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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Herstellen einschichtiger und mehrschichtiger nasser Beschichtungen
von 0,01 bis 1000 Mikrometer durch gleichzeitiges Aufbringen in
einem Schritt. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen
des Verfahrens und der Vorrichtung zum Luftmesserbeschichten eines
Substrats. Dieses Verfahren ist besonders für die Papierbeschichtungsindustrie
und die Beschichtungen auf Wasserbasis verwendende Industrie nützlich.
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Oftmals müssen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen
auf ein Substrat aufgebracht werden. Es ist üblich, eine Primer-Beschichtung
unter einer Farbe aufzubringen, um die Haftung zu verbessern. Bei
der Herstellung von photographischem Film müssen bis zu zwölf Schichten
unterschiedlicher Zusammensetzungen in einem bestimmten geschichteten
Verhältnis
mit enger Toleranz bei der Gleichmäßigkeit aufgebracht werden.
Die Verwendung sequentieller Beschichtungsvorgänge kann mehrere unterschiedliche übereinanderliegende Schichten
auf einem Substrat erzeugen. Dies ist jedoch kostspielig und zeitaufwendig
und kann eine große
Investition in die aufeinanderfolgenden Beschichtungs- und Trocknungsstationen
erfordern.
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Verfahren zum gleichzeitigen Aufbringen mehrlagiger
Beschichtungen sind in dem Buch: Cohen, E. D. und Gutoff, E. B.,
Editors, 1992, Modern Coatina and Drying Technoloay, Kapitel 4,
VCH Publishers, New York, erörtert.
Schlitzoder Extrusionsdüsenbeschichter
sind in US-A-2 761 419 und US-A-2 761 791 beschrieben, und zahlreiche
Verbesserungen wurden über
die Jahre entwickelt. Bei diesen Beschichtungsvorrichtungen wird
die zu beschichtende Oberfläche
der Bahn in Kontakt mit oder in enge Nähe zur Düse gebracht und es werden mehrere übereinanderliegende
Schichten aufgebracht. Jede Beschichtungszusammensetzung wird dosiert
an die Beschichtungsdüse ausgegeben,
welche diese als Schichten auf der Bahn ablagert. Die Gleichmäßigkeit
des Spalts zur Bahn begrenzt jedoch die Qualität der Beschichtungen und die
maximale Arbeitsgeschwindigkeit ist begrenzt.
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Ein weiteres Verfahren zum gleichzeitigen Aufbringen
mehrerer Schichten ist die Vorhangbeschichtung. US-A 3 508 947 lehrt
die Verwendung dieses Verfahrens bei der Beschichtung von photographischen
Elementen. Die Vorhangbeschichtung verwendet einen frei fallenden
vertikalen Vorhang aus Flüssigkeit,
der auf die durch die Beschichtungsstation laufende Bahn fällt. Dieses
Dokument lehrt ein Verfahren zur Bildung des Vorhangs aus mehreren
unterschiedlichen Schichten, um eine mehrschichtige Beschichtung
auf einer Bahn zu erreichen. Der Spalt zwischen der Beschichtungsdüse und der Bahn
ist erheblich größer als
bei vorhergehenden Verfahren und die Aufbringgeschwindigkeiten sind erheblich
höher.
Dieses Verfahren weist jedoch Stärken- und Geschwindigkeitsbeschränkungen
auf.
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Eine Einschränkung der Vorhangbeschichtung
besteht darin, daß bei
jeder Formulierung eine minimale Fließrate existiert, unterhalb
welcher ein stabiler Vorhang nicht aufrechterhalten werden kann. Dies
verhindert ein dünnes
Auftragen bei langsamen und moderaten Geschwindigkeiten. Da die
Verfahren zum gleichzeitigen Gleitbeschichten und zum gleichzeitigen
Vorhangbeschichten als erste eingeführt wurden, wurden zahlreiche
Verbesserungen erfunden. Es besteht jedoch weiter der Bedarf an
einem verbesserten Beschichtungsverfahren zum gleichzeitigen Aufbringen
von Schichten bei geringen Geschwindigkeiten und bei hohen Geschwindigkeiten.
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Die Technologie der einlagigen Luftmesserbeschichtung
ist in Kapitel II des Buchs Pulp and Paper Manufacture, Volume 8:
Coating, Convertina and Specialty Processes, Michael Kouris, Technical
Editor, 3. Ed., 1990, veröffentlicht
von The Joint Textbook Committee of the Paper Industry, TAPPI and CPPA,
Atlanta Georgia. Eine zusätzliche
Beschreibung findet sich in kapitel 5 des Buchs von Cohen and Gutoff.
Luftmesserbeschichten ist durch das Aufbringen eines Überschusses
einer einzelnen Beschichtungsfluidzusammensetzung auf eine Bahn und
das anschließende
Entfernen eines teils dieses Fluids durch einen aus einer Düse austretenden
Gasstrahl gekennzeichnet. Es existiert ein langsamer Aufbringbereich,
in dem geringer Gasdruck in der Düse verwendet wird. Überschüssiges beschichtungsmaterial
wird entgegen der Bahnlaufrichtung gedrückt und eine geregelte Menge
passiert den Gasstrahl auf der Bahnfläche. Diese Technologie wird
von der Photoindustrie verwendet. Es existiert ein schneller Arbeitsbereich,
der in der Papierbeschichtungsindustrie und beim Beschichten mit
geschmolzenem Metall von Heißtauchstahlstreifenherstellern
verwendet wird. In diesem Fall sind die Gasdrücke und die Bahngeschwindigkeiten
hoch und das überschüssige Fluid
wird vom Strahl oft zerstäubt. Sowohl
das langsame, als auch das schnelle Verfahren ist nur als Einschicht-Beschichtungsverfahren unter
Verwendung einer einzelnen beschichtungsfluidzusammensetzung bekannt,
und sie werden seit mehr als fünfzig
Jahren praktiziert. Beide Verfahren verwenden Beschichtungsauftragsdüsen zum
Aufbringen der überschüssigen Beschichtung
auf das Substrat vor dem Passieren des Gasstrahls. Diese Düsen dienen
dem groben Aufbringen des Überschusses
und werden zum Aufbringen nur einer einzelnen Beschichtungsfluidzusammensetzung
verwendet.
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Das herkömmliche Luftmesserbeschichtungsverfahren
hat einen begrenzten Anwendungsbereich hauptsächlich deshalb, weil es nur
eine Schicht auf einmal aufbringt und weil es Einschränkungen
hinsichtlich der Mindestbeschichtungsdicke unterliegt. Um dünne trockene
Beschichtungen zu erzeugen, muß die
Menge von Feststoffen, die den Gasstrahl pro Flächeneinheit an Substratfläche durchläuft und
auf dem Substrat verbleibt, gering sein. Die Gasgeschwindigkeit,
der Prozentsatz an Feststoffen, und die Beschichtungsviskosität sind die dominanten
Variablen, welche dieses beschichtungsgewicht bestimmen. Dünnere Beschichtungen
können
erreicht werden, indem der Antail an Feststoffen oder die Viskosität verringert
oder die Strahlgeschwindigkeit erhöht wird. Es existieren stets
wirtschaftliche und physikalische Einschränkungen für sämtliche der genannten Möglichkeiten.
Wenn der Prozentsatz and Feststoffen verringert wird, muß mehr Verdünnungsflüssigkeit
zugesetzt werden, wodurch die Kosten und die Trockenzeit erhöht werden. Das
Verringern der Viskosität
erfordert das Verändern
der Formulierung und kann zu unerwünschtem Fließen der
Beschichtung nach dem Passieren des Strahls und vor den Trocknen
oder dem Verfestigen führen.
Erhöhungen
der Gasstrahlgeschwindigkeit sind durch verschiedene praktische
Gesichtspunkte begrenzt, einschließlich den Kosten und der Komplexität des Überschreitens
der Schallgeschwindigkeit durch den Strahl, den Verunreinigungen
durch das Vernebeln des überschüssigen Beschichtungsfluids und
den Geräuschen
des Hochgeschwindigkeitsstrahls.
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Aus EP-A-0 651095 (Dokument nach
Art. 54(3)EPÜ)
ist eine beschichtungsvorrichtung bekannt, welche eine beschichtungsfluidmischung
auf eine Bahn aufbringt, wobei die Beschichtungsmischung mittels
eines Luftmessers gerakelt wird. Die einzelnen Substanzen der Beschichtung
werden als Mischung aufgebracht, so daß die gesamte Beschichtungsmischung
als einzelne Fluidschicht angesehen werden muß.
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Es besteht ein Bedarf an einem flexibleren Mehrschichtenbeschichtungsverfahren
und einer Mehrschicht-Luftmesser-Beschichtungsvorrichtung. Es besteht
ebenfalls ein Bedarf an einer verbesserten Luftmesser-Beschichtungsvorrichtung
zum Aufbringen einer einzelnen trockenen Schicht einer Beschichtung
aus einem Verbundschichtfluid. Und es besteht ein Bedarf an einem
neuen Verfahren, das dünne
nasse Beschichtungen bei geringen Geschwindigkeiten (25 μm bei 10
m/min Bahngeschwindigkeit) sowie bei hohen Geschwindigkeiten ermöglicht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum flexibleren Aufbringen
mehrerer Schichten mit zuverlässigem
Rakeln der äußeren der
Fluidschichten zu schaffen.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren
nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 13 gelöst. Die
Merkmale bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Das Verfahren zum Beschichten eines
Substrats mit mehreren Schichten von Beschichtungen umfaßt das Bewegen
des Substrats entlang eines Pfades durch eine Beschichtungsstation.
Es folgt das Bilden einer Verbundschicht mit wenigstens einem ersten
Beschichtungsfluid und einem mischbaren zweiten Beschichtungsfluid.
Danach erfolgt das Kontaktieren des Substrats mit der fließenden Verbundschicht,
um das erste Beschichtungsfluid zwischen das Substrat und das zweite
Beschichtungsfluid anzuordnen. Die Verbundschicht wird mit einem
Gas gerakelt, um einen Teil der Verbundschicht vom Substrat zu entfernen.
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Es können mehrere erste Beschichtungsfluids
verwendet werden. Wenn mehrere erste Beschichtungsfluids verwendet
werden, können
wenigstens zwei der ersten Beschichtungsfluids nicht mischbar sein.
Das erste Beschichtungsfluid kann Latex und das zweite Beschichtungsfluid
kann Wasser sein. Alternativ können
beide Beschichtungsfluids Latex mit verschiedenen Zusammensetzungen oder
Feststoffanteilen oder beidem sein.
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Es kann eine Mehrschicht-Gleitbeschichtungsvorrichtung,
eine Vorhangbeschichtungsvorrichtung, eine Strahlbeschichtungsvorrichtung,
eine Wulstbeschichtungsvorrichtung oder eine Extrusionsdüsenbeschichtungsvorrichtung
verwendet werden, um das Beschichtungsfluid auf das Substrat aufzubringen,
oder die Schichten des ersten und des zweiten Beschichtungsfluids
können
sequentiell ausgebildet werden.
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Das Substrat kann durch die Beschichtungsstation
mit geschwindigkeiten bis zu 1000 m/min bewegt werden.
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Ferner kann die Verbundschicht zuerst
auf eine Transferfläche
plaziert werden, bevor sie zum Substrat verbracht wird.
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Die Vorrichtung weist eine Düse zum Ausgeben
eines ersten Beschichtungsfluids auf. Die Düse kann eine Mehrschicht-Auftragdüse sein.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung.
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US-A-5 641 544 offenbart ein Verfahren
zum Aufbringen einer flüssigen
Beschichtung durch Erzeugen eines zweischichtigen Verbunds aus einem Beschichtungsfluid
und einem Trägerfluid,
das auf ein Substrat als gleichzeitig aufgebrachte zweischichtige
Verbundschicht aufgebracht wird, wobei das Entfernen des Trägerfluids
unter Zurücklasen des
Beschichtungsfluids folgt. Es ist die Aufgabe der Erfindung, mehrere
zeitgleich aufgebrachte Beschichtungsfluids auf ein Substrat an
einer Beschichtungsstation mittels eines Verfahrens aufzubringen, bei
dem das Substrat durch die Beschichtungsstation bewegt wird; anschließend eine
Verbundschicht aus mehreren separaten fließenden Fluidschichten aus verschiedenen,
jedoch mischbaren Zusammensetzungen gebildet wird; eine Verbundschicht
auf der Substratfläche
beim Durchlaufen der Beschichtungsstation aufgebracht wird; ein
Teil des Verbundmaterials durch das Rakeln mit einem Gasstrahl (Luftmesser)
entfernt wird, er sich quer über
den Pfad des Substrats erstreckt. Die Substrate können Endlosbänder sein,
die mit Geschwindigkeiten von 1 bis 1000 m/min durch die Beschichtungsstation
laufen, oder es können
separate Bahnen oder starre Teile oder eine Anordnung von Stücken oder
Teilen sein, die durch die Beschichtungsstation bewegt werden.
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Die jeweiligen Schichten haben unterschiedliche
Zusammensetzungen und können
sehr unterschiedliche Viskositäten,
Oberflächenspannungen, und
Dickenverhältnisse
haben. Die Beschichtungsfluids weisen vorzugsweise eine Kombination
von Oberflächenspannung
und Viskosität
auf, so daß sie nicht
von der Substratfläche
fließen,
nachdem sie während
des Transports durch die Beschichtungsstation über die Oberfläche verteilt
wurden. Beispiele für mit
diesem Verfahren aufbringbare Fluids sind Monomere, Oligomere, Lösungen gelöster Feststoffe, Feststoff-Flüssigkeit-Dispersionen,
Flüssigkeitsmischungen,
Emulsionen und Latexarten.
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Das Beschichtungsverfahren ist am
besten unter Bezugnahme auf 1 zu
verstehen, die eine Beschichtungsstation mit einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
darstellt. Die Beschichtungsdüse 10 ist
in der Photoindustrie allgemein als Gleitvorhangbeschichtungsvorrichtung
bekannt. Ein erstes beschichtungsfluid 34 mit einer ersten
Zusammensetzung wird mit einer genau geregelten Rate aus einem Tank 14 durch
eine Präzisionsdosierpumoe 16 durch
ein Filter 18 und eine Bläschenfalle 20 zu der
Beschichtungsdüse 10 gepumpt.
Die bahn 32 gelangt in die Beschichtungsstation und an
der Düse 10 vorbei,
die quer zur Bahn angebracht ist. Ein zweites Beschichtungsfluid 36 mit
einer zweiten Zusammensetzung läuft
durch ein Drosselventil 24 und einen Durchflußmesser 25 zu
einem Vakuumentgasungsbehälter 26.
Die Fließrate
wird mittels eines anderen Durchflußmessers 27 beim Verlassen
des Vakuumentgasungsbehälters
gemessen. Beide Durchflußmesser
können
Rotometer sein. Der Strom aus dem Behälter 26 wird von einer
progressiven Hohlraumpumpe 28 gepumpt. Aus der Pumpe 28 fließt das zweite
Beschichtungsfluid 36 durch einen dichten Überlauftank 29,
ein Feinfilter 30, den Auslaßdurchflußmesser 27 und in
die Beschichtungsdüse 10.
Innere Hohlräume 12 und 22 verteilen
die Strömung
der Beschichtungsfluids über
die Breite der zweischichtigen Gleitvorhangbeschichtungsdüse 10, so
daß sie
an die Düsenflächen 38 und 40 über die Verteilungsschlitze 42 und 44 verteilt
werden. Das erste und die zweite Fluid sind mischbar, haben jedoch
unterschiedliche Zusammensetzungen. Diese Fluids können identische
Bestandteile haben und lediglich in den Konzentrationen der einzelnen
Bestandteile variieren, oder diese Fluids haben unterschiedliche
Bestandteile. Wenn die Fluids Lösungen, Dispersionen
oder Emulsionen sind, können
die Hauptfluidbestandteile identisch oder unterschiedlich sein.
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Das erste Beschichtungsfluid 34 fließt am Auslaß des Schlitzes 44 auf
das zweite Beschichtungsfluid 36 und sodann in Schichtverhältnis mit
und auf dem zweiten Fluid entlang der schrägen Seite nach unten zur Düsenlippe 46 als
Verbundschicht. Von der Lippe fällt
der Verbundflüssigkeitsfilm
in einem Vorhang 48 unter Schwerkrafteinwirkung auf die Bahn 32.
Die Bahn 32 wird, durch die Beschichtungsstation und an
der Querbeschichtungsdüse
10 vorbei geführt,
so daß,
wenn der Verbundschichtvorhang die Bahn berührt, das erste Beschichtungsfluid
nahe der Bahnoberfläche
angeordnet ist und sich zwischen der bahn und dem zweiten Beschichtungsfluid befindet.
Das erste Beschichtungsfluid 34 ist in engem Kontakt mit
der Bahn 32, während
dies für
das zweite Beschichtungsfluid 36 nicht gilt. Die einzelnen Schichten
bleiben getrennt und unvermischt. Die Vorhangaufbringdüse dient
dem Aufbringen eines Überschusses
an zweitem Beschichtungsfluid 36 auf das Substrat. Daher
liegt auch die Verbundschicht als im Übermaß vorhanden. Der Menge des Überschusses wird
durch das Dosieren des zweiten Beschichtungsfluids 36 geregelt.
Ein Teil desselben wird anschließend durch die Luftmesserrakel
entfernt, wie im folgenden beschrieben.
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1 zeigt
ferner ein Abfangblech 60 das bewegbar ist, um den Vorhang
abzufangen, bevor er auf das Substrat 32 auftrifft. Dies
kann erfolgen, um das Anfahren und herunterfahren zu vereinfachen und
ermöglicht
im allgemeinen das Anhalten des Bahnbeschichtens ohne die Bahn oder
Beschichtungsfluidströme
anzuhalten. Wenn das Abfangblech 50 eingesetzt wird, wie
durch die gestrichelten Linien dargestellt, fließt Fluid daran nach unten in
eine Auffangschale 51.
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Die kombinierte nasse Dicke der Verbundschicht
von Beschichtungsfluiden auf dem sich bewegenden Substrat steht
in Zusammenhang mit der Dicke des mehrschichtigen Vorhangs kurz
vor dem Auftreffen auf das Substrat. Höhere Substratgeschwindigkeiten
erzeugen dünnere
Beschichtungen. Hohe Substratgeschwindigkeiten sind möglich, solange
die kinetische Energie des auftreffenden Vorhangs ausreicht, die
Luft auf der Oberfläche
des Substrats ausreichend gleichmäßig und stabil zu verdrängen. Wenn
die Auftreffgeschwindigkeit höher
als die Substratgeschwindigkeit ist; ist die nasse Dicke der Schichten
auf dem Substrat größer als
die des Vorhangs kurz vor dem Auftreffen. In Abhängigkeit von zahlreichen Faktoren
kann das Auftreffen des Vorhangs einen Fluidüberhang an der stromaufwärtigen Seite
des Substrats an dem Auftreffpunkt bilden. Wird dieser groß, kann
die Qualität
der Beschichtung darunter leiden oder eine Vermischung tritt auf.
Faktoren, welche dies beeinflussen, sind die Fließeigenschaften
der Schichten, die Oberflächen-
und Grenzschichtspannung der Schichten, der Auftreffwinkel mit dem
Substrat, externe Körperkräfte, und
externe Druckgradienten. Schichtfließraten, Substratgeschwindigkeiten,
die Entfernung der Beschichtungsdüse vom Substrat und der Auftreffwinkel
sind die primären
Variablen, die der Bediener der Beschichtungsvorrichtung verändern kann,
um das Aufbringen zu stabilisieren. Ferner existieren zahlreiche
Verbesserungen der Vorhangbeschichtungsverfahren. Diese können sämtlich für die Verwendung
der Gleitvorhangbeschichtungsdüse
als Aufbringeinrichtung eines Überschusses
der Beschichtungsfluidverbundschicht vor dem Luftmesser 54 von
Vorteil sein.
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Nachdem das Substrat die Gleitvorhangdüse passiert
hat und die Verbundschicht im Übermaß aufgebracht
wurde, passiert das Substrat die Gasstrahldüse, die auch als Luftmesser 54 bezeichnet
wird. Diese kann nach der Lehre von US-A-2 135 406 ausgebildet sein.
Diese Düse
verwendet üblicherweise Luft
als Arbeitsgas.
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Der aus dem Luftmesser 54 kommende Strahl 52 hindert
entweder einen Teil der Verbundschicht aus Beschichtungsfluids auf
der Bahn, die sich dem Luftmesser 54 nähert, an einem Passieren der
Position des Messers 54 oder es bläst je nach Volumen und Geschwindigkeit
des Strahls einen Teil der Beschichtungsfluids als Nebel vom Substrat:
Vorzugsweise läuft
das Substrat aufwärts
an dem Strahl vorbei, so daß die
Schwerkraft dazu beiträgt,
den Überschuß nach unten
und vom Strahlauftreffpunkt weg zu ziehen. Der Rückfluß des Überschusses erzeugt eine dicke
Schicht des zweiten Beschichtungsfluids 62 unter dem Strahl 52,
die sehr ungleichmäßig ist
und deren Bewegung turbulent oder chaotisch ist. Unerwarteterweise
hat sich herausgestellt, daß es trotzdem
möglich
ist, eine zweilagige Verbundbeschichtung 64 auf der stromabwärtigen Seite
des Luftmessers 54 zu erzeugen, selbst wenn das erste und
das zweite Beschichtungsfluid mischbar ist. (Zusammen in einem Behälter befindliche
mischbare Fluids, die gerührt
werden, verbinden sich und bilden ein einziges Fluid mit gleichmäßiger Zusammensetzung.)
Darüber
hinaus, und ebenfalls überraschenderweise,
hat sich gezeigt, daß der
luftstrahl 52 derart eingestellt werden kann, daß ein Teil
nur des zweiten Fluids 36 entfernt wird, während das
erste Fluid 34 im wesentlichen unbeeinflußt und intakt
bleibt. Dies wird um so einfacher erreicht, wenn das erste Beschichtungsfluid
viskoser als das zweite Beschichtungsfluid ist, beispielsweise wenn
die Viskosität
des ersten Beschichtungsfluids 10 und sogar 100 mal höher als
die Viskosität
des zweiten Beschichtungsfluids ist. Die zweischichtige Verbundbeschichtung 64 bleibt
nach dem Passieren des Luftmessers auf dem Substrat. Das überschüssige Beschichtungsfluid 62 läuft ab und
fällt von
der Bahn in die Pfanne 50. Der Überschuss kann entsorgt oder,
falls geeignet, wiederverwendet werden.
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Nach dem Passieren des Luftmessers 54 kann
die Verbundschicht 64 getrocknet, geliert oder gehärtet werden,
wie für
die jeweilige Anwendung erforderlich. Darauf folgt das Aufwickeln,
das Erstellen von Blättern
oder weitere Verarbeitungsschritte. Mechanisches, vibratorisches
oder magnetisches Glätten
der nassen Beschichtung kann ebenfalls verwendet werden. Wie dargestellt
wird eine Gleitvorhangbeschichtungsdüse 10 zum Aufbringen
des Überschusses
verwendet. Vorrichtungen zum gleichzeitigen Aufbringen von mehreren Schichten
können
verwendet werden, beispielsweise Gleit-, Wulst-, Extrusionsund Strahldüsenvorrichtungen.
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Das Luftmesserverfahren zum gleichzeitigen Aufbringen
mehrerer Schichten ist besonders bei der Herstellung fester Beschichtungen
auf Substraten aus Latex geeignet. Das bekannte einschicht-Luftmesserbeschichtungsverfahren
hat oft Probleme beim Beschichten von Latex. Dünnes Beschichten mit dem herkömmlichen
Einschichtverfahren kann Strahlgeschwindigkeiten erfordern, die
Vernebelung oder Schäumen
bewirken, was zu Qualitäts-
und Abfallproblemen führt.
Dies kann durch den Mehrschicht-Ansatz vermieden werden. Dünne trockene Beschichtungen
aus einer Art Latex können
aufgebracht werden, indem zwei Zusammensetzungen mit unterschiedlichem
Feststoffgehalt des selben Latextyps verwendet werden, wie in 2 dargestellt. Der Vorteil
ist, daß die
meisten Feststoffe genau dosiert werden können, wobei das erste Beschichtungsfluid einen
hohen Feststoffanteil und das zweite Beschichtungsfluid einen geringen
Feststoffanteil hat, wodurch das Aufbringen des ersten Fluids auf
der Bahn vor dem Passieren des Luftmessers vereinfacht wird. Nach
dem Passieren des Luftmessers kann ferner die aus einer hochviskosen
ersten Fluidschicht unter einer niederviskosen zweiten Fluidschicht
bestehende Verbundschichtbeschichtung das Trocknen beschleunigen
und die Oberflächenglätte der
getrockneten Beschichtung fördern.
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In 2 wird
ein erstes Latex-Beschichtungsfluid 104 mit hohem Feststoffanteil
mit einer genau geregelten Rate aus einem Tank 84 durch
eine Präzisionsdosierpumpe 85 durch
ein Filter 88 und eine Blasenfalle 90 zur beschichtungsdüse 110 gepumpt.
Das Endlosband 102 läuft
in die Beschichtungsstation und passiert die Düse 110, die quer zur Bahn
angebracht ist. Ein zweites Beschichtungsfluid 86 kann
das erste Beschichtungsfluid 104 verdünnt mit konditioniertem Wasser
sein, so daß ein
zweites Latex 86 mit geringem Feststoffanteil gebildet
wird. Das Wasser ist mit den zum Lösen ohne Koagulation des Latex
erforderlichen Salzen, pH-Reglern, Pufferungsmitteln und Oberflächenmitteln
konditioniert. Das zweite Beschichtungsfluid 86 wird aus einem
Behälter 94 von
einer Präzisionsdosierpumpe 96 durch ein
Filter 98 und eine Blasenfalle 100 zur Beschichtungsdüse 110 gepumpt.
Wie bei der Vorrichtung von 1 dienen
die Hohlräume 82 und 92,
die Schlitze 112 und 144 und die Flächen 108 und 90 dem
Bilden eines geschichteten fallenden Verbundvorhangs 118 aus
dem ersten 104 und dem zweiten Beschichtungsfluid 86. Das
erste und das zweite Beschichtungsfluid sind mischbar und unterscheiden
sich primär
im Feststoffgehalt. Da die Latex-Viskosität üblicherweise sehr stark von
dem Feststoffgehalt abhängt,
können
die Viskositäten
des ersten und des zweiten Fluids um einen Faktor 2 bis 1000 oder
mehr differieren, je nach der Viskosität des ersten Fluids aus dem
das zweite durch Verdünnen
gebildet wurde.
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Das Substrat wird durch die Beschichtungsstation
und an der transversalen Beschichtungsdüse vorbei bewegt, so daß, wenn
der Verbundschichtvorhang 118 die Bahn berührt, das
erste Beschichtungsfluid 104 nahe der Bahnoberfläche angeordnet
wird und zwischen der Bahn 102 und dem zweiten Fluid 86 vorgesehen
ist. Das erste Beschichtungsfluid 104 hat engen Kontakt
mit der Bahn, während
das zweite Beschichtungsfluid 86 dies nicht hat.
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Die Fließrate des ersten Beschichtungsfluids 104 wird
zunächst
so gewählt,
daß das
gewünschte Trockenbeschichtungsgewicht
auf der Bahn 102 bei der gegebenen Bahngeschwindigkeit
erreicht wird. Wenn diese Strömung
ausreicht, um einen durchgehenden Vorhang von der Düsenlippe 116 zu
bilden, ohne das zweite Fluid zu verwenden, und wenn der Vorhang
auf der Bahn ohne Lufteinschlüsse
oder unzulässige
Muster aufgebracht werden kann, ist diese Erfindung nicht erforderlich
und es kann die herkömmliche
Vorhangbeschichtung verwendet werden, um das erwünschte Beschichtungsgewicht
zu erzeugen. Leider ist dies bei geringen Bahngeschwindigkeiten
oder bei sehr geringen Fließraten
des ersten Beschichtungsfluids 104 nicht der Fall.
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Um die gewünschte Beschichtungsablagerung
auf der Bahn zu erzeugen, wird das zweite Beschichtungsfluid 86 zum
Erzeugen einer Verbundvorhangsströmung 118 verwendet, die stabil
ist und mit einer Rate fließt,
die das Ablagern auf der Bahn ohne Lufteinschluß und Muster ermöglicht.
Das zweite Beschichtungsfluid 86 fließt mit einer Rate, die von
derjenigen des ersten Beschichtungsfluids 104 verschieden
ist. Bei bevorzugten Verwendungen ist die Fließrate des zweiten Beschichtungsfluids
höher als
diejenige des ersten Beschichtungsfluids, obwohl einige Situationen
existieren, in denen die Fließrate
des zweiten Beschichtungsfluids geringer ist. Die Verbundschicht 118 bildet
einen Überschuss
des Verbundmaterials, der mittels des Luftmessers 124 gerakelt
werden muß,
um den Überschuss
zu entfernen. Das Entfernen des Überschusses
kann durch Verändern
der Position des Luftmessers 124, der Gasströmungsrate
und der Gasgeschwindigkeit geregelt werden. Vorzugsweise beträgt das Viskositätsverhältnis des
zweiten 86 zum ersten Beschichtungsfluid 102 0,1 oder weniger.
Es ist möglich,
den Betrieb des Luftmessers 124 so einzustellen, daß der Überschuss
des zweiten Fluids entfernt wird und eine Verbundschicht 144 des
ersten Fluids sowie ausreichend von dem zweiten Fluid verbleibt,
um das gewünschte
trockene Beschichtungsgewicht auf der Bahn nach dem Trocknen zu
erreichen. Nach ersten Versuchen kann es erforderlich sein, die
Fließrate des
ersten Fluids einzustellen, um das exakte trockene Beschichtungsgewicht
der Verbundschicht 144 zu erhalten. Die Einstellung ist
erforderlich, um die der Verbundschicht 144 durch die Schicht des
zweiten Fluids 86 hinzugefügte Feststoffmenge, die nachdem Entfernen
des Überschusses
durch das Luftmesser verbleibt, auszugleichen. Im Extremfall könnte das zweite
Beschichtungsfluid nahezu zu 100% Wasser sein. Die endgültige trockene
Beschichtung könnte durch
Trocknen der von der Vorhangdüse
aufgebrachten Verbundschicht ohne Luftmesserrakeln erreicht werden.
Die erforderliche Gesamtwärmebelastung
wäre jedoch
im Vergleich mit derjenigen groß, die
beim Entfernen eines Teils des überschüssigen Wassers
durch das Luftmesser 124 erforderlich ist. Die Verwendung
des Luftmessers ist daher höchst erwünscht.
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Das Erzeugen einer Beschichtung aus
der verbundschicht 144, bei der das erste Fluid 104, Latex,
der Bahn am nächsten
ist, und das zweite Fluid, Wasser, als Schicht auf dem ersten Fluid
zur Verbesserung der Qualität
des beschichteten Produkts und zur Verbesserung der Trocknungsrate
beitragen kann.
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Unter dem Luftmesser 124 in 2 fängt eine Pfanne 120 das
vom Strahl 122 abgeblasene oder zurückgehaltene überschüssige Fluid
auf. Dieses Fluid ist hauptsächlich
das zweite Fluid 86 mit einer geringen Menge an Verunreinigung
aus dem ersten Fluid 104. Die Verunreinigung stammt von
Materialdiffusion durch die Grenzfläche der Schichten und aus dem
ersten Fluid 104 im (nicht dargestellten) schweren Randwulst
an den Enden des Vorhangs in Querrichtung der Bahn. Das Luftmesser 124 entfernt normalerweise
den Randwulst und mischt diesen mit dem Überschußfluid 132, das durch
den Strahl 122 zurückgehalten
wird. Die Zusammensetzung des Fluids 134 in der Pfanne
kann sich daher und wegen anderer Faktoren wie Verdampfung von der
im Vorratstank 94 unterscheiden. Eine Umlaufpumpe 136 fördert Fluid 134 zurück zum Vorratstank 94 durch das
Prozessrohr 148 zur Wiederverwendung. Der Feststoffgehalt,
die Viskosität,
der pH-Wert, die Oberflächenspannung
und alle anderen wichtigen Eigenschaften des Fluids in der Pfanne
können über einen
Monitor 138 überwacht
werden, der mit einem Sensor 146 verbunden ist, der das
Fluid 134 abtastet. Der Monitor 138 sendet Steuersignale
durch ein Kabel 150 an das Steuermodul 140, das
zusätzliche Pumpen
enthält,
um Wasser und (nicht dargestellte) Konditionierungsmittel der Pfanne 120 zuzuleiten, wie
zum Einstellen des Fluids 134 auf eine Zusammensetzung
erforderlich, die dem Fluid 86 im Vorratstank 94 nahezu
identisch ist.
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Eine weitere Variante der Erfindung
umfaßt das
Herstellen einer ersten Beschichtungsfluidschicht als Verbundschicht
aus mehreren Beschichtungsfluidschichten. Auf diese Weise kann eine mehrschichtige
Beschichtung aus mehr als zwei Schichten auf der Bahn aufgebracht
werden. Wenn das erste Beschichtungsfluid aus mehreren Schichten
besteht, sollte die dem zweiten Beschichtungsfluid benachbarte Schicht
mit dem zweiten Beschichtungsfluid mischbar sein.
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Diese Systeme müssen ferner keine Düse verwenden.
Beispielsweise kann zur Vorhangbildung eine Fluidwanne verwendet
werden, die in einem Überlaufkanal
endet. Das Beschichtungsfluid wird auf die Oberfläche des
Trägerfluids
plaziert, bevor ein Vorhang gebildet wird.
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Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wird
durch die folgenden praktischen Beispiel weiter erläutert.
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Beispiel 1
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Unter Verwendung der in 1 dargestellten Gleitvorhangbeschichtungsdüse wurde
eine dünne Beschichtung
aus einer wasserlöslichen
Harzlösung auf
eine Polyesterbahn aufgebracht. Das Beschichtungsfluid besteht aus
einer Lösung
von Carbolpol® 940
Harz gelöst
in Leitungswasser. Die Lösung
wurde hergestellt, indem zunächst
ungefähr
1,1 Gew.-% des Harzes in Wassergelöst wurde und die Lösung auf
einen pH-Wert von 7 mit 5 Gew.-% Natriumhydroxydlösung neutralisiert
wurde. Dies bildete ein viskoses Gel, dem eine gesättigte Lösung von
Solvent Green 7 Farbstoff in einem Verhältnis von einem Gewichtsanteil
Farblösung
pro 100 Gewichtsanteile Gel zugegeben wurde. Das Gel wurde sodann
mit Wasser verdünnt,
bis eine Viskosität
von 300 Centipoise erreicht wurde, gemessen bei 60 U/min mit einer Spindel
Nr. 4 eines Brookfield LVTDV-II Viskometers. Der verdünnten Lösung wurden
0,2 g Silvet® 7200 Oberflächenmittel
pro 100 g Lösung
zugefügt.
Die Oberflächenspannung
der Harzlösung
betrug 23,5 Dyn/cm und sie war vollständig mit dem Leitungswasser
mischbar, das als das zweite Beschichtungsfluid verwendet wurde.
Die Grenzschichtspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Beschichtungsfluid
war aufgrund der Mischbarkeit Null.
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Carbolpol® ist von BF Goodrich Company, Cleveland,
Ohio erhältlich.
Der Solvent Green® 7 Farbstoff
ist von Keystone-Ingham Corporation, Mirada, Kalifornien, erhältlich.
Das Brookfield Viskometer ist ein Produkt der Brookfield Engineering
Laboratories, Inc., Stoughton, Massachussetts. Das Silwet® Oberflächenmittel
ist von Union Carbide Chemicals and Plastics Company, Inc., Danbury,
Connecticut hergestellt. Die Polyesterbahn war ein 15,2 cm (6 Inch)
breiter, 35,6 μm
(1,4 mil) dicker ScotchparTM Polyesterfilm,
der von 3M, St. Paul, Minnesota erworben wurde.
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Das zweite Beschichtungsfluid war
Leitungswasser aus dem öffentlichen
Netz ohne Oberflächenspannungsveränderungszusätze. Dsa
Wasser wurde mit einer Temperatur von 13°C einem Unterdruckentgasungsbehälter zugeführt, der
mit einem Druck von 200 mm Quecksilber absolut betrieben wurde,
und wurde anschließend
der Beschichtungsdüse
zugepumpt. Die Lieferrate betrug 3000 ml/min. Die Fluidviskosität wurde
mit 1,2 Centipoise geschätzt.
Die Fluidströmungsrate
wurde bein Eintritt und beim Austritt des Wassers in den und aus
dem Unterdruckentgasungsbehälter
mit zwei identischen Rotormetern gemessen. Dies waren Geräte des Modells 1307EJ27CJ1AA
0,2 bis 2,59 g/m, die von Brooks Instrument Corporation, Hatfield,
Pennsylvania erworben wurden. Die Strömung aus dem Behälter wurde durch
eine progressive Hohlraumpumpe des Modells 2L3SSQ-AAA, MoynoTM der Robbins & Meyers Corporation, Springfield,
Ohio gepumpt. Um eine Vakuumdichtung in der Pumpe zu erreichen,
wurde sie entgegen der normalen Laufrichtung betrieben. Das heißt, der
Rotor wurde entgegen der Standardrichtung gedreht und Wasser wurde
aus dem Vakuumbehälter
durch den normalen MoynoTM Auslaßport durch
die Pumpe und aus der Zuführöffnung gepumpt.
Aus der Pumpe floß das
Wasser durch einen einen Liter fassenden abgedichteten Überlauf-
und Blasenentfernungstank, ein feines Filter, das Ausgangsrotometer
und in die Beschichtungsdüse.
Die Einlaßfließrate wurde
manuell durch ein Strömungsdrosselventil
am Eingangsrotometer eingestellt. Die Wasserauslaßfließrate aus
dem Unterdruckbehälter wurde
durch die Drehzahl der MoynoTM Pumpe geregelt
und durch das Ausgangsrotometer überwacht. Die
Einlaßfließrate wurde
manuell mit dem Drosselventil entsprechend der angegebenen Auslaßrate eingestellt.
Das verwendete Filter war eine Einwegfilterkapsel. Sei wurde von
Porous Media Corporation, St. Paul, Minnesota erworben und trug
die Teilenummer DFC 1022Y050Y, vorgesehen für 5 Mikrometer. Der Unterdruck
für den
Entgasungsbehälter
wurde von einer Wasserringvakuumpumpe, Modell MHC-25 der Nash Engineering
Corporation, Downers Grove, Illinois, erzeugt.
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Während
des Beschichtens war die Gleitvorhangbeschichtungsdüse über der
Walze 58 angeordnet. Genauer gesagt war sie derart angeordnet,
daß die
Vorhanghöhe
h 3 mm betrug und der Vorhang auf die Bahn auf der Walze bei einer
Winkelposition von 310° im
Uhrzeigersinn von der Oberseite der Walze auftraf. Der Auftreffwinkel α betrug ungefähr 45°. Die Düsenfläche 90 war
unter einem Winkel von 84° bezogen
auf die Horizontale geneigt. Der Die Schlitzbreite für das erste
Beschichtungsfluid betrug 18,5 cm, während die Schlitzbreite für das zweite
Beschichtungsfluid 21 cm betrug. Die Verteilungsschlitzspalten für das erste
und das zweite Beschichtungsfluid betrugen 160 bzw. 1100 Mikrometer.
Der Durchmesser der Beschichtungswalze 58 betrug 2,5 cm.
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Das zweite Fluid wurde gleichzeitig
durch Schwerkraftwirkung abgeführt
und der Überschuss wurde
mittels des Luftmessers 54 abgeblasen. Die Luftmesserdüsenspalte
betrug 250 Mikrometer und die Druckluft wurd mit einem Druck von
34 KiloPascal zugeführt.
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Das erste Beschichtungsfluid wurde
mit Raten von 11, 21,5, 50 und 100 g/min zugeführt. Bei diesen Strömungsraten
konnte kein kontinuierlicher fallender Vorhang des ersten Fluids
allein hergestellt werden. Der zusätzliche Strom des zweiten Beschichtungsfluids
erzeugte jedoch einen stabilen Vorhang. Die Bahngeschwindigkeit
wurde bei konstant 29 cm/sek gehalten. Es wurde beobachtet, daß hinter dem
Luftmesser, sowohl das erste, als auch das zweite Fluid auf der
Bahn vorhanden war. Das zweite Fluid lag als sehr dünne Schicht
geringer Viskosität auf
der Oberfläche
des ersten Fluids vor. Es wurde eine mehrlagige nasse Verbundbeschichtung
gebildet. Die Fluoreszenz der nicht getrockneten beschichteten Proben
wurde mit 0,8, 1,4, 2,4 und 5,0 relativen Fluoreszenzeinheiten für die vier
Pumpraten des ersten Beschichtungsfluids gemessen. Die durch die
Fluoreszenz angegebenen Beschichtungsgewichte variierten linear
mit der Pumprate des ersten Beschichtungsfluids. Dieses Beispiel
zeigt, daß die aufgebrachte
Dicke des ersten Fluids direkt der Pumprate des ersten Beschichtungsfluids
entspricht und nicht sonderlich durch die Verwendung des zweiten
Beschichtungsfluids beeinflußt
ist.
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Beispiel 2
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Unter Verwendung der Gleitvorhangbeschichtungsdüse und eines
zweiten Beschichtungsfluidumwälzsystems ähnlich dem
in 2, wurde eine Verbundbeschichtung
aus auf Wasser basierendem Latex mit einem ersten Fluid mit hohem
Feststoffanteil und einem zweiten Fluid mit geringem Feststoffanteil
auf eine Polyesterbahn aufgebracht. Das erste Beschichtungsfluid 104 bestand
aus Sequabond DW-1 Latex mit einem Feststoffgehalt von 45 Gew.-%.
Das zweite Beschichtungsfluid 86 bestand ebenfalls aus
dem selben Latex mit einem Feststoffzusammensetzungsgehalt von 3,1
Gew.-%, hergestellt durch Verdünnen
mit deionisiertem Wasser aus dem ersten Fluid mit hohem Feststoffanteil.
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SequabondTM DW-1
ist von Sequa Chemicals, Inc., Chester, South Carolina erhältlich.
Die Polyesterbahn war 15,2 cm (6 Inch) breiter und 35,6 μm (1,4 mil)
dicker ScotchparTM Polyesterfilm, erworben von
3M Corporation, St. Paul, Minnesota.
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Das zweite Beschichtungsfluid wurde
zu der beschichtungsaufbringdüse
durch eine progressive Hohlraumpumpe des Modells 2L3SSQ-AAA, MoynoTM der Robbins & Meyers Corporation, Springfield, Ohio
gepumpt. Aus der Pumpe floß das
Wasser durch einen einen Liter fassenden abgedichteten Überlaufund
Blasenentfernungstank, ein feines Filter, das Ausgangsrotometer
und in die Beschichtungsdüse.
Das verwendete Filter war eine Einwegfilterkapsel. Sie wurde von
Porous Media Corporation, St. Paul, Minnesota erworben und trug
die Teilenummer DFC 1022Y050Y, vorgesehen für 50 Mikrometer.
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Während
des Beschichtens war die Gleitvorhangbeschichtungsdüse über der
Walze 58 angeordnet. Genauer gesagt war sie derart angeordnet,
daß der
Vorhang auf die Bahn auf der Walze bei einer Winkelposition von
310° im
Uhrzeigersinn von der Oberseite der Walze auftraf. Der Auftreffwinkel
betrug ungefähr
45°. Die
Schlitzbreite für
das erste Beschichtungsfluid betrug 25,2 cm, während die Schlitzbreite für das zweite
Beschichtungsfluid 25,8 cm betrug. Die Verteilungsschlitzspalten
für das
erste und das zweite Beschichtungsfluid betrugen 254 bzw. 500 Mikrometer.
Der Durchmesser der Beschichtungswalze 58 betrug 2,5 cm.
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Das zweite Fluid wurde gleichzeitig
durch Schwerkraftwirkung abgeführt
und der Überschuss wurde
mittels des Luftmessers 124 abgeblasen. Die Luftmesserdüsenspalte
betrug 250 Mikrometer und die Druckluft wurde mit einem Druck von
21 KiloPascal zugeführt.
Der Luftmesserschlitzausgang war etwa 2 mm von der Bahnoberfläche angeordnet.
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Das erste Beschichtungsfluid wurde
mit einer Rate von 0,15 g/min zugeführt. Bei dieser Strömungsrate
konnte kein kontinuierlicher fallender Vorhang des ersten Fluids
allein hergestellt werden. Der zusätzliche Strom des zweiten Beschichtungsfluids von
16 g/sek erzeugte jedoch einen stabilen Vorhang. Die Bahngeschwindigkeit
wurde bei konstant 25 cm/sek gehalten. Es wurde beobachtet, daß hinter dem
Luftmesser, sowohl das erste, als auch das zweite Fluid auf der
Bahn vorhanden war. Es wurde eine Verbundbeschichtung erreicht.
Das zweite Fluid lag als sehr dünne
Schicht geringer Viskosität
auf der Oberfläche
des ersten Fluids vor. Die kombinierten trockenen Beschichtungen
aus dem ersten und dem zweiten Fluid wiesen ein kombiniertes Gewicht
von 0,14 mg/cm2 auf. Bei einer Fließrate des ersten Fluids von
4,9 g/sek, einer Fließrate
des zweiten Fluids von 30 g/sek, einem Feststoffgehalt von 4,3%
im zweiten Fluid, wies die trockene kombinierte Beschichtung aus
dem ersten und dem zweiten Fluid ein kombiniertes Gewicht von 3,7
mg/m2 auf: