JP4972794B2 - ロール塗布方法およびロール塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロールを用いて鋼帯等の長尺基材に連続して塗布液を塗布するロール塗布方法およびロール塗布装置に関する。

従来、連続して走行する基材（例えば鋼帯）に耐食性、加工性、美観性、絶縁性等の性能を付与するために、各種の塗膜を基材表面上に形成させる処理を行っている。この処理方法としては、ロールコーター（ロール塗布装置）が一般的に用いられており、ロールを２本用いる２ロールコーター、あるいは３本のロールを用いる３ロールコーターが広く使用されている。特に、３ロールコーターは塗布膜厚の制御性に優れることと、表面外観が比較的美麗であることから、主流のコーティング方式になっている。

この方式の塗布装置（３ロールコーター）は、図４に示すように、塗布液が満たされているコーターパン２より塗布液３をくみ上げるピックアップロール４と、ピックアップロール４によりくみ上げられた塗布液量を調整するミタリングロール５と、調整された塗布液量をピックアップロール４から鋼帯に転写するアプリケーターロール６により構成されている。

各ロールの回転方向は、ロール間の近接点、あるいは密接点において同方向に回転するナチュラル回転の場合と逆方向に回転するリバース回転の場合があるが、一般的にはリバース回転の方が鋼板の表面凹凸に沿った膜厚均一な塗膜面が得られやすいということから、基材表面に凹凸があり、表面凹凸に沿った均一な膜厚を得たい場合には、特にアプリケーターロール６と基材１間ではリバース回転にする場合が多い。また、アプリケーターロール６は基材１の表面に傷を付けないように鋼ロールにゴムをライニングしたゴムロールを用いることが多い。

しかし、３ロールコーターを含むロールコーターの代表的な塗布欠陥として、ローピングと呼ばれる欠陥がある。このローピングは、ロールの周方向の筋模様が鋼板に転写され、膜厚むらとなり外観劣化を起こすものである。ローピングは塗布液体の粘度が高いほど、また、ロール周速が高速ほど発生しやすい傾向にある。特に、鋼板速度が速くなると各ロール周速も速くなるため、ローピングの発生が顕著となる。

ローピングを防止する技術としては、例えば、特許文献１には、ライン速度、アプリケーターロール周速、ピックアップロール周速の比率を特定範囲に制御する技術が開示されている。また、特許文献２には、塗料温度を塗料粘度が最小となる温度近傍に保持する方法が開示されている。さらに、特許文献３には、ライン速度２００ｍｐｍ以上の高速塗布において、ローピングの発生を低減させる方法として、ピックアップロールの周速を２０〜８０ｍｐｍ、かつアプリケーターロールの周速をライン速度以上の２００〜１０００ｍｐｍとして塗布を行う方法が開示されている。

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に開示されている技術では、ライン速度が低速領域ではローピングを防止できても、ライン速度が高速になるとローピング防止効果が不十分となる。ローピングのない均一な外観を得ることができるライン速度は２００ｍｐｍ未満であり、生産性を阻害する要因となり得る。

また、上記特許文献３に開示された方法では、アプリケーターロールの周速を上げていくとアプリケーターロール上のローピングのピッチが細かくなり、鋼板上もローピングが目立ちにくくなるが、アプリケーターロールの周速をライン速度に対して上げすぎると、アプリケーターロールと鋼板とが接触する位置において、塗布液の流れが乱れ、幅方向で局所的に塗布液の界面が振動し、鋼板上に膜厚ムラであるまだら模様を発生させる場合があった。このように、アプリケーターロールの周速を速くすることは、ローピングに対しては有効な手段であるが、新たな塗布外観の劣化要因を作り出すというおそれがある。

なお、上記特許文献１〜３に開示されているいずれの塗布方法においても、塗布後の液膜状態での塗膜厚（ウェット膜厚）は１０μｍ程度である。ウェット膜厚が１０μｍ程度あると、塗布直後の塗膜に凹凸があっても、乾燥する途中でレベリングされるため、膜厚ムラとしては問題ないレベルにまで抑制される。そのため、塗布後のウェット膜厚が１０μｍ程度である場合には、乾燥後における膜厚ムラという問題は顕在化していなかった。
特開２０００−２５４５８０号公報 特開平９−４７７１６号公報 特開平１０−３０９５１２号公報

近年、機能性向上の観点から、乾燥後の膜厚が０.１μｍ未満となるような塗布膜厚の薄膜化が求められている。塗布膜厚を薄膜化するためには、塗膜を基材へ液体状態で塗布する時点で薄膜化する必要がある。

しかし、上記特許文献１〜３に記載のいずれの方法を用いた場合であっても、塗膜を塗布する時点で薄膜化した場合には、乾燥後の膜厚にムラが残ってしまうという問題が発生する。これは、塗膜を塗布する時点での微小な膜厚のムラが、その後のレベリングでも解消されずに、乾燥後も膜厚ムラとして残ってしまうためである。

また、３ロールコーターのピックアップロールは、通常金属製のロール表面にクロムメッキを施したものが用いられているが、アプリケーターロールとの接触による磨耗や塗布液による腐食の影響より膜厚変動が発生するため、ある程度の生産をした後にロール交換しなければならないという問題がある。

そこで、本発明は、高速で連続的に走行する基材に対して、例えば乾燥後の膜厚が０.１μｍ未満といった薄い塗布膜を形成させる場合であっても、基材表面に膜厚ムラが発生するのを防止し、かつ、ピックアップロールの磨耗や腐食の発生を抑制することができるロール塗布方法およびロール塗布装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有する。

［１］ピックアップロールに供給された塗布液の液量を、ミタリングロールで調整し、該調整された液量の塗布液をアプリケーターロールに供給し、該塗布液が供給されたアプリケーターロールを、連続的に走行する基材に接触させて、基材表面に塗布液を塗布する３ロールコーターを用いたロール塗布方法において、
前記ピックアップロールとして、セラミック材からなる外周面の全周にわたり表面に凹凸を有するグラビアロールを用いると共に、
まず、３ロールコーターの基材走行方向の上流側で、少なくともロール１本を有するプレコーターを用いて、基材の塗布液を塗布する面に、前記３ロールコーターで塗布する塗布液と同じ組成の塗布液をプレコートし、続いて、該プレコートした基材上の塗布液が液体の状態において、前記３ロールコーターにより塗布液を基材に塗布することを特徴とするロール塗布方法。

［２］ピックアップロール表面の凹部のセル容積が１０ｃｍ^３／ｍ^２未満であることを特徴とする前記［１］に記載のロール塗布方法。

［３］プレコーターにより塗布する塗布液の液膜の厚みを５μｍ未満とすることを特徴とする前記［１］または［２］に記載のロール塗布方法。

［４］塗布液が供給されるピックアップロールと、該ピックアップロールに供給された塗布液の液量を調整するミタリングロールと、前記液量が調整されたピックアップロールから塗布液を供給され、該供給された塗布液を連続的に走行する基材に塗布するアプリケーターロールとを備えた３ロールコーターと、
該３ロールコーターの基材走行方向の上流側で、基材の塗布液を塗布する面に、前記３ロールコーターで塗布する塗布液と同じ組成の塗布液をプレコートすると共に、該プレコートされた塗布液が液体の状態で前記３ロールコーターに到達する位置に設けられたプレコーターとを備えたロール塗布装置であって、
前記３ロールコーターを構成するピックアップロールは、セラミック材からなる外周面の全周にわたり表面に凹凸を有するグラビアロールであることを特徴とするロール塗布装置。

［５］ピックアップロール表面の凹部のセル容積が１０ｃｍ^３／ｍ^２未満であることを特徴とする前記［４］に記載のロール塗布装置。

本発明によれば、高速で連続的に走行する基材に対して、例えば乾燥後の膜厚が０.１μｍ未満といった薄い塗布膜を形成させる場合であっても、基材表面に膜厚ムラが発生することを防止し、かつ、ピックアップロールの磨耗や腐食の発生を抑制することができるロール塗布方法およびロール塗布装置が提供される。

塗布・乾燥後の膜厚を薄膜化するためには、塗液を希釈する方法が考えられる。しかしながら、希釈しすぎると外観が劣化する場合が多いことが判明し、基材に液体状態で塗布する時点で薄膜化する必要がある。希釈可能な濃度は、処理液種類によって若干差があり、また、界面活性剤等の添加剤有無でも若干の差はあるものの、多くの場合、濃度１％程度以上で塗布した方が膜厚均一性や良好な外観を確保しやすいという結果を得た。そこで、乾燥後の膜厚０．１μｍ未満の皮膜を形成するためには、塗布時の液膜の厚みを３μｍ未満、好ましくは、１μｍ程度まで可能にしておく必要があると考え、塗布方法を鋭意検討した。

本発明の一実施形態を以下に述べる。

図１は、本発明の一実施形態において用いるロール塗布装置を示す図である。図１に示すように、この実施形態において用いるロール塗布装置は、連続して通板される基材１の表面にロールによって塗布液を塗布（転写）するものであり、３ロールコーターＡと、その上流側に配置されたプレコーター（プレコート装置）Ｂを備えている。

３ロールコーターＡは、コーターパン２から塗布液３をくみ上げるピックアップロール４と、ピックアップロール４上の塗布液の液量を調整するミタリングロール５と、調整されたピックアップロール４上の塗布液を基材１に転写するアプリケーターロール６とを備えている。

３ロールコーターＡの各ロール４、５、６の回転方向は、各ロール間、あるいはアプリケーターロール６と基材１間において逆方向であり、ミタリングロール５上には塗布液３をかきとるブレード７が設置されている。

そして、ピックアップロール４には、セラミック材からなる外周面の全周にわたり表面に微細な凹凸を有するグラビアロールを用いている。また、基材１と接触するアプリケーターロール６には、ゴムがライニングされたゴムライニングロールを用いている。

一方、プレコーターＢは、３ロールコーターＡの上流側の位置で予め基材１に塗布液を塗布するものであり、プレコートロール９と、プレコートロール９に塗布液を供給する塗布液供給ロール１０と、塗布液１３が満たされたコーターパン１２とを備えている。

そして、基材１と接触するプレコートロール９には、ゴムが表面にライニングされたゴムライニングロールを用いている。また、塗布液供給ロールロール１０には、金属ロールを用いている。

ここで、コーターパン１２には、３ロールコーターＡで基材１に塗布する塗布液３と同種類の塗布液１３が満たされている。また、プレコーターＢは、プレコーターＢで塗布した基材１上の塗布液１３が液体状態のままで、３ロールコーターＡに到達する位置に配置されている。

そして、上記のように構成されたロール塗布装置を用いて、連続的に走行する基材１に対して、例えば乾燥後の膜厚が０.１μｍ未満となる薄膜を形成する場合には、まず、プレコーターＢによって塗布液１３を基材１に塗布し、続いて、プレコーターＢで塗布した基材１上の塗布液１３が液体状態のままで、その上に３ロールコーターＡによって塗布液３を塗布する。

ここで、前述したように、ピックアップロール４は、外周面を耐磨耗性と耐食性に優れたセラミック材で被覆されたセラミック材被覆グラビアロールであるので、アプリケーターロール６との接触による磨耗や塗布液による腐食を抑止することができる。

そして、ピックアップロール表面の凹部のセル容積（グラビア体積）は１０ｃｍ^３／ｍ^２未満とすることが好ましい。

また、３ロールコーターＡにより塗布する塗布液の液膜の厚みを３μｍ未満とするためには、プレコーターＢにより塗布（プレコート）する塗布液の液膜の厚み（プレコート膜厚）は、５μｍ未満とすることが好ましい。

以下、ピックアップロール４として用いるセラミック材被覆グラビアロールと、３ロールコーターＡおよびプレコーターＢによって塗布する塗布液の液膜の厚みについて詳しく述べる。

ピックアップロール４として用いるセラミック材被覆グラビアロールは、次のようにして製作される。まず、金属製ロール芯の外周部にセラミック材粉末をプラズマ溶射させて所定の厚さのセラミック材層を形成する。次に、セラミック材層の外周面を円筒研磨し、その後、レーザー彫刻によりグラビアパターンを彫刻する。グラビアパターンとしては、多数の斜線型、多角形形状等、特に規定はしない。

次に、３ロールコーターＡにおいて、グラビアロールとしたピックアップロール４の表面の凹部体積（グラビア体積）が薄膜塗布に及ぼす影響について基礎調査を実施した。ピックアップロール４のグラビア形状としては、格子型形状のものを用い、表面の凹部の体積を４．０〜６５ｃｍ^３／ｍ^２の範囲で変化させた際の基材１へ転写される液膜厚について調査を行った。

なお、基材１の走行速度（ライン速度）は１００ｍｐｍで、基材１には板厚０．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を用いた。また、塗布液３には、リン酸系の水系塗料（リン酸化合物とＭｇ化合物とシリカと４価のバナジウム化合物を含有）（濃度３％，液温２０℃での粘度：３ｍＰａ・ｓ，表面張力：４０ｄｙｎ／ｃｍ，皮膜の比重：１．２）を用いた。

図２に、ピックアップロール表面の凹部体積と塗布膜厚（３ロールコーターで塗布後の膜厚）の関係を示す。ここで、塗布液膜厚は、塗布液を塗布し、基材１の表面を乾燥させた後に表面に形成された塗膜の乾燥後膜厚を測定し、その膜厚の測定結果、皮膜比重および塗布液濃度から算出した。

図２に示すように、ピックアップロール表面の凹部体積を１０ｃｍ^３／ｍ^２未満とした場合に、塗布膜厚３μｍ未満となることが明らかとなった。また、ピックアップロール表面の凹部体積を４ｃｍ^３／ｍ^２程度とした場合は、１μｍ程度の薄膜塗布が可能であることが明らかとなった。

次に、プレコーターＢでプレコート（予備塗布）する塗布液の膜厚（プレコート膜厚）と、３ロールコーターＡで塗布した後の塗布液の膜厚との関係について調査した。なお、プレコートなしの状態での膜厚の測定結果が２．６μｍとなる周速条件にて、プレコート膜厚の影響の調査を実施した。

図３に、プレコート液膜厚と３ロールコーターＡで塗布後の液膜厚の関係を示す。

図３に示すように、プレコート膜厚が厚い場合には、アプリケーターロール６と基材１との接触部にて、プレコートされた液膜がすり抜けてしまうため、３ロールコーターＡで塗布した後の膜厚がプレコートを実施しない場合に比べ厚くなってしまう。したがって、３ロールコーターＡにおいて、３μｍ未満の薄膜塗布を実現させるためには、プレコーターＢでプレコートする塗布液の膜厚を５μｍ未満とする必要があることが明らかとなった。

そして、この実施形態に係るロール塗布装置では、図１に示すように、３ロールコーターＡの基材１走行方向の上流側にプレコーターＢを有している。

図４に示すように、プレコーターを有していないロール塗布装置の場合、３μｍ未満の膜厚となる塗布を施した際には、ライン方向に筋状の模様やカスレ（疵）が発生しやすくなる。筋状の模様が発生してしまう理由は、基材１に随伴される空気の流れが、基材１とアプリケーターロール６間のメニスカスに乱れを与えるためであると考えられる。カスレ（疵）が発生する原因としては、塗布する膜厚が３μｍ未満と薄い場合には、基材１表面の凹凸の影響により、凸部へ塗布される液量が極端に薄くなってしまうため、液切れが発生しやすくなるためであると考えられる。したがって、筋模様の発生しない、均一な膜厚を得るためには、基材１に随伴される空気がアプリケーターロール６と基材１とのメニスカスに影響を及ぼさないようにする必要がある。

図１のこの実施形態に係るロール塗布装置で示すように、３ロールコーターＡの基材１走行方向の上流側にプレコーターＢを設置することによって、基材１にプレコートされた塗布液が、アプリケーターロール６と基材１との隙間に流れ込み、基材１に随伴する空気を効果的に遮断する働きをする。これにより、筋状の模様を発生させることなく均一な塗布が可能となった。また、プレコーターＢにてプレコート（予備塗布）を実施することで、鋼板１表面に塗布膜が形成された状態でアプリケーターロール６と接触するため、カスレ（疵）の発生もなくなる。

このようにして、この実施形態においては、高速で連続的に走行する基材１に対して、例えば乾燥後の膜厚が０.１μｍ未満といった薄い塗布膜を形成させる場合であっても、基材表面に膜厚ムラが発生することを防止し、かつ、ピックアップロールの磨耗や腐食の発生を抑制することができる。

なお、上記の実施形態では、通常行われているように、基材１がバックアップロール８に巻きついた状態で基材１の片面に塗布する場合を示しているが、本発明は、基材１を挟んで両面にロールコーターが配置され、バックアップロールを必要としない両面同時塗布の場合にも適用することができる。さらに、基材１の通板方向は水平パスでも垂直パスでも何れでもよい。

また、上記の実施形態では、プレコーターＢとして、２ロールを用いた場合を示しているが、ロールが１本以上であればよく、１ロールコーターや３ロールコーターでもよい。２ロールコーターよりも３ロールコーターの方が膜厚制御性も高く、より有利なため望ましいが、コスト的には高くなる。前述したように、プレコーターＢで塗布する膜厚（プレコート厚）は５μｍ未満であれば最終の膜厚には影響を及ぼさないので、膜厚制御が可能な塗布液供給装置を備えた場合には、１本ロールでも目的を達成することが十分可能である。

また、プレコーターＢでの塗布液の供給方式としては、コーターパン１２から塗布液１３を汲み上げる方式でなくてもよく、ノズルからロールに塗布液を噴射する方式を採用してもよい。

本発明を以下の実施例により詳細に説明する。

本発明例として、板厚０．６ｍｍ、板幅１２００ｍｍの亜鉛メッキ鋼板のコイル（鋼帯）を基材にして、図１に示したロール塗布装置を用いて、表１に記載した塗布条件で塗布を行い、乾燥後の膜厚と塗布外観の調査および塗布時の膜厚の確認を行った。乾燥後の塗布外観の評価は、十分に明るい蛍光灯の下で目視による観察によって行った。使用した塗布液３、１３は、前述のリン酸系水系塗料を種々の濃度に調整して用いた。

ここで、３ロールコーターＡについては、各ロールの材質は、アプリケーターロール６がゴムをライニングしたゴムライニングロール、ピックアップロール４が表面に多数の凹部が形成されているセラミック材被覆グラビアロール、ミタリングロール５がゴムをライニングしたゴムライニングロールを用いた。各ロールのロール径は、アプリケーターロール６とピックアップロール４が３００ｍｍ、ミタリングロール５が２００ｍｍのものを用いた。ミタリングロール５の周速は、塗布膜厚が一定となるように１０〜９０ｍｐｍの範囲で調整した。

また、プレコーターＢについては、各ロールの材質は、プレコートロール９がゴムライニングロール、塗布液供給ロール１０が金属ロールのものを用い、ロール径はいずれも２５０ｍｍのものを用いた。そして、ロールの周速およびニップ圧力を調整することで、所定の塗膜厚（プレコート厚）になるようにした。

これに対して、比較例として、プレコーター（プレコート装置）Ｂを使用しないで、表１に記載した塗布条件で塗布を行った。なお、その他の点は本発明例と同様にした。

表１に結果を示すように、本発明例では、３ロールコーターＡによる塗布時の膜厚が３．０μｍ未満となり、膜厚が０．１μｍ未満の薄膜を均一に塗布することが可能となった。

一方、比較例では、塗布膜厚が３μｍ以上では、カスレは発生しなかったが、薄膜厚を達成するために塗液濃度を低くしていくと、ハジキが発生してくる傾向が見られた。また、塗布膜厚を３μｍ未満とした場合には、カスレが発生し、乾燥後の外観が不良となった。

次に、ピックアップロール４の磨耗、腐食、目詰まりの有無について確認を行った。

本発明例として、ピックアップロール４に、金属ロールにセラミック材を被覆したグラビアロールを用いた場合と、比較例として、ピックアップロール４に、金属ロールにクロムメッキを施したグラビアロールをピックアップロール４に用いた場合とで、板厚０．６ｍｍ、板幅１２００ｍｍの亜鉛メッキ鋼板のコイル（鋼帯）を５０００Ｔ処理した後のそれぞれのロールについて、磨耗、腐食、目詰まりの状況を比較した。

ロールの磨耗の状況については、ロール使用前後でのロール表面粗さを測定することにより、磨耗の有無を確認した。また、腐食および目詰まりの状況については、目視による観察により、腐食および目詰まりの有無を確認した。

表２にそれぞれのロールの確認結果を示す。

表２に示すように、本発明例であるセラミック材被覆グラビアロール（セラミックロール）を用いた場合は、コイル５０００Ｔ処理した後でも、ロールに磨耗、腐食、目詰まりの発生はなかったが、本発明例である金属製のグラビアロール（金属ロール）を用いた場合は、局所的に磨耗が発生し、磨耗した箇所にてロール表面の腐食が発生していた。また、グラビアロールの凹部で目詰まりが生じていた。

なお、この実施例では、基材として亜鉛メッキ鋼板を用いたが、本発明は、特に鋼板に限定されることなく、アルミ等の他の金属板や紙、フィルムにも適用されるものである。

本発明の一実施形態において用いるロール塗布装置を示す側面図である。 ピックアップロール表面の凹部体積と塗布後の膜厚の関係を示す図である。 プレコート膜厚と３ロールコーターで塗布後の膜厚の関係を示す図である。 従来のロール塗布装置を示す側面図である。

符号の説明

Ａ ３ロールコーター
Ｂ プレコーター
１ 基材
２ コーターパン
３ 塗布液
４ ピックアップロール
５ ミタリングロール
６ アプリケーターロール
７ ブレード
８ バックアップロール
９ プレコートロール
１０ 塗布液供給ロール
１２ コーターパン
１３ 塗布液

Claims (5)

1. ピックアップロールに供給された塗布液の液量を、ミタリングロールで調整し、該調整された液量の塗布液をアプリケーターロールに供給し、該塗布液が供給されたアプリケーターロールを、連続的に走行する基材に接触させて、基材表面に塗布液を塗布する３ロールコーターを用いたロール塗布方法において、
   前記ピックアップロールとして、セラミック材からなる外周面の全周にわたり表面に凹凸を有するグラビアロールを用いると共に、
   まず、３ロールコーターの基材走行方向の上流側で、少なくともロール１本を有するプレコーターを用いて、基材の塗布液を塗布する面に、前記３ロールコーターで塗布する塗布液と同じ組成の塗布液をプレコートし、続いて、該プレコートした基材上の塗布液が液体の状態において、前記３ロールコーターにより塗布液を基材に塗布することを特徴とするロール塗布方法。
2. ピックアップロール表面の凹部のセル容積が１０ｃｍ^３／ｍ^２未満であることを特徴とする請求項１に記載のロール塗布方法。
3. プレコーターにより塗布する塗布液の液膜の厚みを５μｍ未満とすることを特徴とする請求項１または２に記載のロール塗布方法。
4. 塗布液が供給されるピックアップロールと、該ピックアップロールに供給された塗布液の液量を調整するミタリングロールと、前記液量が調整されたピックアップロールから塗布液を供給され、該供給された塗布液を連続的に走行する基材に塗布するアプリケーターロールとを備えた３ロールコーターと、
   該３ロールコーターの基材走行方向の上流側で、基材の塗布液を塗布する面に、前記３ロールコーターで塗布する塗布液と同じ組成の塗布液をプレコートすると共に、該プレコートされた塗布液が液体の状態で前記３ロールコーターに到達する位置に設けられたプレコーターとを備えたロール塗布装置であって、
   前記３ロールコーターを構成するピックアップロールは、セラミック材からなる外周面の全周にわたり表面に凹凸を有するグラビアロールであることを特徴とするロール塗布装置。
5. ピックアップロール表面の凹部のセル容積が１０ｃｍ^３／ｍ^２未満であることを特徴とする請求項４に記載のロール塗布装置。

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