JP2010203751A - 塗膜の乾燥方法及び乾燥装置 - Google Patents

Abstract

【課題】乾燥装置を構成する乾燥ゾーンにおいて、温度と風量以外に、基材の温度を急激に上昇させる手段を導入し、基材上に形成した塗膜を効率よく乾燥する塗膜の乾燥方法及び乾燥装置を提供する。
【解決手段】乾燥装置を構成する複数の乾燥ゾーンのうち、一の乾燥ゾーンの伝熱係数と他の乾燥ゾーンの伝熱係数とが異なる値になるように、乾燥ゾーンに設置された熱風を供給するノズル２１１の間隔２１２やスリット幅２１３を変更する。特に、基材が搬送される最初の乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数より大きい値になるように、ノズル２１１の間隔２１２やスリット幅２１３を変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、塗膜の乾燥方法及び乾燥装置に関するものであり、特に塗膜が厚膜であり、塗液に蒸気圧が低く高沸点の溶剤を含み、塗膜を高温にて乾燥させる必要がある製品の製造において使用される乾燥方法及び乾燥装置に関する。

近年、ウェットコーティング技術を利用して製造される製品に、塗膜が厚膜であり、塗液に蒸気圧が低く高沸点の溶剤を含み、塗膜を高温にて乾燥させる必要がある製品が増えている。

塗膜の乾燥方式として最も一般的なのは加熱風乾燥方式であり、従来、各種提案されてきた。例えば、特公昭５３−１０６９１号公報に代表される加熱乾燥温度を規定するもの、また、特公平１−５７２７６号公報に代表される加熱風の方向を規定するもの、また、特開２００１−１９１００８号公報に代表される加熱条件を基材の上下で変化させるもの、等数多くの提案がされている。このような乾燥装置は複数の乾燥ゾーンにわかれ、各乾燥ゾーンでそれぞれ温度・風量を規定して乾燥条件を定める場合が多い。

特公昭５３−１０６９１号公報 特公平１−５７２７６号公報 特開２００１−１９１００８号公報

しかしながら、従来の乾燥形式では、乾燥効率を上げる方法として、加熱温度を上げるか風量を大きくするかに限られていた。また、温度に関しては、乾燥ゾーンに導入されうる加熱された気体の温度範囲がそのまま乾燥ゾーンの温度範囲となり、風量に関しても、乾燥ゾーンに導入されうる気体の量がそのまま乾燥ゾーンの風量となるため、乾燥ゾーンの乾燥効率の可変範囲はある程度の制限があった。このような制限により、所望の温度上昇が達成できない場合があった。

そこで、乾燥ゾーンにおいて、温度と風量以外に、基材の温度を急激に上昇させる手段を導入し、より効率の高い乾燥方法を得ることを目的とする。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、連続的に搬送される基材に溶剤を含む塗工液を塗工し形成した塗膜を、複数の乾燥ゾーンで構成された乾燥装置を用いて乾燥する塗膜の乾燥方法において、前記複数の乾燥ゾーンのうち、一の乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの伝熱係数と異なることを特徴とする塗膜の乾燥方法である。

また、請求項２に記載の発明は、前記複数の乾燥ゾーンのうち、前記基材が搬送される最初の乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の塗膜の乾燥方法である。

また、請求項３に記載の発明は、前記複数の乾燥ゾーンのうち、前記基材が搬送される最初の乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数の１．５倍より大きいことを特徴とする請求項２に記載の塗膜の乾燥方法である。

また、請求項４に記載の発明は、前記基材が前記乾燥装置に搬入されてから搬出されるまでの時間をｔ秒としたとき、搬入されてからｔ／３秒後までに前記基材が通過した乾燥ゾーン、及びｔ／３秒後に前記基材が位置する乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の塗膜の乾燥方法である。

また、請求項５に記載の発明は、前記基材が前記乾燥装置に搬入されてから搬出されるまでの時間をｔ秒としたとき、搬入されてからｔ／３秒後までに前記基材が通過した乾燥ゾーン、及びｔ／３秒後に前記基材が位置する乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数の１．５倍より大きいことを特徴とする請求項４に記載の塗膜の乾燥方法である。

また、請求項６に記載の発明は、前記乾燥装置が、熱風を吹き出す複数のノズルを有し、前記塗膜を形成した前記基材の少なくとも一方の面に熱風を吹きつけることによって乾燥を行うことを特徴とする請求項１から５に記載の塗膜の乾燥方法である。

また、請求項７に記載の発明は、前記ノズルの間隔、又は前記ノズルのスリット幅の少なくとも一つを変化させることにより、乾燥ゾーンの伝熱係数を変更することを特徴とする請求項６に記載の塗膜の乾燥方法である。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の乾燥方法を用いた乾燥装置である。

また、請求項９に記載の発明は、ノズルを開閉する機構により、ノズルの間隔を変更することを特徴とする請求項８に記載の乾燥装置である。

また、請求項１０に記載の発明は、ノズルのスリットのスリット板の位置あるいは角度を変更する機構により、ノズルのスリット幅を変更することを特徴とする請求項８に記載の乾燥装置である。

本発明を使用することにより、特に塗膜が厚膜であり、塗液に蒸気圧が低く高沸点の溶剤を含み、塗膜を高温にて乾燥させる必要がある製品の製造において、乾燥初期の乾燥ゾーンで、温度と風量以外に基材の温度を急激に上昇させる手段を導入し、生産性が向上できる乾燥方法を提供することができる。

本発明の一実施形態における塗工装置の説明図である。 本発明の一実施形態における乾燥装置の乾燥ゾーンと乾燥ゾーン内のノズルの説明図である。 本発明の実施例及び比較例における基材温度の時間に対するプロット図である。 本発明の実施例及び比較例における残留溶剤量の時間に対するプロット図である。

本発明について詳細に説明する。図１に塗工装置の一例を示す。巻出ロール１０１から巻き出された基材１０３は、ガイドロール１０９ａを介してグラビア方式の塗工部に搬送される。本発明は、連続する基材に塗工した塗膜の乾燥に使用する方法であるため、塗工方式はグラビア、ワイヤーバー、ダイ等様々ある方式のいずれにも有効であり、その方式に本発明の効果は制約されるものではない。グラビア方式の塗工では、インキパン１０６内にある塗液が、グラビアロール１０５によって掻き揚げられ、ドクター１０７で計量された後、インプレッションロール１０４によってグラビアロール１０５に押し付けられた基材１０３に転写される。塗膜が形成された基材１０３は、ガイドロール１０９ａを介して乾燥装置１０８に搬送され、塗膜が乾燥される。塗膜の乾燥後、基材はガイドロール１０９ｃ及び１０９ｄを介して巻取ロール１０２に巻き取られる。本発明の塗膜の乾燥方法は、上記工程のうち、乾燥工程に用いられる乾燥装置１０８に適用される。

乾燥装置１０８は、塗工部から基材搬送方向に設置されるが、塗工部の後の工程であればどこに設置しても良い。乾燥装置１０８の長さまたは基材１０３の速度は、特に制約事項ではない。その長さと速度は、塗膜が乾燥するかどうかで決められるべきものであり、製品によって異なってくる。但し、一般的には、５ｍ程度から１００ｍ程度の長さである。

乾燥装置１０８は、図１のようにある程度の長さで分割されてもよい。分割された一つの領域を一つの乾燥ゾーンとすると、図１の乾燥装置１０８は、３つの乾燥ゾーン、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃに分かれている。図１の乾燥装置１０８の乾燥ゾーン数は一例であり、乾燥ゾーンの分割方法については、特に制約事項ではない。

乾燥装置１０８には、乾燥装置外部あるいは内部から、気体を取り入れるブロワと、そのブロワに接続されている熱交換器が設けられている。そして、熱交換器によって熱された気体は、乾燥装置１０８内に供給される。ここで、乾燥装置１０８が図１のように複数の乾燥ゾーンに分かれている場合は、その各乾燥ゾーンに対して一対一対応でブロワを設置する必要がある。

塗液に蒸気圧が低く高沸点の溶剤を含む厚膜の塗膜を乾燥する場合、本発明者の検討の結果、乾燥装置の初期の乾燥ゾーンで基材の温度を急激に上昇させることで、より効率のよい乾燥ができる場合があることが判明した。この原因としては、高沸点溶剤においては一般に低温で加熱しても蒸気圧が低いためなかなか蒸発しないが、高温で加熱すると蒸気圧が高くなり、蒸発が進みやすくなるからである。この蒸気圧の温度による変化は、式１に示すＡｎｔｏｉｎｅの式で表される。ここで、Ｐは蒸気圧［ｍｍＨｇ］、Ｔは温度［℃］、Ａ、Ｂ及びＣはＡｎｔｏｉｎｅ定数［−］である。

また乾燥装置の初期の乾燥ゾーンで基材の温度を急激に上昇させることで得られる効果として他に考えられることとしては、塗膜の乾燥挙動が恒率乾燥から減率乾燥に移る塗膜内溶剤濃度を大きくできる、わかりやすくいえばより高溶剤濃度域で減率乾燥に移行することができることがある。この現象は、たとえば塗膜内に化学反応などを起こしうる物質を含み、かつできるだけ乾燥時にその反応を起こさせたいときなどに有効である。

このような現象が起こる原因としては、初期乾燥ゾーンで基材の温度を急激に上昇させれば、塗膜表面からの蒸発速度が増し、膜内の濃度分布が形成されやすくなる結果、乾燥が境膜律速である恒率乾燥から、内部拡散律速である減率乾燥に移行する、限界の溶剤濃度が、膜全体としては大きくできるからである。したがって、高沸点溶剤を含む厚膜の塗膜では、乾燥装置の前部の乾燥ゾーンにおいて、基材の温度を急激に上昇させることで、効率がよい乾燥、あるいは乾燥形式を早く減率乾燥域に移行させることができるといえる。

基材の温度上昇速度は、基材に供給される熱量より基材から奪われる熱量を差し引いたものと、基材の熱容量の変化に支配される。基材から奪われる熱量とは溶剤の蒸発による蒸発潜熱である。基材の熱容量の変化は、溶剤が蒸発するに従って溶剤分の熱容量が減少し、基材と固形分の和に近づく。そして、基材に供給される熱量は、加熱温度と基材の温度の差に、伝熱係数を乗じたものに等しい。

伝熱係数は乾燥装置に熱容量が既知の物質、たとえばプラスチックフイルムの基材を投入した際の温度上昇から測定することができる。温度と伝熱係数に関する式を式（２）に示す。ここで、ｗは基材の重量［ｋｇ］、Ｃｐは基材の比熱［ｋＪ／ｋｇ・Ｋ］、Ｔｃは熱風の温度［Ｋ］、Ｔは基材の温度［Ｋ］、ｔは時間［ｓ］、ｈは伝熱係数である。

伝熱係数は、乾燥温度とは独立の定数であり、装置すなわち乾燥ゾーンに固有の定数である。これは温度上昇速度に非常に大きな影響を及ぼす。したがって、乾燥初期の乾燥ゾーンにおいて、この伝熱係数を大きくすれば、温度上昇速度を増大させることが可能になる。風速を大きくすることがもっとも安直な方法であるが、それには前述したように制限が伴う。そこで、伝熱係数を決定するほかのパラメータを望ましい方向に変化させればよい。本発明者が検討した結果、伝熱係数を決定するパラメータのうち、ノズルの間隔とノズルのスリット幅が風速以外で大きく伝熱係数の大小に関わってくることが判明した。

図２は、乾燥装置の乾燥ゾーンと、乾燥ゾーン内のノズルの一例である。乾燥ゾーン２０８ａは、乾燥装置の複数ある乾燥ゾーンのうち、塗膜を形成した基材２０３が最初に搬送される乾燥ゾーンを表している。乾燥ゾーン２０８ａには、上側に３つのノズル２１１ａ〜ｃ、下側に３つのノズル２１１ｄ〜ｆが設置されている。熱交換器によって熱された気体は、これらのノズルのスリットから乾燥ゾーン内に供給され、その熱風により塗膜を乾燥させる。ノズルの形状は、乾燥ゾーン内に熱された気体を供給できる形状であれば特に限定されない。

ノズルの間隔２１２は、１０ｃｍから１００ｃｍの間が好ましく、特に、２０ｃｍから７０ｃｍの間が好ましい。また、ノズルのスリット幅２１３は、１ｍｍから１０ｍｍの間が好ましい。以上の範囲でノズルの間隔またはノズルのスリット幅を変更することにより、各乾燥ゾーンの伝熱係数を変更することができる。

伝熱係数を他の乾燥ゾーンに比べて大きくした乾燥ゾーンは、塗膜が厚膜であり、塗液に蒸気圧が低く高沸点の溶剤を含み、塗膜を高温にて乾燥させる必要がある製品の製造において、乾燥初期の乾燥ゾーンにすることが好ましい。さらに、伝熱係数を他の乾燥ゾーンに比べて大きくした乾燥ゾーンは、基材が乾燥装置に搬入されてから搬出されるまでの時間をｔ秒としたとき、搬入されてからｔ／３秒後までに基材が通過した乾燥ゾーン、及びｔ／３秒後に前記基材が位置する乾燥ゾーンであることが好ましい。ただし、乾燥ゾーンの分割方法が特に制約事項ではないことと同様に、伝熱係数が大きい乾燥ゾーンは、基材が搬送される最初の乾燥ゾーンのみに限る必要はない。必要であれば複数設けてもよい。また、各乾燥ゾーンの伝熱係数は大小の二種類に限る必要もなく、たとえば乾燥ゾーン毎に勾配をつけて定めてもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。基材として、比熱１．２６のプラスチックフィルムを用い、搬送速度を１５ｍ／ｍｉｎに設定し、グラビア方式により基材に塗膜を形成した。塗液は、比熱１．１のポリマーが濃度４０％で含まれており、その溶剤は、沸点２４０℃、Ａｎｔｏｉｎｅ定数のＡ，Ｂ，Ｃがそれぞれ８．５、２９９０、２９０である溶剤Ａと、沸点１９０℃、Ａｎｔｏｉｎｅ定数のＡ，Ｂ，Ｃがそれぞれ５．５、７２０、８３である溶剤Ｂとが、重量比にしてＡ：Ｂ＝２：１で含まれている高分子分散液を使用した。ウェット膜厚は５０μｍとした。この塗膜を、図１のような３つの乾燥ゾーン（基材が搬送される最初の乾燥ゾーンから順に、ゾーン１、ゾーン２、ゾーン３とし、各々のゾーンの長さが３ｍ）で構成された上下吹き付けのフローティング方式乾燥装置にて乾燥した。

＜実施例１＞
上記条件のもと、乾燥装置のゾーン１のノズルの間隔を３５ｃｍ、ゾーン２，３のノズルの間隔を５０ｃｍ、また、ゾーン１から３のノズルのスリット幅を０．３６ｃｍ、さらに、ゾーン１から３の熱風温度を２００℃に設定し、基材に形成した塗膜を乾燥した。

＜実施例２＞
乾燥装置のゾーン１のノズルの間隔を２５ｃｍにしたほかは、実施例１と同様にして塗膜を乾燥した。

＜実施例３＞
乾燥装置のゾーン１のノズルの間隔を５０ｃｍにし、ゾーン１のノズルのスリット幅を０．７２にしたほかは、実施例１と同様にして塗膜を乾燥した。

＜比較例１＞
乾燥装置のゾーン１のノズルの間隔を５０ｃｍにしたほかは、実施例１と同様にして塗膜を乾燥した。

＜比較例２＞
乾燥装置のゾーン１のノズルの間隔を５０ｃｍにし、ゾーン１の熱風温度を２３０℃にしたほかは、実施例１と同様にして塗膜乾燥した。

実施例１から３、及び比較例１、２の各ゾーンの伝熱係数を表１に示す。乾燥装置の各ゾーンの伝熱係数は、塗布を行わない基材のみの基材を空通しし、その温度上昇を放射温度計で測定し、式２に代入して最小二乗法より算出した。

乾燥の程度を把握するために、乾燥ゾーン中の基材温度と残留溶剤量を測定した。基材温度に関しては、放射温度計を用いて測定した。残留溶剤量に関しては、規定時間に達したときに基材を停止させ、すばやく適当な大きさの片に切り取り、その片の重量を測定してから、片を２００℃のオーブンにて１時間乾燥させたあとの重量を測定し、重量減少から算出した。乾燥ゾーン中の基材温度と残留溶剤量の測定結果を図３、図４に示す。図３は温度上昇、図４は残留溶剤量の、それぞれ時間に対するプロットである。

表１及び図３、４より、ノズルの間隔やノズルのスリット幅を変更し、伝熱係数を大きくするような設定にしておけば、乾燥初期の乾燥ゾーンで温度を所望の温度に急激に上げることができ、残留溶剤の蒸発を極めて高速で進められることがわかる。また、比較例２から、伝熱係数を大きくすることは熱風温度を上げた場合と同等の効果を得られることがわかる。

本発明の塗膜の乾燥方法及び乾燥装置は、特に塗膜が厚膜であり、塗液に蒸気圧が低く高沸点の溶剤を含み、塗膜を高温にて乾燥させる必要がある製品の製造において利用される。

１００・・・塗工装置
１０１・・・巻出ロール
１０２・・・巻取ロール
１０３・・・基材
１０４・・・インプレッションロール
１０５・・・グラビアロール
１０６・・・インキパン
１０７・・・ドクター
１０８・・・乾燥装置
１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ・・・乾燥ゾーン
１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄ・・・ガイドロール
１１０・・・基材の搬送方向
２０３・・・基材
２０８ａ・・・乾燥ゾーン
２１０・・・基材の搬送方向
２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ・・・ノズル
２１２・・・ノズルの間隔
２１３・・・ノズルのスリット幅

Claims (10)

1. 連続的に搬送される基材に溶剤を含む塗工液を塗工し形成した塗膜を、複数の乾燥ゾーンで構成された乾燥装置を用いて乾燥する塗膜の乾燥方法において、
   前記複数の乾燥ゾーンのうち、一の乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの伝熱係数と異なる
   ことを特徴とする塗膜の乾燥方法。
2. 前記複数の乾燥ゾーンのうち、前記基材が搬送される最初の乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の塗膜の乾燥方法。
3. 前記複数の乾燥ゾーンのうち、前記基材が搬送される最初の乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数の１．５倍より大きいことを特徴とする請求項２に記載の塗膜の乾燥方法。
4. 前記基材が前記乾燥装置に搬入されてから搬出されるまでの時間をｔ秒としたとき、搬入されてからｔ／３秒後までに前記基材が通過した乾燥ゾーン、及びｔ／３秒後に前記基材が位置する乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数より大きいことを特徴とする請求項１に記載の塗膜の乾燥方法。
5. 前記基材が前記乾燥装置に搬入されてから搬出されるまでの時間をｔ秒としたとき、搬入されてからｔ／３秒後までに前記基材が通過した乾燥ゾーン、及びｔ／３秒後に前記基材が位置する乾燥ゾーンの伝熱係数が、他の乾燥ゾーンの少なくとも一の乾燥ゾーンの伝熱係数の１．５倍より大きいことを特徴とする請求項４に記載の塗膜の乾燥方法。
6. 前記乾燥装置が、熱風を吹き出す複数のノズルを有し、前記塗膜を形成した前記基材の少なくとも一方の面に熱風を吹きつけることによって乾燥を行うことを特徴とする請求項１から５に記載の塗膜の乾燥方法。
7. 前記ノズルの間隔、又は前記ノズルのスリット幅の少なくとも一つを変化させることにより、乾燥ゾーンの伝熱係数を変更することを特徴とする請求項６に記載の塗膜の乾燥方法。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の乾燥方法を用いた乾燥装置。
9. ノズルを開閉する機構により、ノズルの間隔を変更することを特徴とする請求項８に記載の乾燥装置。
10. ノズルのスリットのスリット板の位置あるいは角度を変更する機構により、ノズルのスリット幅を変更することを特徴とする請求項８に記載の乾燥装置。

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