JP4185999B2 - 張力上昇ナイフコーティング法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ウェブにコーティングを施すナイフコーティング法に関する。さらに詳しく言うと、本発明は、粘弾性液体の改良されたナイフコーティング法に関する。
発明の背景
コーティングは、基材、通常は硬質の表面基材に接する気体を液体などの流体の層と置換する過程である。コーティングの複数の層が、互いの上面に塗布される場合もある。基材は、ウェブなど、長い連続するシートの形式になっており、ロール状に巻かれている。例としては、プラスチックフィルム、織布もしくは不織布または紙がある。ウェブをコーティングする際は通常、ロールを伸ばして液体層をロールに塗布し、液体層を凝固させて、コーティングされたウェブを再度ロール状に巻く。
コーティングが沈着した後、金属コイル処理の際に潤滑油を金属に塗布する場合、または化学反応体を塗布して基材表面を活性化もしくは化学的に変形させる場合など、液体が残る可能性がある。あるいは、コーティングは、揮発性液体を含む場合は、硬質層が残るように乾燥させるか硬化させるか、またはその他の方法で処理することができる。例としては、ペンキ、ワニス、接着剤、光化学薬品および磁気記録媒体がある。
ウェブにコーティングを施す方法は、Cohen，E.D．およびGutoff，E.B.の「現代のコーティングと乾燥技術」（VCH Publishers、1992年ニューヨーク）、並びにSatas，D．の「ウェブ処理と加工技術、装置」（Van Vortstrand Reinhold Publishing Co.、1984年ニューヨーク）に記載され、ナイフコータが含まれている。
ナイフコーティングは、固定している硬質部材つまりナイフと、ウェブとの間に、ナイフとウェブ間の隙間が塗布される液体層の厚さの２倍未満になるように、液体を通す方法である。液体は、ウェブとナイフとの間で剪断され、この層の厚さはだいたい隙間の高さによって決まる。多くの材料と動作上の制約に対応して、ナイフコータは、波がないかまたは著しいエッジがない円滑なコーティングを行う。ウェブは、その裏側でバックアップローラにより支持され、コーティング過程が、ウェブ全体の長手方向の張力による変形に左右されるのを防ぐことができる。こうした長手方向の張力は、紙およびプラスチックフィルム基材では一般的である。ナイフコータは、ローラに直接コーティングを施して、後でコーティングをウェブに移動することができる。
各種のナイフコータを区別する一つの特徴は、ナイフ作用通路に液体を導入する方法である。図１に示す重力供給ナイフコータは、ホッパがウェブに対して保持している開いたプールから液体を受け入れる。図２に示すフィルム供給ナイフコータは、他の方法によってウェブに塗布される層から液体を受け入れるが、この液体はまだ所定の厚さ、均一さまたは滑らかさではない。余計な材料はナイフから流れ落ちて収集され、再循環される。図３に示すダイ供給ナイフコータは、狭いスロットから液体を受け入れる。このスロットは、上流の多岐管に関連して、ナイフ作用通路に供給される流量をウェブ全体に一様に分配する。このダイは、一緒に挟まれた２枚の板を具備し、シムまたは一方の板のへこみでスロットの通路を形成している。図４Ａおよび４Ｂに示すトラフ供給ナイフコータは広いスロットつまりトラフから液体を受け入れ、このトラフは狭いスロットおよび多岐管から液体を供給され、ウェブ全体に流量を一様に分配する。図４Ｂのコータは、コータのウェブ上側に液体をあふれさせる。あふれ出る液体は再循環される。
コーティングされる液体が非常に弾性である場合、ナイフコータは、液体が最初にウェブと接触するコーティングビードの上流の範囲で流動性が不安定になりやすい。（コーティングビードは、アプリケータと基材間の液体のブリッジである。）コーティングビードの上流の範囲では、液体はほぼゼロ速度から、ナイフコータの上流側と移動するウェブ間の隙間にほぼ等しい距離だけウェブを動かす速度まで加速しなければならない。この加速する流れによって、液体には高度の伸長率が加わる。非常に弾性がある液体は伸長（無回転の流れ）する際に粘度を示す。伸長粘度と剪断粘度との不均衡によって、コーティングビードの上流範囲の流動性が不安定になり、その結果望ましくないコーティングの欠陥が生じる。
コーティング過程は流動性の不安定性による影響を受けやすいので、コーティング用液体の弾性が増加し、ウェブの速度が上昇する。不安定性は、上流側の空間的かつ一時的に均一なコーティングビードから、ウェブを横断する方向に区分されるコーティングビードへの転移として現れるのが普通である。コーティング速度または液体の弾性がさらに高まると、コーティングビードの上流範囲はさらに一時的かつ空間的に不均一になる。コーティングビードの上流の流れの不安定性によって、最終的にコーティングされるフィルムにコーティングの欠点が生じる。通常、こうした欠点は、ウェブの下側方向に平行かまたはウェブを斜めに横断する向きの縦筋つまり「はけ目」」の形を取る。この流れの不安定性は、弾性液体を重力供給コータ、ダイ供給コータおよびトラフ供給コータでコーティングする際に生じる。また、ウェブ上に元のフィルムを付着する方法によっては、フィルム供給ナイフコータでも生じる場合がある。不安定性は、弾性の液体をナイフコータでコーティングする際に生じ、この場合、液体は、コーティングビードの上流側の比較的小さい隙間を満たす。
弾性が高い液体を高速でコーティングでき、流れの不安定性とこれに関連するコーティングの欠点を生じないようにナイフコータを作動する方法が必要である。
発明の要約
本発明の方法は、コーティング用流体を表面上に塗布し、コーティング装置と表面間に相対的な移動をもたらす方法を含む。コーティング用流体はトラフに直接供給され、表面上を横断して伸びるトラフ開口部から表面に塗布される。コーティングの厚さは、ナイフを使って調節される。分離線（コーティング用流体、トラフのウェブ上流側および周囲の気体が交わる線）と湿潤線（コーティング用流体、コーティングされる表面および周囲の気体が交わる線）間の十分な距離は、上流のコーティングビードの流れの不安定性をなくすために維持される。
コーティング用流体は、剪断粘度に対する伸長粘度の粘比が１０を超える弾性液体で良い。トラフ開口部は、少なくともコーティングの所望の幅を横断して広がっていて良い。分離線と湿潤線間の距離は０．５ｃｍを超えて良い。分離線は、ナイフ作用通路の下に配置することができる。
分離線と湿潤線間の距離は、トラフに流入する液体の比率とナイフ作用通路から流出する液体の比率を調節して調整することができる。
液体と気体の界面は、分離線と湿潤線をコーティングビードの上流で接続する表面であり、実質的に平面で良い。また、コーティング用液体の流動学的特性とウェブ速度は、上流の空気と気体の界面の破断距離を変えるように選択することができる。
この方法は、液体の伸長粘度と剪断粘度間の不均衡が小さくなるように、コーティングビードの上流範囲の伸長率を低く保つことにより流れの不安定性をなくして液体をナイフコーティングする。コーティングビードの上流範囲の伸長率は、液体が加速しなければならない距離を増やすことによって低く保たれる。流れの不安定性の開始は、コーティングビードの上流の液体と空気の界面を比較的平坦にすることにより遅らせることができる。これは、トラフからナイフ作用通路まで比較的長距離を液体が自然に流れるようにして達成される。液体は、コーティングビードの上流範囲の伸長性の流れに見られる液体張力によってナイフ作用通路内を上昇する。
【図面の簡単な説明】
図１は、公知の重力供給ナイフコータの略図である。
図２は、公知のフィルム供給ナイフコータの略図である。
図３は、公知のダイ供給ナイフコータの略図である。
図４Ａと図４Ｂは、公知のトラフ供給ナイフコータの略図である。
図５は、直交流ナイフコータの側面図である。
図６は、張力上昇ナイフコータの部分側断面の略図である。
詳細な説明
従来の弾性液体のナイフコーティングは、コーティングビードの上流範囲で流れが不安定になりやすい。比較的弾性の少ない液体をコーティングするか、または場合によりコーティング速度を低く保つ場合、流れの不安定性はなくなり、コーティングビードの上流の液体と空気の界面は空間的かつ一時的に均一になる。しかし、液体の弾性またはウェブの速度が高まると、コーティングビードの上流範囲の流れは不安定になる場合がある。
図５に示され、１９９４年２月８日に提出された米国特許出願第０８／１９３，４２５号で開示された直交流ナイフコータは、トラフにその端部の一方から供給されるトラフ供給ナイフコータである。この供給方法では、ウェブ表面の動きと関連して、トラフの幅全体に渦巻流を生じる。
液体の弾性はいくつかの形態で現れるが、この流れの不安定性の活発な形態は強度の伸長粘度である。伸長粘度は、剪断（回転）流で示される剪断粘度と対照的に、純粋に伸長する（無回転）流れの液体によって示される。弾性液体は、低い変形率でその剪断粘度に匹敵する伸長粘度を有する。（通常、伸長粘度は、低い変形率における剪断粘度の３ないし４倍である。）変形率が比較的高い場合、弾性液体の伸長粘度は通常増加し（時には著しく）、剪断粘度は一定かまたは減少する。剪断粘度（トルートン率と呼ばれる場合もある）に対する伸長粘度の粘比は、コーティング用液体が、従来のナイフコータのコーティングビードの上流範囲で流れが不安定になりやすいかどうかを判断するための良い指標である。トルートン率が１から１０００sec-1の変形率の範囲で１０を超える場合、従来のナイフコータでは上流のコーティングビードの流れが不安定になる場合がある。
結果的に、上流のコーティングビードの流れの不安定性は、従来のナイフコータのコーティングビードの上流範囲に存在する変形率の液体の伸長粘度と剪断粘度の不均衡によって助長される。流れが不安定になるのを防ぐには、上流のコーティングビードの伸長率を減らして、伸長粘度と剪断粘度の不均衡を減少させなければならない。コーティングビードの上流範囲の伸長率は、ウェブと、コーティングビード付近のナイフコータの上流側間の隙間に対する移動ウェブの速度の比率にほぼ等しい。重力供給ナイフコータ、ダイ供給ナイフコータおよびトラフ供給ナイフコータは、０．１から１mm（０．００４から０．０４０in）の範囲の上流のナイフの隙間を特徴としている。０．５m/sec（１００ft/min）の中度のウェブ速度では、この大きさの隙間は５００から５０００sec-1の範囲の伸長率を生じる。
本発明の方法は、上流のコーティングビードの流れが不安定になるのを防ぐようにナイフコータを作動させる。これは、コーティング用液体が比較的長い距離にわたって伸びることができるようにし、ひいてはコーティングビードの上流範囲で伸長率が比較的低くなるようにすることにより達成される。コーティングビードの上流範囲における加速距離は、０．５から１２．７cm（０．２から５in）の範囲であることが望ましい。ウェブ速度が０．５m/sec（１００ft/min）の場合、伸長の距離が増加すると、液体の伸長率は２桁少なくなり、４から４０sec-1の範囲になる。伸長率の減少によって、コーティングビードの上流範囲の液体の伸長粘度と剪断粘度の不均衡が大幅に減少する。さらに、コーティングビードの上流の液体と空気の界面の通路が平坦になり、その結果、上流のコーティングビードの流れの不安定性を少なくするのに役立つ。
図６は、張力上昇ナイフコーティング法を使用しているコータを示す。図示のとおり、コーティングされる表面は、変形可能なバックアップローラ１４の周囲を通過するウェブ１２である。あるいは、コーティングは、移動ローラなどの中間構成部品を使用して基材に移動することができる。その他の流体をコーティングすることもでき、基材を自由な範囲でコーティングすることもできる。
このコータは、少なくともコーティングの所望幅を横断して伸びる開口部２６を有するトラフ１５を具備する。ウェブ１２は、トラフ開口部２６上のコーティングステーションを通って移動する。ウェブ１２とトラフ１５のウェブ下流側の隙間の範囲がナイフ作用通路であり、コーティング用液体はこの通路を介してコーティングを形成する。ナイフ２８は、ウェブ１２上に塗布されるコーティング用液体の厚さを調節する。ナイフ２８は、トラフ壁２０に取り付けられた分離要素でも良いし、あるいは壁の表面であっても良い。ナイフ２８は平面でも、曲線状でも、凹状または凸状でも良い。ナイフ２８またはバックアップローラ１４は弾性で良く、ナイフ２８とウェブ１２間の隙間は流体学的圧力によって維持される。
トラフ１５には、反対側にウェブ上流側の壁４６がある。分離線４８（コーティング用液体、トラフ１５のウェブ上流側の壁４６、周囲の空気（またはその他の気体）の交差線）は、トラフ１５のウェブ上流側の壁４６上に位置する。上流の液体と空気の界面５０は、分離線４８と、液体が移動ウェブ１２と最初に接触する部分に配置された湿潤線５２とを接続する表面である。（湿潤線は、コーティング用液体、ウェブ１２、周囲の空気の交差線である。）コーティングビードの上流範囲は、上流の液体と空気の界面５０のすぐ近くの範囲である。コーティング用液体は、スロットおよびキャビティ、１個の供給口または複数の供給口を有する多岐管を介するなどの方法でポンプによってトラフ内に供給される。この張力上昇ナイフコータの作動は、上流のコーティングビードの流れが不安定にならないように交差線４８、５２間に十分な距離を保つことを含む。この距離は通常、０．５cm（０．２in）を超える。線４８と５２間の距離は、トラフに流入する液体の割合とナイフ作用通路から流出する液体の割合によって調節される。流入する液体をトラフから流出する液体よりも低い値に保つことにより、トラフ内の液体のレベルが低下し、交差線４８と５２間の距離が増加する。この距離が、上流のコーティングビードの流れが不安定にならないように十分に大きい場合、流入する液体と流出する液体を実質的に等しく保つことによって、トラフ内の液体のレベルと交差線４８と５２間の距離を一定に保つことができる。
上流の空気と液体の界面を比較的長くしてナイフコータを作動させると、コーティングビードの上流範囲の液体の伸長率は、公知のナイフコータよりも小さい。その結果、コーティングビードの上流範囲の液体の剪断粘度と伸長粘度の不均衡が減少し、上流のコーティングビードの流れの不安定性とそれに伴うコーティングの欠点がなくなる。さらに、上流の液体と空気の界面は比較的平坦であり、その結果、上流のコーティングビードの流れの不安定性をさらに防ぐことができる。液体は、弾性液体の伸長特性による張力と重力の相互作用によって、上流の空気と液体の界面を長い直線に保つことができる。張力は、コーティング用液体が、ウェブの移動によってトラフ開口部からナイフ作用通路への重力の引張力に対抗して継続的に上昇することを可能にする。過剰な液体は、ナイフ作用通路によってトラフに戻される。
交差線４８と５２間の距離が大きすぎる場合、上流の液体と空気の界面５０が断絶し、移動ウェブ１２の連続コーティングが停止する。上流の空気と液体の界面の断絶が生じる断絶距離は、コーティング用液体の流動学的特性とウェブの速度によって決まる。弾性が比較的高い流動学的特性を持つ（伸長粘度が比較的大きい）コーティング用液体の場合、比較的大きい断絶距離が見られる。また、断絶距離は一般に、ウェブ速度の上昇につれて直線的に増加する。弾性が非常に少ないコーティング用液体の場合は、断絶距離は非常に小さい（０．５cm未満）。
本発明では、本発明の範囲と精神を逸脱することなく、様々な変更および訂正を行うことができる。たとえば、ウェブを自由な支持されない範囲でコーティングする場合、トラフとウェブ間の隙間を流体学的圧力によって維持し、緊張したウェブの変形により圧力を平衡させる。

Claims (7)

1. トラフ１５およびナイフ２８を有するトラフコーティング装置を用いて、表面１２上にコーティング用液体を塗布する方法において、
   コーティング装置と表面１２間に相対的な運動をもたらすステップと、
   重力の引張力に対抗してコーティング用液体を上昇させることによって、表面全体を横断して伸びるトラフ開口部２６を介して表面１２にコーティング用液体を塗布するステップと、
   コーティング用液体を直接トラフ１５に供給するステップと、
   ナイフ２８を使って表面上に塗布されるコーティングの厚さを調節するステップと、
   コーティング用液体、トラフのウェブ上流側の壁４６および周囲の気体の交差線である分離線４８とコーティング用液体、コーティングされる表面１２および周囲の気体の交差線である湿潤線５２間に、上流のコーティングビードの流れの不安定性をなくすために、０．５ｃｍを超える距離を保つステップと、
   コーティング用液体の流動学的特性とウェブ速度を選択して、上流のコーティングビードが断絶する断絶距離を、分離線４８と湿潤線５２間の距離以上に決定するステップと、
   で構成されることを特徴とする方法。
2. 供給ステップが、上流のコーティングビードの流れが経時的に且つ表面１２を横断する方向に関して不均一なコーティング用液体を供給するステップから成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 塗布ステップが、少なくともコーティング幅を横断して伸びるトラフ開口部２６から表面にコーティング用液体を塗布するステップから成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. コーティング用液体が、剪断粘度に対する伸長粘度の粘比が１０を超える弾性液体であることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 分離線４８がナイフ２８の下に位置することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. さらに、トラフに流入する液体の割合とナイフ作用通路から流出する液体の割合によって分離線４８と湿潤線５２間の距離を調節するステップで構成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 液体と気体の界面が、分離線４８と湿潤線５２を接続する表面であり、液体と気体の界面が平坦であることを特徴とする請求項１記載の方法。

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