JP5266722B2 - ダイヘッド、塗布装置、光学フィルムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スロットダイコート方式を用いた光学用フィルムの製造において、気泡により欠陥が発生することを回避し、欠陥無き面状を得るダイヘッド、塗布装置、光学フィルムの製造方法に関する。

多くの場合、光学用フィルムは、グラビアコート方式やスロットダイコート方式を用い製造される。
グラビアコート方式は塗液が大気に触れることのあるオープン系であることから、塗液の成分比が変化する異物が混入する等して、塗液の劣化が懸念される。塗液の劣化は、形成される塗膜面に欠陥をもたらす。
これに対し、ダイコート方式は、マニホールドおよびスロットからなるダイヘッドより所定の塗液を吐出させ、ダイ先端にてビードを形成し基材上に塗膜を形成するため、塗液タンクから塗布までの間、塗液を大気に触れさせることなく塗布を行えるクローズド系であることから、塗液の劣化を回避することができる。
スロットダイコート方式では塗液劣化の問題は回避することはできるものの、スロットダイコート方式特有の問題は存在する。例えば、マニホールドおよびスロット内に存在する気泡が挙げられる。気泡の存在により、塗出不良やビード形状に異常をもたらし、塗布欠陥を引起す。塗液をダイヘッド内に充填する際に空気が残ってしまう場合、及び塗液中に混入した気泡が吐出されずに残ってしまう場合がある。
ダイヘッド内に存在する気泡を速やかに除去する方法として、ダイヘッドのマニホールド端部に空気抜きを設ける方法（特許文献１）、吐出口を垂直方向上方に向けて空気抜き作業を行う方法（特許文献２）、マニホールドとスロットを接続する角度を鈍角にする方法（特許文献３）が提案されている。
特許第２５５７５８２ 特開平９−２５３５５６ 特開平１０−１４６５５６

しかしながら、スロットダイ方式では、マニホールドが水平に設置されているためマニホールド端部から気泡を完全に抜き出すことはできない。
また、マニホールド形状は一般的に、半円形、矩形の断面形状を有するものが用いられ、マニホールドとスロットの接続する部分の角には気泡が滞留し、滞留した気泡をマニホールド端部に移動させ外部に排出することは困難である。
吐出口を垂直方向上方に向ける方法は、マニホールドとスロットの接続部に滞留する気泡を減少させる効果はあるが、完全に除去することは困難である。
塗布を実施する際には、垂直方向上方に向けた吐出口を水平方向または斜め方向に向け直す必要があり、装置の機構が複雑かつ塗布精度を低下させる問題および塗布途中に気泡が発生した場合には気泡をマニホールド内に存在させ続けることになる問題を抱える。
マニホールドとスロットを接続する角度を鈍角にする方法は、マニホールドとスロット接続角度を１００〜１４０度に規定するものの、速やかに気泡を除去することや完全に気泡を除去することは困難である。
本発明は、マニホールド内の気泡を速やかに除去し、気泡を原因とした塗布欠陥がない塗布膜を得るダイヘッド、塗布装置、光学フィルムの製造方法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、請求項１記載の発明は、第１の平面とこの第１の平面に対向する第１の面とで形成され塗液が供給されるマニホールドと、 前記第１の平面の延長面である第２の平面とこの第２の平面に対向する第３の平面とで形成され前記マニホールドに塗液入り口を介して接続されたスロットと、前記スロットの先端に形成された吐出口とを備えたダイヘッドであって、前記塗液入り口に連なる前記第１の面と前記第３の平面との接続部は曲面で形成され、前記マニホールドから前記第１の平面に沿って前記吐出口に向かう方向に延在するＸ軸の座標Ｘを前記マニホールドからの距離とし、前記第１の平面と直交する方向に延在するＹ軸の座標Ｙを前記第２の平面と前記曲面との間の隙間の寸法とし、Ａ、Ｂを任意の係数とした場合、前記曲面の断面曲線が、式Ｙ＝Ａ／（Ｘ＋Ｂ）を満たすことにより、前記マニホールドからの距離である座標Ｘが増加するにしたがい前記隙間の寸法である座標Ｙが減少するように、前記曲面が、前記マニホールドから前記スロットに向けて流動する前記塗液中の気泡を塗液の流動方向に細長く伸張変形させる双曲線形状に形成されていることを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のダイヘッドにおいて、前記Ａ、Ｂは正の数で、Ａ／Ｂ＞１、Ａ＜１の範囲であり、前記接続部におけるＸ軸方向の平均流速Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、Ｘ軸方向に沿った単位奥行きにおける流量をＱ［ｍｍ ^２ ／ｓ］とした場合、Ｖ＝Ｑ／Ｙ＝Ｑ（Ｘ＋Ｂ）／Ａで求められ、さらに、平均流速ＶをＸで微分して前記接続部に伸張速度が存在する流れ場を生じさせることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のダイヘッドを備えることを特徴とする塗布装置である。
また、請求項４記載の発明は、請求項１または２記載のダイヘッドを用いて塗液を基材に塗布することで光学用フィルムを製造することを特徴とする光学フィルムの製造方法である。

本発明者らは、スロットダイコート方式においてマニホールドとスロットの接続部の流れ場を制御することにより、ダイヘッド内の気泡を速やかに排出できることを発見した。
すなわち、本発明のダイヘッド、塗布装置及び光学フィルムの製造方法によれば、曲面の断面曲線が、Ｙ＝Ａ／（Ｘ＋Ｂ）を満たすことで、曲面を、マニホールドからの距離である座標Ｘが増加するにしたがい前記隙間の寸法である座標Ｙが減少する双曲線形状に形成し、これにより、接続部における塗液の流れ場を一定の伸張流動場とすることで、マニホールドからスロットに向けて流動する塗液中の気泡が塗液の流動方向に細長く伸張変形されるため、気泡はスロットを通過しやすい細長い形状となり、スロット入り口付近で滞留することがなくなり、マニホールド内の気泡が速やかに除去され、気泡を原因とした塗布欠陥がない塗布膜を得ることができ、かつ気泡起因の欠陥を解消した面性が良好な光学フィルムを製造することができた。

本発明の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）にスロットダイコート方式の塗布部概略を示す。
スロットダイコート方式では、マニホールド１２およびスロット１４を備えたダイヘッド１０から塗液を吐出し、走行する基材２に塗布する。図中、符号４はダイヘッド１０の架台、符号６は基材２が掛け回されるコーティングロールである。

図２（Ａ）、（Ｂ）はダイヘッドの一般的な形態を示す断面図、図３はダイヘッドの一般的な形態を示す斜視図である。
図２、図３において、符号１６はマニホールド１２に塗液を供給する塗液供給路、符号１８は塗液を吐出する吐出口を示す。
ダイヘッド１０に備わるマニホールド１２は、その断面形状が半円形、矩形または両者を組み合わせた形状が利用され、マニホールド１２とスロット１４が直接接続されている。
言い換えると、マニホールド１２とスロット１４の接続部分に、平面同士が交差する角部、あるいは、平面と曲面とが交差する角部が形成されている。

図４（Ａ）、（Ｂ）は本発明のダイヘッド１０の断面図である。
ダイヘッド１０は、マニホールド１２と、スロット１４と、吐出口１８とを備えている。
マニホールド１２は、塗液供給路１６（図３）を介して塗液が供給されるものであり、第１の平面１２Ａとこの第１の平面１２Ａに対向する第１の面１２Ｂとで形成されている。第１の面１２Ｂは、図４（Ａ）に示すように曲面（円筒面）で形成され、あるいは、図４（Ｂ）に示すように平面で形成されている。

スロット１４は、第１の平面１２Ａの延長面である第２の平面１４Ａと、この第２の平面１４Ａに対向する第３の平面１４Ｂとで形成され、マニホールド１２に接続されている。

吐出口１８は、スロット１４の先端に形成され、マニホールド１２からスロット１４を介して供給される塗液を吐出するものである。

図５はマニホールド１２とスロット１４の接続部分の説明図である。
図４（Ａ）、（Ｂ）、図５に示すように、第１の面１２Ｂと第３の平面１４Ｂとは曲面２０で接続されている。また、第１の平面１２Ａと第２の平面１４Ａは一つの平面をなしている。
図６はマニホールド１２とスロット１４の接続部分のより詳細な説明図である。
図６に示すように、マニホールド１２から第１の平面１２Ａに沿って吐出口１８に向かう方向に延在するＸ軸の座標をＸとし、第１の平面１２Ａと直交する方向に延在するＹ軸の座標をＹとし、Ａ、Ｂを任意の係数とした場合、曲面２０の断面曲線は下記の式（１）を満たしている。
Ｙ＝Ａ／（Ｘ＋Ｂ）・・・・・（１）
なお、図６において符号Ｏは、式（１）におけるＸ＝０、Ｙ＝０の位置、すなわちゼロ点を示している。
Ｘ＝０は、曲面２０と第１の面１２Ｂのとの接続位置であり、Ｙ＝０は第１の平面１２Ａの位置である。
式（１）のＸは、マニホールド１２とスロット１４の位置を表し、マニホールド１２からの距離である。
式（１）のＹは、マニホールド１２とスロット１４との間の接続領域（接続部）の隙間の寸法（平面１２Ａ、１４Ａと直交する方向における平面１２Ａ、１４Ａと曲面２０との間の隙間）を表す。

式（１）を満たす曲面２０は双曲線形状を呈している。
曲面２０が双曲線形状を呈していると、マニホールド１２とスロット１４との間の接続部における塗液の流れ場を一定の伸張流動場とすることができる。
このように塗液の流れ場を一定の伸張流動場とすると、マニホールド１２内の気泡に対して効果的な変形、すなわち、図７に示すように、気泡が塗液の流れる方向に沿った細長い形状となるような変形を与えることができ、これにより気泡８をマニホールド１２内にとめることなくスリット１４から吐出口１８を介して速やかに排出させることができ、気泡起因のスジ状欠陥が無い良好な面を得る上で有利となる。

ここで、曲面２０にて形成される接続部における速度場を考える。
単位奥行きにおける流量をＱ［ｍｍ^２／ｓ］とすると、曲面２０にて形成される接続部におけるＸ方向の平均流速Ｖ［ｍｍ／ｓ］は式（２）で求めることができる。
Ｖ＝Ｑ／Ｙ＝Ｑ（Ｘ＋Ｂ）／Ａ・・・・・（２）
平均流速ＶをＸで微分すると、式（３）となり、流量Ｑ及びＡで定義される値となる。
ｄＶ／ｄＸ＝Ｑ／Ａ・・・・・（３）
ｄＶ／ｄＸは、ひずみ速度または伸張速度と呼ばれる。
伸張速度が存在する流れ場では、流体要素は伸張変形を受けＸ方向に伸張される。
伸張流動場中に気泡が存在すると、流体要素の変形に従い気泡もＸ方向に伸張される。
これにより、気泡はスロットを通過しやすい細長い形状となり、スロット入り口付近で滞留することがなくなる。
本発明で定義されるように、曲面２０が双曲線形状であると伸張速度を一定とすることができ、気泡を安定的に伸張変形させることができる。

また、式（１）における係数Ａ及び係数Ｂはスロット１４の間隙（第２の平面１４Ａと第３の平面１４Ｂとの間隙）、塗液粘度、マニホールド１２の形状に従い設定する。
光学フィルムを製造する場合、スロット１４の間隙は５０μｍ〜２００μｍで設定されることが多い。また、粘度は０．００１〜０．０３Ｐａ・ｓの範囲であることが多い。
このような条件では、Ａ／Ｂ＞１でありＡ＜１であることが好ましい。以下にその理由について述べる。
スロット入り口付近に滞留する気泡の大きさは、スロット間隙と同等から２倍程度の大きさであることが多い。このような気泡に伸張変形を与え、短軸の大きさをスリット幅より小さくする、好ましくは半分程度にすると、スロット入り口に滞留しなくなる。
気泡の変形形状は、伸張流動で発生する応力と、気泡の界面張力、気泡内の圧力の釣りあいで決まる。
伸張応力は伸張速度に比例する。気泡に十分な伸張変形を与えるためには、伸張応力をある程度大きくする必要がある。液の伸張粘度、表面張力により必要とされる伸張応力、さらには伸張速度は異なるが、おおむね伸張速度ｄＶ／ｄＸは１００［１／ｓ］より大きいことが好ましい。
伸張速度ｄＶ／ｄＸを１００［１／ｓ］より大きくすることにより気泡に十分な伸張変形を与えることができる。その一方ではＱの範囲としては１００〜１０００［ｍｍ^２／ｓ］が想定される。したがって、少なくともＡ＜１であることが好ましい。なお、伸張速度ｄＶ／ｄＸは１０００［１／ｓ］より大きいことがさらに好ましい。
また、本発明では伸張流動場を利用するが、伸張流動場に気泡が到達しないことも想定される。
曲面２０で形成される接続部の開口度が小さいと、スロットの入り口で気泡が滞留する現象と同様の機構で、接続部入り口で気泡が滞留する。
十分な開口度を確保するためには、Ｘ＝０でのＹ値であるＡ／Ｂは、１ｍｍから１０ｍｍ程度であることが好ましい。１ｍｍ以下では、接続部入り口で気泡の滞留を発生させる危険性が高い。また、１０ｍｍ以上では、マニホールドの形状次第であるが、マニホールドの隙間と同等になる可能性が高く、マニホールドの流動により正確な伸張流動を発生できない危険性がある。
そのような観点から、少なくともＡ／Ｂ＞１であることが好ましい。さらには、Ａ／Ｂ＜１０であることがさらに好ましい。

（実施例）
本発明の実施例について説明する。
バインダマトリクス形成材料として紫外線硬化型樹脂であるアクリルモノマー（ペンタエリズリトールアクリレート）８５重量部、光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティケミカルズ製）５重量部、溶媒としてトルエン１００重量部を混合した中に、平均粒子系５μｍのシリカ粒子１０重量部を分散させた塗液を準備した。
固形分濃度５０％、固形分中の粒子濃度を１０％に調整した。この時、塗液の粘度は０．００５Pa・ｓであった。
また、塗布を行うウェブ基材として膜厚８０μｍのトリアセチルセルロース（以下、TＡC）フィルムを用意した。
直径２０ｍｍの半円形状のマニホールド、Ｙ＝０．９／（Ｘ＋０．３）かつＸの最大値４．２ｍｍのマニホールドとスロットの接続領域、スロット間隙２００μｍのダイヘッド１０を用意した。ダイヘッド１０に塗布流量にて前記塗液を５分間供給した後、塗布を実施した。
得られた防眩フィルム（光学フィルム）の面性を目視にて確認を行い、気泡起因の欠陥は存在しなかった。

（比較例）
直径２０ｍｍの半円形状のマニホールドと２００μｍのスロットを直接接続したダイヘッドを用意した。
ダイヘッドに塗布流量にて実施例と同じ塗液を５分間供給した後、塗布を実施した。
得られた防眩フィルムの面性を目視にて確認を行い、気泡起因の欠陥が幅１m当たり、４箇所存在した。

（Ａ），（Ｂ）はスリットダイコート方式の塗布部概略を示す説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はダイヘッドの一般的な形態を示す断面図である。 ダイヘッドの一般的な形態を示す斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は本発明のダイヘッド１０の断面図である。 マニホールド１２とスロット１４の接続部分の説明図である。 マニホールド１２とスロット１４の接続部分のより詳細な説明図である。 気泡の変形過程を示す説明図である。

符号の説明

１０……ダイヘッド、１２……マニホールド、１２Ａ……第１の平面、１２Ｂ……第１の面、１４……スロット、１４Ａ……第２の平面、１４Ｂ……第３の平面、１８……吐出口、２０……曲面。

Claims (4)

1. 第１の平面とこの第１の平面に対向する第１の面とで形成され塗液が供給されるマニホールドと、
   前記第１の平面の延長面である第２の平面とこの第２の平面に対向する第３の平面とで形成され前記マニホールドに塗液入り口を介して接続されたスロットと、
   前記スロットの先端に形成された吐出口とを備えたダイヘッドであって、
   前記塗液入り口に連なる前記第１の面と前記第３の平面との接続部は曲面で形成され、
   前記マニホールドから前記第１の平面に沿って前記吐出口に向かう方向に延在するＸ軸の座標Ｘを前記マニホールドからの距離とし、前記第１の平面と直交する方向に延在するＹ軸の座標Ｙを前記第２の平面と前記曲面との間の隙間の寸法とし、Ａ、Ｂを任意の係数とした場合、
   前記曲面の断面曲線が、式Ｙ＝Ａ／（Ｘ＋Ｂ）を満たすことにより、前記マニホールドからの距離である座標Ｘが増加するにしたがい前記隙間の寸法である座標Ｙが減少するように、前記曲面が、前記マニホールドから前記スロットに向けて流動する前記塗液中の気泡を塗液の流動方向に細長く伸張変形させる双曲線形状に形成されている、
   ことを特徴とするダイヘッド。
2. 前記Ａ、Ｂは正の数で、Ａ／Ｂ＞１、Ａ＜１の範囲であり、前記接続部におけるＸ軸方向の平均流速Ｖ［ｍｍ／ｓ］は、Ｘ軸方向に沿った単位奥行きにおける流量をＱ［ｍｍ ^２ ／ｓ］とした場合、式Ｖ＝Ｑ／Ｙ＝Ｑ（Ｘ＋Ｂ）／Ａで求められ、さらに、平均流速ＶをＸで微分して前記接続部に伸張速度が存在する流れ場を生じさせる、
   ことを特徴とする請求項１記載のダイヘッド。
3. 請求項１または２記載のダイヘッドを備えることを特徴とする塗布装置。
4. 請求項１または２記載のダイヘッドを用いて塗液を基材に塗布することで光学用フィルムを製造することを特徴とする光学フィルムの製造方法。

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