DE69914995T2

DE69914995T2 - Verfahren zur Vorhangbeschichtung mit hoher Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE69914995T2
Application number: DE69914995T
Authority: DE
Inventors: Andrew Rochester Clarke; Terence D. Rochester Blake; Kenneth J. Rochester Ruschak
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: DE69914995D1; EP0996033B1; EP0996033A1; US6099913A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem eine Vielzahl viskoser Beschichtungsmassen im Vorhangbeschichtungsverfahren als eine zusammengesetzte Schicht mit hoher Geschwindigkeit auf einer kontinuierlich bewegten Empfangsfläche aufbringbar ist, wie in der Herstellung fotografischer Filme, fotografischer Papiere, magnetischer Aufzeichnungsbänder, Klebebänder usw.
Das Vorhangbeschichtungsverfahren zur gleichzeitigen Beschichtung mehrerer Schichten ist in der Technik bekannt und wird in US-A-3,508,947 und US-A-3,632,374 beschrieben, worin insbesondere die Vorteile des Verfahrens zum Aufbringen fotografischer Zusammensetzungen auf Papier- und Kunststoffbahnen beschrieben werden. In den genannten Quellen wird das Vorhangbeschichten aus wässrigen Gelatinelösungen und fotografischen Zusammensetzungen mit Viskositäten von bis zu und mehr als 100 mPas auf fotografischen Trägern beschrieben. Wässrige Gelatine ist das übliche Bindemittel für fotografische Zusammensetzungen. Ein großer Unterschied zwischen dem Vorhangbeschichten und dem Gleitbeschichten besteht nach US-A-2,761,791 darin, dass Massen mit hoher Viskosität im Vorhangbeschichtungsverfahren aufbringbar sind, während das Gleitbeschichtungsverfahren hierzu ungeeignet ist; das Vorhangbeschichtungsverfahren bietet daher eine bessere Gleichmäßigkeit und einen reduzierten Trocknungsaufwand für eine höhere Produktivität mit vorhandenen Trocknern. Zudem steigt die Fähigkeit, Massen hoher Viskosität aufzubringen, weil die Beschichtungsmasse aufgrund der Schwerebeschleunigung im frei fallenden Vorhang mit hoher Geschwindigkeit auf die Empfangsfläche trifft. Man schreibt dieser Auftreffströmung eine hydrodynamische Unterstützung für die Benetzung der Empfangsfläche zu.
Für den Fertigungsprozess ist es wünschenswert, mit der höchst möglichen Geschwindigkeit aufzutragen, um eine maximale Produktivität aus der Kapitalinvestition zu erzielen. Fachleuten im Bereich der Vorhangbeschichtung sind die Haupteinschränkungen des Vorhangbeschichtens bekannt (siehe Liquid Film Coating, Herausgeber S. F. Kistler und P. M.
Schweizer, veröffentlicht bei Chapman Hall, 1997). Lufteinschlüsse zwischen der Beschichtungsmasse und der Empfangsfläche führen zu Blasen oder Ungleichmäßigkeiten in der Beschichtung oder zu beiden Artefakten. Unter Puddeln versteht man die Bildung einer Wulst aus Beschichtungsmasse am Auftreffpunkt des Vorhangs an der Seite der sich nähernden Empfangsfläche. Diese Puddel oder Wülste können schwanken und erzeugen eine ungleichmäßige Beschichtung. Strömungsumläufe in der Wulst können Partikel oder Blasen einfangen und erzeugen eine streifenartige Beschichtung. Ob Partikel eingeschlossen werden oder nicht, das Vorhandensein einer Wulst fördert Lufteinschlüsse bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten, wie im Artikel "Hydrodynamics of Dynamic Wetting (Hydrodynamik der dynamischen Benetzung)" von T. D. Blake, A. Clarke und K. J. Ruschak, AIChE Journal, Band. 40, 1994, Seite 229, beschrieben. Wie in dem Artikel von Clarke in The Mechanics of Thin Film Coatings (Die Mechanik der Dünnfilmbeschichtungen), Herausgeber P. H. Gaskell et al, World Scientific, 1995, beschrieben, fördert eine Erhöhung der Vorhanghöhe, eine Erhöhung der Vorhangsdurchflussrate und eine Reduzierung der Viskosität, entweder einzeln oder in Kombination, das Puddeln. Das gleichzeitige Auftragen mehrerer Schichten, das auch eine Möglichkeit zur Steigerung der Produktivität ist, fördert das Puddeln durch Erhöhung der Gesamtdurchflussrate.
Um Lufteinschlüsse bei höheren Geschwindigkeiten zu vermeiden, wurden verschiedene Verfahren ersonnen. Einige dieser Verfahren nutzen die Studien zur dynamischen Benetzung, wonach ein Absenken der Viskosität die Lufteinschlussgeschwindigkeiten erhöht. Im Vorhangbeschichten fördert das Absenken der Viskosität aber auch das Puddeln, so dass es schwierig ist, das Ergebnis unter dem Strich vorauszubestimmen. Wenn die Viskosität durch Zusatz von Lösemittel abgesenkt wird, wobei es sich normalerweise bei fotografischen Beschichtungsmassen um Wasser handelt, reduziert sich die maximale Beschichtungsgeschwindigkeit für eine gegebene Trocknungskapazität.
Viele verwendete Beschichtungsmassen sind keine Newtonschen Flüssigkeiten. Eine Newtonsche Flüssigkeit hat einen einzigen Viskositätswert. Flüssigkeiten, die Polymere mit hoher Molmasse oder hohe Konzentrationen von emulgierten Flüssigkeiten oder dispergierten Feststoffen enthalten, haben typischerweise eine Viskosität, die mit steigender Scherrate abnimmt, also der Verformungsrate in der Strömung. Derartige Flüssigkeiten werden als scherverdünnend oder pseudoplastisch bezeichnet. Bei diesen Flüssigkeiten ist die Viskosität typischer weise bei niedrigen Scherraten konstant. Über einer bestimmten Scherrate fällt die Viskosität mit steigender Scherrate ab. Die Erhöhung der Scherrate führt jedoch zu einer Abflachung der Viskosität auf einen Wert, der weit unter dem bei niedrigen Scherraten liegen kann. Eine Standarddarstellung dieses Verhaltens findet sich in dem Modell von Carreau (siehe beispielsweise "Dynamics of Polymeric Liquids (Dynamiken polymerer Flüssigkeiten)", R. B. Bird, R. C. Armstrong, O. Hassager, Band 1, zweite Auflage 1987),
Gleichung 1 wobei n für die Viskosität (mPas) bei einer steten Scherrate γ(s^–1) steht, η₀ steht für die konstante Viskosität (mPas) bei niedrigeren Scherraten, n_∞ steht für die konstante Viskosität (mPas) bei hohen Scherraten, λ steht für eine Zeitkonstante (s) und n steht für den dimensionslosen Energiegesetzindex. Werte für λ und n werden durch Einfügen der Viskositätsmesswerte der Flüssigkeit in Gleichung 1 ermittelt. Für eine Newtonsche Flüssigkeit ist n gleich 1, für scherverdünnende Flüssigkeiten ist n kleiner als 1; je kleiner n ist, um so schneller fällt die Viskosität mit steigender Scherrate ab.
Zur Erzielung hoher Beschichtungsgeschwindigkeiten beschreiben Blake et al. in US-A-5,391,401 ein optimales Rheologieprofil, womit eine optimale Beziehung zwischen Viskosität und Scherrate gemeint ist. Das optimale Rheologieprofil für bestimmte Beschichtungen sieht eine niedrige Viskosität bei den Scherraten vor, die nahe der dynamischen Benetzungslinie zu erwarten sind, bei der die Beschichtungsmasse die Empfangsfläche benetzt, und eine hohe Viskosität bei deutlich niedrigeren Scherraten, die in anderen Teilen des Stroms zu erwarten sind. Eine niedrige Viskosität an der Benetzungslinie fördert hohe Geschwindigkeiten ohne Lufteinschluss, während die höhere Viskosität die Neigung zum Puddeln reduziert und die Erzeugung und das Trocknen gleichmäßiger Schichten fördert. Stark scherverdünnende Beschichtungsmassen verlangen allerdings Beschichtungsdüsen, die speziell für eine gleichmäßige Verteilung über die Breite der Beschichtung konstruiert sind, während für gering scherverdünnende Beschichtungsmassen Vielzweckdüsen verwendbar sind. Gelatine, das vorrangige Bindemittel für fotografische Produkte, ist leicht scherverdünnend, so dass stark scherverdünnende Beschichtungsmassen von dem Vorhandensein anderer Komponenten abhängen, wie polymeren Verdickungsmitteln oder konzentrierten Kolloiden. Die Menge der von der Formulierung benötigten Gelatine kann das Ausmaß der Scherverdünnung zudem einschränken. Es kann daher schwierig sein, ein bestimmtes Rheologieprofil zu erzielen, während die produktspezifischen Eigenschaften einer Beschichtungsmasse erhalten bleiben.
Ein Verfahren zur Geschwindigkeitserhöhung wird von Blake und Ruschak in EP 0563308 beschrieben, worin Lufteinschlüsse auf höhere Geschwindigkeiten verschoben werden, während das Puddeln unterdrückt wird. Bei diesem Verfahren verläuft die Bewegungsrichtung der Empfangsfläche winklig in Bezug zur Vorhangsebene, so dass der Vorhang einen spitzen Winkel mit der sich nähernden Empfangsfläche bildet, wobei hohe Vorgänge zur hydrodynamischen Unterstützung der dynamischen Benetzung dienen. Die geometrische Veränderung reduziert die Neigung zum Puddeln und ermöglicht damit die Nutzung der Vorteile sowohl einer hohen Auftreffgeschwindigkeit als auch einer scherverdünnenden Beschichtungsmasse zur Steigerung der Beschichtungsgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeitssteigerung gemäß diesem Verfahren ist allerdings durch die erzielbare Untergrenze der Viskosität der Beschichtungsmasse bei höheren Scherraten begrenzt.
Bei anderen Verfahren liegen Kräfte an, etwa durch ein elektrostatisches oder magnetisches Feld, um den Lufteinschluss auf höhere Beschichtungsgeschwindigkeiten zu verlagern. Hartman beschreibt in WO 89/05477 die Erzeugung eines elektrostatischen Feldes am Auftreffpunkt zur Erhöhung der Geschwindigkeiten in der Vorhangbeschichtung. Dieses Verfahren ist jedoch durch das Auftreten von Puddeln beschränkt, wenn es in Verbindung mit einer hohen Durchflussrate oder einer niedrigen Viskosität verwendet wird.
Ein weiteres Verfahren zur Minderung der Probleme mit Puddeln und Lufteinschlüssen beschreiben Suga et al. in US-A-5,393,571. Bei diesem Verfahren werden Beschichtungsmassen mit hoher Viskosität bei niedrigen Scherraten von ca. 10 s^–1 auf eine Empfangsfläche von erheblicher Rauheit im Vorhangbeschichtungsverfahren aufgetragen. Das Verfahren arbeitet mit Durchflussraten von ca. 4 cm³/s je cm beschichteter Breite bei einer Nennrauheit der Empfangsfläche von über 0,3 μm, einer Viskosität bei niedriger Scherrate einer Beschichtungsmasse von über 90 mPas, einer mittleren Viskosität für alle Schichten, die 80 mPas überschreitet, und Beschichtungsgeschwindigkeiten von über 325 m/min. Es gibt mehrere Standardverfahren R_a, R_z, R_max usw. (siehe DIN4768, ISO4287, BS1134) zur Angabe der Oberflächenrauheit, bezogen auf unterschiedliche Merkmale. Beispielsweise stehen R_a = 0.3 μm und R_z = 0.3 μm für deutlich verschiedene Oberflächen. R_a und R_z können numerische Werte ergeben, die für dieselbe Oberfläche um eine Größenordnung voneinander abweichen. Die nach dem Verfahren von Suga et al. in US-A-5,393,571 angegebenen Rauheitswerte sind daher Nennwerte und bezeichnen keine eindeutig anwendbaren Oberflächen. Viele Substrate für fotografische Produkte und wahrscheinlich alle Papiersubstrate erfüllen scheinbar diese Anforderungen an die Nennrauheit. Suga et al. beschreiben in US-A-5,393,571 eine Erhöhung der Viskositäten von Beschichtungsmassen mithilfe eines Verdickungsmittels, das mit dem Bindemittel in der Masse reagiert, d. h. mit Gelatine, um die Viskosität bei niedriger Scherrate zu erhöhen, ohne die Viskosität bei hoher Scherrate wesentlich zu erhöhen, wobei zu folgern ist, dass eine hohe Viskosität bei hohen Scherraten nachteilig ist. Verdickungsmittel, die fotografischen Beschichtungsmassen zugesetzt werden, können Reaktionen mit anderen Komponenten bewirken, die das Produkt nachteilig beeinflussen. Nichtlöslichkeit ist ein Beispiel für eine nachteilige chemische Wechselwirkung, und verminderte Härte und sensitometrische Empfindlichkeit sind Beispiele für nachteilige leistungsbezogene Wechselwirkungen.
Angesichts steigender Anforderungen nach Produktivität besteht Bedarf nach einem Hochgeschwindigkeits-Vorhangbeschichtungsverfahren, das die Einschränkungen von Puddeln und Lufteinschlüssen vermeidet. Aufgrund der Praxisprobleme bei der Erzielung einer hohen Viskosität sollte ein derartiges Verfahren einen breiten Viskositätsspielraum aufweisen. Der Viskositätsspielraum sollte sich vorzugsweise auf eine hohe Viskosität erstrecken, die durch Reduzierung flüchtiger Komponenten, wie Wasser, erzielbar ist, um die Trocknungslast zu reduzieren und so höhere Beschichtungsgeschwindigkeiten auf der gleichen Produktionsausrüstung zu ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vorhangbeschichtungsverfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, Beschichtungsgeschwindigkeiten zu erzielen, die wesentlich höher sind als nach dem Stand der Technik möglich. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochgeschwindigkeitsverfahren bereitzustellen, das einen großen Viskositätsspielraum besitzt, einschließlich einer hohen Viskosität, die durch Reduzierung der Mengen flüchtiger Komponenten in der Beschichtungsmasse erzielbar ist.
Die vorliegende Erfindung umfasst das Bilden einer zusammengesetzten Schicht aus einer oder mehreren Schichten aus Beschichtungsmassen, Bereitstellen der die der Empfangsfläche benachbarte Schicht bildenden Beschichtungsmasse mit einer bei einer Scherrate von 10.000 s^–1 gemessenen Viskosität von 90 mPas bis 220 mPas, Erzeugen eines frei fallenden Vorhangs aus der zusammengesetzten Schicht, und Aufbringen des Vorhangs auf einer kontinuierlich bewegten Empfangsfläche mit erheblicher Rauheit, wie beispielsweise Papierträgern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Diagramm einer typischen Vorhangbeschichtungsvorrichtung.
2a, b, c und d Beschichtungskarten, die die Wirkung der Viskosität der Beschichtungsmassen und der Rauheit der Empfangsfläche zeigen. Die Empfangsfläche in (a) und (b) ist gelatinebeschichtetes Polyethylenterephthalat und in (c) und (d) fotografisches, harzbeschichtetes Papier. (a) R_z = 0,7 μm, η₀ = 22 mPas, (b) R_z = 0,7 μm, η₀ = 170 mPas, (c) R_z = 4,4 μm, η₀ = 22 mPas, (d) R_z = 4,4 μm, η₀ = 170 mPas. Vorhanghöhe = 7 cm, Applikationswinkel = +45°, wässrige Gelatinelösungen.
3a und b Kurven zur Darstellung der Wirkung der Viskosität bei hoher Scherrate. Vorhanghöhe = 2 cm, Applikationswinkel = 0°, fotografische, harzbeschichtete Papieroberfläche mit R_z = 4,4 μm, Viskosität bei niedriger Scherrate von 140 mPas für beide Lösungen. (a) 3% wässrige Gelatine plus 0,31% w/w NaPSS, n = 0,66, (b) 18% wässrige Gelatine, n = 0,94.
4a ein Oberflächenbild zur Darstellung der Geschwindigkeit für den Lufteinschluss als Funktion der Viskosität und Rauheit R₂ für einen Bereich fotografischer, harzbeschichteter Papieroberflächen. Vorhanghöhe = 3 cm, Applikationswinkel = 0°, Durchflussrate = 4,2 cm²/s, wässrige Glycerollösungen. 4b, c und d sind Teile des Oberflächenbildes von 4a.
5 eine Kurve, auf der die Viskosität zur Scherrate für drei Beschichtungsmassen abgetragen ist.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten wird Bezug genommen auf die folgende detaillierte Beschreibung und die anhängenden Ansprüche in Verbindung mit den vorausgehenden Zeichnungen und der Beschreibung einiger Aspekte der Erfindung.
1 zeigt eine schematische Zeichnung eines typischen mehrschichtigen Vorhangbeschichtungsverfahrens. Eine Beschichtungsdüse 1 gibt eine oder mehrere Beschichtungsmassen auf eine geneigte Gleitfläche 2 aus, so dass die Beschichtungsmassen eine zusammengesetzte Schicht ohne Mischen bilden. Die zusammengesetzte Schicht bildet einen frei fallenden, im Wesentlichen senkrechten Vorhang 3, der auf eine kontinuierlich bewegte Fläche 4 auftrifft. Eine flexible Empfangsfläche kann an dem Auftreffpunkt durch eine rückseitige Fläche 5 gestützt werden, bei der es sich um eine Walze handeln kann. Relevante Parameter umfassen die gesamte Durchflussrate pro Breiteneinheit des Vorhangs Q, die Geschwindigkeit der Empfangsfläche S, die Vorhanghöhe 6 (h) und den Applikationswinkel 7 (θ). Der Applikationswinkel ist die Neigung der Empfangsfläche zur Waagerechten am Auftreffpunkt, wobei positive Applikationswinkel eine Empfangsfläche mit einer nach unten weisenden Geschwindigkeitskomponente bezeichnen. Für eine rückseitige Fläche, bei der es sich um eine Walze handelt, ist der Applikationswinkel die Winkelstelle des Auftreffpunktes, gemessen von der Walzenoberseite in Drehrichtung. Für eine bestimmte Vorhanghöhe, wie beispielsweise 10 bis 30 cm, und einen bestimmten Applikationswinkel, wie beispielsweise 0° bis 60°, lässt sich ein Diagramm experimentell ermitteln, indem man den Bereich der Strömungsraten und Beschichtungsgeschwindigkeiten definiert, bei dem ein Vorhangbeschichten einer im Wesentlichen gleichmäßigen zusammengesetzten Schicht durchführbar ist. Ein derartiges Diagramm wird als Beschichtungskarte bezeichnet.
2 zeigt vier Beschichtungskarten mit schattierten Bereichen, die eine im Wesentlichen gleichmäßige Beschichtung darstellen. Karte (a) und (c) gelten für eine Empfangsfläche mit einer Oberflächenrauheit R_z(DIN) = 0,7 μm, Karte (b) und (d) gelten für eine Empfangsfläche mit einer Oberflächenrauheit R_z(DIN) = 4,4 μm. In jedem Fall ist die Beschichtungsmasse eine wässrige Gelatinelösung, also das übliche Bindemittel für fotografische Produkte, und ist somit etwas scherverdünnend. Karte (a) und (b) gelten für eine wässrige Gelatinelösung mit einer Viskosität bei niedriger Scherrate von 22 mPas, während Karte (c) und (d) für eine wässrige Gelatinelösung mit einer Viskosität bei niedriger Scherrate von 170 mPas gelten. Auf dem glatteren Substrat führt eine Erhöhung der Viskosität zu geringeren Beschichtungsgeschwindigkeiten (vergleiche Fenster (a) und (b)) gemäß der Beschreibung nach dem Stand der Technik in EP 0563308 ; umgekehrt führt auf einem raueren Substrat die Erhöhung der Viskosität zu höheren Beschichtungsgeschwindigkeiten (vergleiche Fenster (c) und (d)). Für die Flüssigkeit mit niedrigerer Viskosität führt eine höhere Rauheit zu niedrigeren Beschichtungsgeschwindigkeiten (vergleiche Fenster (a) und (c)), während für die Flüssigkeit mit höherer Viskosität das Gegenteil der Fall ist; ein Erhöhen der Rauheit führt zu höheren Beschichtungsgeschwindigkeiten (vergleiche Karten (b) und (d)). Die vorliegende Erfindung betrifft den in der Karte (d) aus 2 aufgezeigten Vorteil, der sich auf eine Fläche von erheblicher Rauheit und eine Beschichtungsmasse mit hoher Viskosität bezieht.
3 zeigt zwei Beschichtungskarten. Jede Karte stellt einen Bereich einer im Wesentlichen gleichmäßigen Beschichtung für eine Beschichtungsflüssigkeit mit einer Viskosität bei niedriger Scherrate von 140 mPas auf einer Empfangsfläche mit einer Rauheit von R_z(DIN) = 4,4 μm dar. Karte (a) gilt für eine 3 Gew.-% wässrige Gelatinelösung, die einen oder mehrere mögliche viskosifizierende oder Verdickungsmittel enthält, 0,31 Gew.-% Natriumpolystyrolsulfonat (NaPSS – Versa TL502). Karte (b) gilt für eine 18 Gew.-% wässrige Gelatine. Die Viskositäten dieser beiden Beschichtungsmassen wurden über einen Bereich von Scherraten mit einem Rheometer des Typs Bohlin CS (Bohlin Industries) gemessen, und die Messwerte wurden in Gleichung 1 eingesetzt. Der erzielte Wert des Leistungsgesetzindex n ist n = 0,66 für die NaPSS enthaltende, erheblich scherverdünnende Lösung, während n = 0,94 für die gering scherverdünnende Lösung aus reiner Gelatine erzielt wird. Ein deutlich größerer Beschichtungsspielraum wird für eine 18 Gew.-% wässrige Gelatine erzielt, die bei einer höheren Scherrate eine höhere Viskosität aufweist. Die Beschichtungsgeschwindigkeit ist bei allen Durchflussraten größer, wobei der größte Zuwachs bei hohen Durchflussraten zu verzeichnen ist. Dieses Ergebnis ist nach US-A-5,391,401 nicht zu erwarten, worin ein Rheologieprofil mit einer relativ niedrigen Viskosität bei hoher Scherrate beschrieben wird, und nach US-A-5,393,571, worin eine höhere Viskosität bei niedriger Scherrate beschrieben wird, die durch ein Verdickungsmittel erzielbar ist, das die Viskosität bei hoher Scherrate nicht wesentlich erhöht.
4 zeigt ein Diagramm (a), in dem die Lufteinschlussgeschwindigkeit als Funktion der Viskosität und der Rauheit der Empfangsfläche R_z(DIN) abgetragen ist. Die Kurvendiagramme (b–d) zeigen Kurven, die von dem Flächendiagramm abgeleitet sind. Die Vorhangdurchflussrate beträgt 4,2 cm²/s, die Vorhanghöhe 3 cm, der Applikationswinkel 0° und die Beschichtungsflüssigkeiten sind verschiedene Konzentrationen von wässrigem Glycerol, einer Beschichtungsmasse, die eine Newtonsche Flüssigkeit (n = 1) ist, so dass die Viskosität unabhängig von der Scherrate ist. Für eine bestimmte Oberflächenrauheit (b) nimmt bei steigender Viskosität die Lufteinschlussgeschwindigkeit zunächst gemäß den Beschreibungen in US-A-5,391,401 ab, aber bei Erreichen einer kritischen Viskosität und unter der Voraussetzung, dass die Oberflächenrauheit R_z groß genug ist, erhöht sich die Lufteinschlussgeschwindigkeit deutlich. Wenn die Viskosität weiter erhöht wird, nimmt die Lufteinschlussgeschwindigkeit wieder ab. Demnach gibt es eine die Viskosität maximierende Beschichtungsgeschwindigkeit für eine bestimmte Bahnrauheit. Dieser Abfall der Lufteinschlussgeschwindigkeit bei Erhöhung der Viskosität wird in US-A-5,393,571 nicht beschrieben; statt dessen wird lediglich darauf hingewiesen, dass die mittlere Viskosität 80 mPas überschreitet. Alternativ hierzu zeigt die Kurve (c) aus 4, dass die Lufteinschlussgeschwindigkeit ein Maximum durchquert, wenn die Oberflächenrauheit ansteigt, was ein weiterer Effekt ist, der nach dem Stand der Technik nicht beschrieben wird. Beispielsweise gibt US-A-5,393,571 lediglich an, dass die Oberflächenrauheit 0,3 μm überschreitet. Kurve (d) zeigt, dass die Geschwindigkeit mit steigender Rauheit für eine Viskosität unter dem kritischen Wert abnimmt. In 4 erzielt die Lufteinschlussgeschwindigkeit ihren Maximalwert bei einer Rauheit R_z von ca. 8 μm und einer Viskosität von ca. 140 mPas. Die in US-A-5,393,571 genannte Nennrauheit beträgt R > 0,3 μm, aber bis R_z (DIN) den Wert von 2,0 μm überschreitet, kommt es zu keiner Erhöhung der Geschwindigkeit. Diese Ergebnisse für wässriges Glycerol, für das die Viskosität im Vorhangbeschichtungsverfahren außer Frage steht, und die Ergebnisse aus 3 stellen eindeutig und unerwartet klar, dass eine hohe Viskosität bei einer hohen Scherrate auf einer Empfangsfläche von deutlicher Rauheit vorteilhaft ist.
Die Ergebnisse bei hoher Viskosität für nicht scherverdünnendes, wässriges Glycerol und leicht scherverdünnende wässrige Gelatine implizieren, dass Beschichtungsmassen vorteilhaft nach ihrer Viskosität bei hohen Scherraten und der Rauheit R_z der Empfangsfläche unterschieden werden. Eine Scherrate zur Messung der Viskosität bei hoher Scherrate lässt sich bestimmen, indem man Beschichtungsmassen mit gleicher Viskosität bei niedriger Scherrate, aber unterschiedlicher Viskosität bei hoher Scherrate berücksichtigt, wie in 5 gezeigt. Für eine Vorhanghöhe von 3 cm, einem Applikationswinkel von 0° und eine Bahnrauheit R_z (DIN) von 4,4 μm weisen die den Kurven (a) und (b) in 5 entsprechenden Zusammensetzungen keine große Zunahme der Lufteinschlussgeschwindigkeit auf, während dies für die der Kurve (c) entsprechende Zusammensetzung der Fall ist. Da die Daten in 4 für eine Newtonsche Flüssigkeit gelten, ist die Viskosität, bei der der Übergang erfolgt, bekannt; unter den angegebenen Bedingungen ist dies ca. 100 mPas. Aus 5 lässt sich für jede Zusammensetzung die Scherrate ermitteln, bei der die Viskosität unter diesen Wert und entsprechende Scherrate abfällt. Auf diese Weise werden 10.000 s^–1 als die Scherrate bestimmt, bei der die Viskosität bei hoher Scherrate zum Zwecke der Erfindung gemessen wird.
Um die Lufteinschlussgeschwindigkeit für die Beschichtungsparameter für 4 zu maximieren, sollte die Beschichtungsflüssigkeit, die die benachbart zur Bahnoberfläche angeordnete Schicht bildet, entweder eine Viskosität, gemessen bei einer Scherrate von 10.000 s^–1, von ca. 90 mPas bis ca. 220 mPas aufweisen für Flächen mit einer Rauheit R_z(DIN) von ca. 2,2 μm bis ca. 7,5 μm, oder eine Viskosität, gemessen bei einer Scherrate von 10.000 s^–1, von ca. 70 mPas bis ca. 270 mPas für Flächen mit einer Rauheit R_z(DIN) von ca. 7,5 μm bis ca. 12,5 μm. Im Allgemeinen ist es sinnvoll, einen den Parameter ϕ₀ spezifizierenden Wert anzugeben, der die signifikanten Variablen der Vorhangbeschichtung verknüpft und die erfindungsgemäßen Bedingungen einschließt. ϕ_E ist durch folgende Gleichung definiert:
Gleichung 2 wobei σ die Flüssigkeitsoberflächenspannung (N/m) ist, gemessen so nah wie möglich am Auftreffpunkt (US-A-5,824,887), R_z die Oberflächenrauheit (m) (z. B. wie mit dem WYKO NT2000 von der WYKO Corporation gemessen), η die Viskosität (Pa s), gemessen bei einer Scherrate von 10.000 s^–1(z. B. wie mit einem Rheometer des Typs Bohlin CS gemessen), U ist die Geschwindigkeit des Vorhangs (m/s) (
), wobei g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft (m/s²) und h die Höhe (m) des Vorhangs ist, oder Applikationswinkel, ρ die Flüssigkeitsdichte (kg/m³) und Q die Durchflussrate pro Einheitsbreite des Vorhangs (m³/s pro m Breite). Für die vorliegende Erfindung ist der Wert von ϕ₀ größer als 1 und vorzugsweise größer als 1,5. Der den Parameter ϕ₀ spezifizierende Wert ist für Vorhanghöhen von größer als 7 cm wirksam. Für Vorhanghöhen von kleiner als 7 cm ist der den Parameter ϕ₀ spezifizierende Wert ein guter Indikator, aber weniger aussagekräftig. In allen Fällen ist es vorteilhaft, einen so hohen Wert von ϕ₀ wie möglich zu erzielen, während R_z und η innerhalb der zuvor genannten Bereiche bleiben.
In der vorliegenden Erfindung sind verschiedene Empfangsflächen verwendbar und umfassen beispielsweise, aber nicht abschließend, Papier, Kunststofffolien, harzbeschichtetes Papier und synthetisches Papier. Kunststoffsubstrate können aus Polyolefinen bestehen, wie Polyethylen und Polypropylen, Vinylpolymere, wie Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid und Polystyrol, Polyamiden, wie 6,6-Nylon und 6-Nylon, Polyestern, wie Polyethylenterephthalat und Polyethylen-2,6-Naphthalat, Polycarbonate und Celluloseacetate, wie Cellulosemonoacetat, Cellulosediacetat und Cellulostriacetat. Zur Herstellung harzbeschichteten Papiers verwendbare Harze sind beispielsweise, aber nicht abschließend, Polyolefine, wie Polyethylen. Die Substrate können zudem Substratschichten aufweisen, die Surfactants enthalten. Die Substrate können zudem zusammengesetzte Schichten sein, die eine Vielzahl von Schichten umfassen. Die Empfangsflächen können geprägt sein.
Die zur praktischen Verwertung der Erfindung verwendbare Empfangsfläche hat eine Flächenrauheit R_z (wie nach DIN 4768 definiert) von ca. 2 μm bis ca. 20 μm. Beispiele derartiger Empfangsflächen sind fotografische Papiere mit glänzender Oberfläche, matter Oberfläche, seidenglänzender Oberfläche usw. Diese Substrate werden normalerweise aus Rohpapierware hergestellt, auf die eine Polyethylenschicht laminiert wird, die mit einer Prägewalze verdichtet wird, um ein gewünschtes Aussehen auf fotografischen Prints zu erhalten. Alternativ hierzu sind Empfangsflächen mit der angegebenen Rauheit erzielbar, indem feste Partikel oder ähnliches in den Substratschichten oder anderen zuvor beschichteten und getrockneten Schichten eines fotografischen Substrats dispergiert und aufgetragen werden, oder durch Prägen oder feines Abschleifen der genannten Kunststofffilmsubstrate oder durch ein anderes Verfahren, das eine Oberflächentopologie mit der spezifizierten gemessenen Rauheit erzeugt.
Die erfindungsgemäße Beschichtungsmasse kann einen großen Bereich von Komponenten aufweisen, je nach konkreter Verwendung des Endprodukts. Beispiele verwendbarer Beschichtungsmassen umfassen Zusammensetzungen für die Herstellung fotografischer Produkte, die lichtempfindliche Schichten, Substratschichten, Schutzschichten, Trennschichten usw. enthalten; Zusammensetzungen für die Fertigung magnetischer Aufzeichnungsmedien; Zusammensetzungen für Klebeschichten, Farbschichten, leitende oder halbleitende Schichten, Korrosionsschutzschichten usw.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden die Beschichtungsparameter vorteilhafterweise derart gewählt, dass die Position der Benetzungslinie in Nähe des Vorhangauftreffpunktes angeordnet ist, wie in Ruschak et al., AIChE Journal 40 2 (1994) 229 beschrieben. Zu diesem Zweck wird der Applikationswinkel so gewählt, dass er der gewünschten Vorhanghöhe und Durchflussrate entspricht. Die Vorhanghöhe erhöht sich mit zunehmender Viskosität. Vorhanghöhen zwischen 10 cm und 35 cm sowie Applikationswinkel zwischen 0° und 60° werden bevorzugt. Das folgende Beispiel dient zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung.
Beispiel 1
Eine geringfügig scherverdünnende Beschichtungsmasse aus einer wässrigen Gelatine mit 0,1 Gew.-% Surfactant mit einer Viskosität von 120 mPas bei niedriger Scherrate wurde bei einer Vorhanghöhe von 25,4 cm, einem Applikationswinkel von +45°, einer Durchflussrate von 5 cm³/s pro cm Breite und einer Geschwindigkeit von 800 cm/s aufgetragen, um Trockenproben für Testzwecke herzustellen. Es wurden mit folgenden Flächen drei Proben hergestellt:

(i) Eine gelatinebeschichtete Polyethylenterephthalatfläche der Rauheit R_z(DIN) = 0,7 μm ergab eine ungleichmäßige Beschichtung mit Luftblasen. ϕ_E = 0,3.
(ii) Eine mit fotografischem Harz beschichtete Papierfläche der Rauheit R_z(DIN) = 4,4 μm ergab eine gleichmäßige Beschichtung ohne Luftblasen. ϕ_E = 2,4.
(iii) Eine mit fotografischem Harz beschichtete Papierfläche der Rauheit R_z(DIN) = 9,7 μm ergab eine gleichmäßige Beschichtung ohne Luftblasen. ϕ_E = 5,3.

Wenn ϕ₀ größer als 1 ist, wurden im Wesentlichen gleichmäßige Beschichtungen erzielt, während bei einem Wert von ϕ₀ kleiner als 1, inakzeptable, ungleichmäßige Beschichtungen erzielt wurden.

Claims

Vorhangbeschichtungsverfahren mit folgenden Schritten: (a) Bilden einer zusammengesetzten Schicht aus einer oder mehreren Beschichtungsmassen mit einer Minimaldichte ρ und einer volumetrischen Gesamtdurchflussrate pro Einheitsbreite Q, Erzeugen eines freifallenden Vorhangs aus der zusammengesetzten Schicht, und Aufbringen des freifallenden Vorhangs der Höhe h auf einer kontinuierlich bewegten Empfangsfläche, so dass der Auftreffpunkt einen Applikationswinkel ϕ hat, (b) Bereitstellen der Empfangsfläche mit einer Rauhigkeit R_Z (DIN 4768), und (c) Bereitstellen der die der Empfangsfläche benachbarte Schicht bildenden Beschichtungsmasse mit einer bei einer Scherrate von 10,000 s^–1 gemessenen Viskosität, die ausreichend hoch ist, so dass sie bei Kombination mit der Rauhigkeit R_Z, der Vorhangshöhe h, dem Applikationswinkel θ, der Durchflussrate pro Einheitsbreite Q und der Flüssigkeitsdichte ρ einen den Parameter ϕ₀ spezifizierenden Wert ergibt, der größer als 1 ist, wobei ϕ₀ durch folgende Gleichung definiert ist:
in welcher
und in der σ die Flüssigkeitsoberflächenspannung (N/m) ist, gemessen so nah wie möglich am Auftreffpunkt der Flüssigkeit, R_Z die Oberflächenrauhigkeit (m), wie in DIN 4768 definiert, η die Viskosität (Pa s), gemessen bei einer Scherrate von 10,000 s^–1, der der Empfangsfläche benachbarten Beschichtungsmasse, U = √(2gh) die Geschwindigkeit des Vorhangs kurz vor Auftreffen auf der Empfangsfläche, wobei g die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft (m/s²) und h die Höhe (m) des Vorhangs ist, θ der Applikationswinkel, ρ die Flüssigkeitsdichte (kg/m³) und Q die Durchflussrate pro Einheitsbreite des Vorhangs (m³/s pro m Breite) ist, wobei die Vorhangshöhe so gewählt wird, dass sie größer als 7 cm ist, wodurch hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten erzielbar sind.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der berechnete Wert von ϕ₀ größer als 1,5 ist.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die der Empfangsfläche benachbarte Schicht bildende Beschichtungsmasse bei einer Scherrate von 10,000 s^–1 eine Viskosität zwischen etwa 70 mPas und 220 mPas aufweist.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h des Vorhangs zwischen 10 cm und 35 cm beträgt.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Applikationswinkel θ zwischen 0° und 60° liegt.
Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsfläche eine Rauhigkeit R_Z(DIN) zwischen 2 μm und 20 μm aufweist und dass die die der Empfangsfläche benachbarte Schicht bildende Beschichtungsmasse, gemessen bei einer Scherrate von 10,000 s^–1, eine Viskosität zwischen 70 mPas und 220 mPas aufweist.