Abteilung von General Electric Company, Waterford, New York), 20 Teile 1,4-Cyclohexandimethanol-Butadienether (Handelsbezeichnung Rapi-Cure CHVE Reactive Diluent von GAF Chemicals Corporation, Wayne, New Jersey), 15 Teile Limonenmonoxid (von Atochem, Philadelphia, Pennsylvania) und 25 Teile Limonen in Lebensmittelqualität (von Florida Chemical Co. Inc., Lake Alfred, Florida). Dazu wurden 3 Gewichtsteile Iodoniumsalz (Handelsbezeichnung UV9310C Photoinitiator von GE Silicones) hinzugefügt. Das Gemisch wurde als 40/20/15/25+3 bezeichnet. Die zweite Lösung wurde durch Mischen der vorstehenden Flüssigkeiten in den folgenden Verhältnissen hergestellt: 25/20/15/40+3. Die für das Elektrosprühverfahren relevanten physikalischen Eigenschaften der ersten Lösung waren: eine Leitfähigkeit von 11 µS/m, eine Viskosität von 19 mPa-s, eine Dielektrizitätskonstante von 7.5 und eine Oberflächenspannung von 24 mN/m. Die für ein Elektrosprühverfahren relevanten physikalischen Eigenschaften der zweiten Lösung waren: eine Leitfähigkeit von 11 µS/m, eine Viskosität von 9 mPa-s, eine Dielektrizitätskonstante von 7.6 und eine Oberflächenspannung von 24 mN/m.
Es wurde ein Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 verwendet, das ähnlich wie die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung aus einem ausgehöhlten Kunststoffblock mit dreiekkigem Querschnitt, wobei entlang des unteren Randes ein Schlitz ausgebildet war, einem unter dem Schlitz angeordneten Draht und parallel zum Draht in der gleichen horizontalen Ebene angeordneten Extraktionsstangen gebildet wurde. Der Schlitz hatte eine Länge von 305 mm, eine Breite von 0.610 mm und eine Höhe von 19 mm. Der Draht hatte einen Durchmesser von 2.4 mm und war für die viskosere Lösung 2 mm und für die zweite, weniger viskose Lösung 1 mm vom Schlitz entfernt angeordnet. Die Extraktionsstangen hatten jeweils einen Durchmesser von 6.4 mm und waren in einem Abstand von 25 auf jeder Seite des Drahtes angeordnet. Die aufzuschichtende Lösung wurde unter Verwendung einer Mikropumpe, Micro- Pump Model 7520-35, und eines magnetisch gekoppelten Zahnrad- oder Schraubenradpumpenkopfes, erhältlich von Cole- Palmer Instrument Company, Chicago, Illinois, unter den Katalog-Nummern: N07520-35 bzw. A-07002-27 in ein Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 eingeleitet.
Dem Draht wurde durch eine Gleichspannung-Hochspannungsversorgung Model R6OA, erhältlich von Hipotronics, Brewster, New York, eine positive Hochspannung von +25kV zugeführt. Der Draht war 90 mm über der zu beschichtenden Filmfläche angeordnet, wenn sich diese über die Oberfläche einer in Figur 9 dargestellten, frei drehbaren, leitfähigen Metalltrommel 72 mit einem Durchmesser von 610 mm bewegte. Durch diese Beschichtungsstation konnten Rollen von Kunststoffilm, Papier oder Metallfolie beschichtet werden. Außerdem könnten die vorstehend erwähnten Rollen als Trägerbahnen verwendet werden, auf denen plattenförmige Proben angeordnet werden können. Die Metalltrommel wurde auf Erdpotential gehalten.
Eine 305 mm breite und 36 µm dicke PET-Folienrolle wurde durch die Beschichtungsstation geführt. Die Filmoberfläche wurde auf ein Potential von ungefähr -1.5 kV aufgeladen, das ausreichend ist, um den Film an der Metalltrommel und die Filmplatten an der Trägerbahn festzuhalten. Die Pumpenleistung wurde für eine Strömung aus einem 305 mm langem Schlitz konstant bei 5.5 ml/min gehalten. Die Lösung benetzte eine Länge von 305 mm des unter dem Schlitz angeordneten Drahts. Es wurde Bahngeschwindigkeiten von 9.1, 27.4, und 45.7 Meter/min verwendet. Die geschätzten Schichtdicken bei den verschiedenen Geschwindigkeiten betrugen 2.0, 0.7 bzw. 0.4 µm.
Der beschichtete Film wurde dann erhitzt und ultravioletter Bestrahlung ausgesetzt, um die Beschichtung in eine haltbare abziehbare Fläche umzuwandeln. Der beschichtete Film wurde durch einen 2.4 langen Lufgebläse- oder Luftaufblasofen mit einem geschätzten Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen 62.8 Joule pro Sekunde pro Quadratmeter pro Grad Celsius (J/(sm²C)) und 125.5 J/(sm²C) bewegt. Im Ofen wurden drei Lufttemperaturen für jede Lösung verwendet (35ºC, 42ºC, und 60ºC für die erste Lösung und 24ºC, 44ºC und 59ºC für die zweite). Die Verweilzeiten im Ofen bei den drei Geschwindigkeiten betrugen 16, 5.3, und 3.2 Sekunden. Es wurde abgeschätzt, daß der beschichtete Film die Ofentemperatur innerhalb von 3.2 Sekunden bei dem niedrigen Wärmeaustauschkoeffizienten und innerhalb von 1.6 Sekunden beim höheren Wärmeaustauschkoeffizienten erreicht hat. Der beschichtete Film wurde dann unter eine Mitteldruck-Quecksilberdampflampe gebracht und einer Bestrahlung von 880, 290, bzw. 180 J/m² (bei 9.1, 27.4 bzw. 45.7 Metern je min) mit einer Wellenlänge von 254 nm ausgesetzt.
Die erhaltenen getrockneten Beschichtungen wurden durch Erwärmen für 3 Tage bei 65ºC und 50% relativer Feuchtigkeit gegen Bänder mit einem Naturgummi/Harzklebstoff (Nr. 232 ScotchTM Masking Tape von Minnesota Mining and manufacturing Company (3M), St. Paul, Minnesota) oder einem Acrylklebstoff (Nr. 810 ScotchTMMagicTMTape von 3M) gealtert. Die Bänder wurden unter 180 Grad mit einer Geschwindigkeit von 2.286 m/min von den Proben abgezogen, nachdem sie für mindestens 4 Stunden aus dem Ofen entfernt und in einem Raum angeordnet waren, wo die Temperatur und die Feuchtigkeit konstant bei 22.2ºC bzw. 50% relativer Feuchtigkeit gehalten wurden. Es wurde kein wesentlicher Verlust des Haftvermögens beim Wiederaufbringen der Beschichtung beobachtet. Die Abziehwerte in Newton je Dezimeter Bandbreite betrugen für die verschiedenen Epoxidsilikonkonzentrationen und Bahntemperaturen bei den drei Geschwindigkeiten (9.1, 27.4 und 45.7 Meter je min, die durch A, B bzw. C gekennzeichnet sind):
Wenn die Zeit zwischen dem Schritt zum Aufbringen der Beschichtung und dem Schritt zum Trocknen der Beschichtung vermindert wird, ist es vorteilhaft, Wärme zuzuführen, um bei diesen Lösungszusammensetzungen eine leicht lösbare Beschichtung zu erhalten.
Die Anzahl der Fäden je Meter wurde während dieses Experiments nicht gezählt, wurde jedoch in früheren Experimenten bestimmt, bei denen ähnliche Kopfgeometrien verwendet wurden. Bei den früheren Experimenten bildeten sich, wenn der ersten Lösung eine positive Spannung von +24kV zugeführt wurde, beispielsweise etwa 90 Fäden über eine Drahtlänge von 305 mm unter dem Schlitz. Die Punmpenleistung betrug 5.5 ml/min, wodurch sich eine berechnete Lösungsflußmenge von 3.7 ml/h ergab. Wenn der zweiten Lösung eine positive Spannung von +22kV zugeführt wurde, bildeten sich etwa 80 Fäden. Die Pumpenleistung betrug 9.5 ml/min, wodurch sich eine berechnete Flußmenge von 7.1 ml/h ergab.

Beispiel 4

Dieses Beispiel beschreibt die Anwendung des Verfahrens zum Herstellen einer dünnen, leicht lösbaren Schichtfläche auf einem rauhen Substrat für eine Klebeanwendung. Die zu beschichtende Lösung war die gleiche wie die erste Lösung des Beispiels 3. Das Verfahren zum Aufbringen der Lösung auf ein Substrat war ebenfalls das gleiche wie in Beispiel 3 beschrieben.
Ein Band aus glasperlenimprägniertem Harz mit den Maßen 102 mm auf 7.6 m und mit einer rauhen Oberfläche, das auf der Unterseite klebstoffbeschichtet und lose auf einem 305 mm breiten silikonbeschichteten Papier aufgeklebt war, wurde auf einer 330 mm breiten Rolle aus einer 61 µm dicken PET- Trägerfolie angeordnet und durch die Beschichtungsstation geführt. Die rauhe Oberfläche und das freiliegende silikonbeschichtete Papier wurden auf ein negatives Potential von ungefähr 1.5 kV aufgeladen. Die Pumpenleistung wurde für eine Strömung aus einem 305 mm langem Schlitz konstant bei 5.5 ml/min gehalten. Die Lösung benetzte eine Länge von 330 mm des unter dem Schlitz angeordneten Drahtes. Die Bahngeschwindigkeit betrug konstant 15.2 Meter pro Minute. Die Beschichtungsdicke wurde auf 1.2 µm geschätzt.
Der beschichtete Film wurde dann erhitzt und ultravioletter Bestrahlung ausgesetzt, um die Beschichtung in eine dauerhafte abziehbare Oberfläche zu verwandeln. Der beschichtete Film wurde durch einen Tunnel mit einer Höhe von 25 mm, einer Breite von 356 mm und einer Länge von 1.83 m hindurchgeführt. Durch ein Heißluftgebläse (Model 6056 von Leister, Schweiz) mit einer Ausgangslufttemperatur von 187ºC an der Düse wurde entgegengesetzt zur Bahnbewegungsrichtung Luft in den Tunnel eingeleitet. Basierend auf Infrarotmessungen des Polyesterfilms bei ähnlichen Bedingungen unter Verwendung einer ähnlichen Vorrichtung wie das Gerät Mikron M90 Series Portable IR Thermometer von Mikron Instrument Company, Inc., Wyckoff, New Jersey, wurde die Lufttemperatur am Ausgang des Tunnels auf etwa 100ºC geschätzt, und die Bahntemperatur am Ausgang des Tunnels wurde auf etwa 50ºC geschätzt. Der beschichtete Film wurde dann unter einer Mitteldruck-Quecksilberdampflampe angeordnet und einer Bestrahlung von 400 J/m² bei einer Wellenlänge von 254 nm ausgesetzt.
Die anschließend getrockneten Beschichtungen zeigten zufriedenstellende Abzieheigenschaften und zufriedenstellende Eigenschaften zum Wiederaufbringen der Klebeschicht, wenn sie gegen den gleichen Naturgummi/Harz-Klebstoff geprüft wurden, der auf der Unterseite der beschichteten Substrate aufgebracht war.

Beispiel 5

Dieses Beispiel beschreibt die Anwendung dieses Verfahrens, um ein Grundierungsmittel bzw. einen Primer abzugeben. Die zum Beschichten zu verwendende Lösung wurde durch Mischen von 95 Gewichtsteilen Hexandioldiacrylat und 5 Gewichtsteilen Benzophenon (Katalog Nr. B930-0 von Aldrich) und durch Verdünnen dieser Lösung durch Hinzufügen von Methanol (Katalog Nr. 17933-7 von Aldrich) auf 90 Gew.-% hergestellt. Die für ein Elektrosprühverfahren relevanten physikalischen Eigenschaften der Lösung sind eine Leitfähigkeit von 2.6 µS/m, eine Viskosität von 9 mPa-S, eine Dielektrizitätskonstante von 10.1 und eine Oberflächenspannung von 34.2 mN/m. Die Lösung wurde unter Verwendung einer Spritzpumpe, Sage Modell 255, in ein Elektrosprühbeschichtungskopfsystem 10 eingeleitet. Das Elektrosprühbeschichtungskopfsystem wurde über einer großen flachen Metallpfanne 66 angeordnet, wie in Figur 6 dargestellt ist. Der Schlitz hatte eine konstante Breite von 410 µm und eine Länge von 76 mm. Es wurde die Hipotronics-Spannungsversorgung von Beispiel 3 verwendet, um dem Draht eine positive Spannung von +24 kV zuzuführen. Der Draht hatte einen Durchmesser von 1.7 mm und war 762 µm unter dem Schlitz und 90 mm über der Metallpfanne angeordnet. Die Extraktionsstangen 54 hatten einen Durchmesser von 6 mm und waren 25 mm vom Draht beabstandet angeordnet und geerdet. Durch die aus dem Schlitz fließende Lösung wurde ein Drahtabschnitt von 89 mm benetzt.
Die folgende Gesamtanzahl von Fäden und Flußmengen je Faden wurden erhalten, wenn die Gesamtflußmenge in den Sprühkopf von 1.36 auf 13.56 ml/min erhöht wurde (gekennzeichnet als Flußmengen A, B, C bzw. D):
Wenn die vorstehende Flußmenge je Faden erhöht wurde, nahm die Fadenlänge zu und wurde der Fadendurchmesser größer, bevor der Faden sich in Tröpfchen auflöste. Die beiden niedrigen Flußmengen (A und B) lagen im Elektrosprühbereich und die beiden höheren Flußmengen (C und D) näherten sich dem harmonischen Sprühbereich an bzw. lagen im harmonischen Sprühbereich.
Durch Fachleute können verschiedene Modifikationen und Änderungen der Erfindung vorgenommen werden, ohne den durch die Patentansprüche definierten Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Elektrosprühbeschichtungskopfsystem zur Verwendung in einem Elektrosprühbeschichtungsverfahren, wobei das Beschichtungskopfsystem (10) dadurch gekennzeichnet ist, daß es aufweist:

einen Dosierabschnitt (11) zum Ausgeben einer Flüssigkeit (13) zu einer unteren Formungseinrichtung (15),

wobei die untere Formungseinrichtung (15) derart unter dem Dosierabschnitt (11) angeordnet ist, daß ausgegebene Flüssigkeit (13) vom Dosierabschnitt auf die untere Formungseinrichtung fließt, um die untere Formungseinrichtung vollständig zu umgeben, wobei die untere Formungseinrichtung einen ersten Abschnitt (32) zum Aufnehmen der Flüssigkeit und einen zweiten Abschnitt (33) aufweist und eine Schicht mit einem einzigen kontinuierlichen und im wesentlichen räumlich konstanten Krümmungsradius der zugeführten Flüssigkeit um den zweiten Abschnitt (33) der unteren Formungseinrichtung erzeugt, so daß die Anzahl und die Position von sich von der unteren Formungseinrichtung aus erstrekkenden Fäden (40) der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Größe eines der Oberfläche der die untere Formungseinrichtung umgebenden Flüssigkeit zugeführten Potentials variabel sind, und die Flüssigkeitsfäden bei einem bestimmten Potential räumlich und zeitlich fixiert sind, so daß ein gleichmäßiger Nebel hochgeladener Tröpfchen erzeugt werden kann.

2. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierabschnitt (11) ein längliches Element (16) mit Innenwänden (17) aufweist, die einen Flüssigkeitsspeicherhohlraum zum Aufnehmen von Flüssigkeit begrenzen, und einen sich vom Flüssigkeitsspeicherhohlraum entlang eines Abschnitts des Elements zu einer Außenöffnung (22) erstreckenden Schlitz (20).

3. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die untere Formungseinrichtung (15) einen Abschnitt aus einem länglichen drahtförmigen Element aufweist.

4. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das drahtförmige Element einen elektrisch leitfähigen Draht aufweist.

5. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Dosierabschnitt (11) ein längliches, klingenförmiges Element mit gegenüberliegenden Seitenwänden mit einem oberen Abschnitt und einer Basis aufweist, wobei durch die gegenüberliegenden Seitenwände mindestens ein Strömungsweg für eine kontinuierliche Strömung der Flüssigkeit bereitgestellt wird, die vom oberen Abschnitt zur Basis und auf die untere Formungseinrichtung (15) als mit der unteren Formungseinrichtung in Kontakt stehender gleichmäßiger und ununterbrochener Flüssigkeitsfilm abgegeben wird.

6. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 1, ferner mit einer auf der unteren Formungseinrichtung (15) angeordneten Endpunktformungsstruktur (78), durch die eine Befeuchtungslinie an entgegengesetzten Enden der unteren Formungseinrichtung festgelegt wird.

7. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 1, ferner mit einer auf der Dosiereinrichtung (11) angeordneten Endpunktformungsstruktur (77), durch die eine Befeuchtungslinie an entgegengesetzten Enden der Dosiereinrichtung festgelegt wird.

8. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Struktur, die ein geringeres Potential aufweist als die die untere Formungseinrichtung (15) umgebende Flüssigkeit, wobei die Struktur in der Nähe der unteren Formungseinrichtung angeordnet ist.

9. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 8, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Struktur

a) eine leitfähige Stange (54) und/oder

b) eine leitfähige Platte aufweist.

10. Beschichtungskopfsystem nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Struktur eine nichtleitfähige Außenflächenschicht aufweist.

11. Verfahren zum variablen Steuern der gleichmäßigen Ausströmung einer Flüssigkeit, die als Beschichtungsmaterial in einem Elektrosprühbeschichtungsverfahren aufgebracht wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Bereitstellen eines Dosierabschnitts (11) zum Zuführen einer Flüssigkeit (13) zu einer unteren Formungseinrichtung (15);

b) Positionieren der unteren Formungseinrichtung (15) unter dem Dosierabschnitt derart, daß abgegebene Flüssigkeit (13) vom Dosierabschnitt auf die untere Formungseinrichtung fließt und die untere Formungseinrichtung vollständig umgibt, wobei die untere Formungseinrichtung einen ersten Abschnitt (32) zum Aufnehmen der Flüssigkeit und einen zweiten Abschnitt (33) aufweist und einen Film mit einem einzigen kontinuierlichen und im wesentlichen räumlich konstanten Krümmungsradius der abgegebenen Flüssigkeit um den zweiten Abschnitt (33) der unteren Formungseinrichtung erzeugt, so daß die Anzahl und die Position von Fäden (40) der Flüssigkeit, die sich von der unteren Formungseinrichtung aus erstrecken, in Abhängigkeit von der Größe eines der Oberfläche der die untere Formungseinrichtung umgebenden Flüssigkeit zugeführten Potentials variabel sind; und

c) Einstellen des der Oberfläche der Flüssigkeit zugeführten Potentials derart, daß durch ein bestimmtes Potential eine gewünschte Anzahl und eine gewünschte Position von Fäden der Flüssigkeit erzeugt werden, und bei einem bestimmten Potential die Flüssigkeitsfäden räumlich und zeitlich fixiert sind, so daß ein gleichmäßiger Nebel hochgeladener Tröpfchen erzeugt werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Tröpfchenzahldichte des gleichmäßigen Nebels durch Einstellen des der Oberfläche der die untere Formungseinrichtung (15) umgebenden Flüssigkeit zugeführten Potentials gesteuert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, ferner mit dem Schritt:

d) Richten der Strömung des Nebels auf ausgewählte Aufbringungsstellen auf einem beweglichen Substrat (43).

14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner mindestens einen der folgenden Schritte aufweist:

a) Erwärmen der Flüssigkeit nach dem Aufbringen auf das Substrat (43); und

b) Trocknen der Flüssigkeit nach dem Aufbringen auf das Substrat (43).