JP5849780B2 - 基材への塗布方法 - Google Patents

Description

本発明は、基材に多層の塗布液を塗布処理する塗布方法に関するものである。

従来、連続して走行する基材、例えば鋼板に、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。この処理ではロールコーター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、主流の塗布処理方式になっている。３ロールコーターは、図６に示すように塗布液が満たされているコーターパン１０より塗布液をくみ上げるピックアップロール１１とピックアップロール１１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１２と、調整された塗布液をピックアップロール１１から基材１に転写するアプリケーターロール４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比較的平滑な塗膜面が得られやすいということから、アプリケーターロール４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４は基材１の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ている。

また、近年、高耐食性、高導電性など、機能性向上の観点から、基材上に形成される塗膜の設計において、多層の塗膜が求められる場合がある。多層の塗膜を形成するための多層の塗布液の塗布方法としては、複数のスリットから塗布液を供給し、カーテン状に垂らすカーテンコーター方式や、複数のスリットを設けたスリットダイから基材とのギャップを一定に保った状態で多層塗膜を塗布するダイコーター方式がある。（特許文献１、特許文献２）
しかしながら、カーテンコーターの場合、塗布液の塗布液物性（粘度、表面張力）によりカーテンを形成できる最小液流量が決まるため、多層状態で基材へ薄膜塗布するためには基材の搬送速度を速くする必要がある。しかしライン速度を速くすることで空気同伴などに起因する塗布ムラが引き起こされ薄膜塗布は困難となる。
ダイコーター方式を用いた場合、薄膜化させるためには、基材と塗布液を供給するダイコーターとのギャップを所望する膜厚程度まで近接化させる必要があり、ガラス基板等の平滑な基材であれば近接化は可能であるが、連続して走行する鋼板などの場合、幅方向、長手方向とも形状変動が発生するためダイの近接化は困難である。また、連続ラインにおいては鋼板の板厚も常に変更されるため基材とダイとのギャップを一定に保持することは困難である。また、通常スリットダイを適用して基材へ塗布を行う場合、基材のエッジ部の影響を排除するためスリットの幅は基材に比べ狭く設定されるため鋼板への適用を考慮した場合、全幅に亘っての塗布液の塗布困難となるため歩留まり悪化を招く恐れがある。

ロールコーター単独で多層の塗布液の塗布処理を行う場合、１層目の塗布液が未乾燥状態のまま２層目の塗布液を塗ると１層目はかきとられてしまい積層状の塗膜を形成することができない。そのため、１層目の塗布液を塗布後に乾燥過程を経て２層目の塗布液を塗布する必要がある。しかし、その場合、塗布工程と乾燥工程が２度必要となり、ランニングコストが増大する。

特許第4598493号公報 特開2004-160274号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ロールコーターを用いて多層の塗布液を連続的に走行する基材に塗布する際に、高速に薄膜で美麗に塗布することができる基材への塗布方法を提供することを目的とする。

本発明は、その要旨は以下のとおりである。
［１］スリットダイにより、回転する中間ロールへ多層の塗布液を供給し、次いで、前記中間ロールより、回転するアプリケーターロールへ前記多層の塗布液を転写し、次いで、前記アプリケーターロールを連続的に走行する基材と接触させて前記多層の塗布液を基材へ転写するにあたり、前記中間ロールは、アプリケーターロールとの接触部においてアプリケーターロールと逆方向に回転し、前記アプリケーターロールは、基材との接触部において基材と逆方向に回転し、前記スリットダイにより供給する多層の塗布液は、最下層を形成する塗布液のウェット膜厚h1、上層を形成する塗布液のウェット膜厚h2、前記スリットダイと前記中間ロールの間のギャップをGとした場合、0.15≦h1/G≦0.70かつ0.10≦h2/G≦0.60かつ0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90となることを特徴とする基材への塗布方法。
［２］前記中間ロールの回転速度をＶ_１、前記アプリケーターロールの回転速度をＶ_２とする場合、０．６≦Ｖ_１／Ｖ_２≦２．５であることを特徴とする前記［１］に記載の基材への塗布方法。
［３］前記中間ロールは金属ロールを用い、前記アプリケーターロールは金属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を特徴とする前記［１］または［２］に記載の基材への塗布方法。

本発明によれば、多層の塗布液をロールコーターを用いて高速に薄膜で美麗に基材へ塗布することができる。

本発明の一実施形態に係る塗布装置の側面図である。 本発明の他の実施形態に係る塗布装置の側面図である。 本発明の実施形態に係るスリットダイおよび中間ロールの拡大図である。 従来の一実施形態に係る塗布装置の側面図である。 従来の他の実施形態に係る塗布装置の側面図である。 従来の他の実施形態に係る塗布装置の側面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、連続して通板される基材の片面または両面に、スリットダイから供給された多層の塗布液を複数本のロールを介して塗布する方法である。
図１は、本発明の基材への塗布方法の一実施形態を示す。図１において、１は基材、２はスリットダイ、３は中間ロール、４はアプリケーターロール、５はブレード、６は塗布液回収タンク、７は吸引装置、８はバックアップロールである。図1によれば、多層の塗布液は、スリットダイ２から中間ロール３へ供給され、次いで、中間ロール３を介してアプリケーターロール４へ転写され、基材１へと転写、塗布される。中間ロール３は、表面が鏡面加工されたフラット形状のロールを用いている。また、中間ロール３は、アプリケーターロール４との接触部においてアプリケーター４と逆方向に回転し、アプリケーターロール４は、基材１との接触部において基材１と逆方向に回転する。
また、アプリケーターロール４に転写されず中間ロール３に残った塗布液を除去するために、中間ロール３上にはブレード５が設置されている。

これまで多層の塗布液を同時に塗布する方法の検討は、カーテンダイやスリットダイを用いて基材に直接塗布するものに関して数多く行われてきたが、ロールを介して塗布する試みはなかった。これは、ロールからロールまたは基材に多層の塗布液を転写する際に、多層の塗布液の積層状態を維持し基材上に積層状の塗膜を形成するのが難しいとされているためである。そこで、発明者らは、既定概念にとらわれることなくロールによる多層の塗布液の塗布方法を検証した。その結果、スリットダイからロールへ転写される際の各層の膜厚を適正範囲に制御し、かつ、各ロールの回転方向を各ロール間、あるいはアプリケーターロールと基材間において逆方向にすれば、多層の塗布液の積層状態が維持できることを見出した。すなわち、図１においては、中間ロール３は、アプリケーターロール４との接触部においてアプリケーターロール４と逆方向に回転し、アプリケーターロール４は、基材１との接触部において基材１と逆方向に回転することで、多層の塗布液の積層状態が維持され基材上に積層状の塗膜を形成することができる。

さらに、上記図１にて、多層の液膜形成が可能なスリットダイと中間ロール間における均一塗布条件について基礎調査を実施した。スリットダイ２のノズル出口における開口部の長さ（隙間）は上層、下層ともに50[μm]、スリットダイ２の先端部と中間ロール３との間のギャップ（以下、Ｇ[μｍ]と称することもある）を50[μm]に設定した。また、塗布液は上層、下層とも5[mPa・s]の水系塗料を用いた。基材のライン速度は100[mpm]で、基材には板厚0.6[ｍｍ]の亜鉛メッキ鋼板を用いた。中間ロール３とアプリケーターロール４の速度はそれぞれ、50[ｍｐｍ]、100[ｍｐｍ]に設定した。スリットダイ２への塗布液の供給は定量ポンプを用い、上層と下層のそれぞれ別の塗布液供給タンクから塗布液を供給した。スリットダイ２の上流部には吸引装置７を設置し、吸引装置７で吸引された塗布液を回収する回収タンク６を設置した。下層を形成する塗布液のウェット膜厚h1[μｍ]、上層を形成する塗布液のウェット膜厚h2[μｍ]をそれぞれ種々変更し、スリットダイ２と中間ロール３間、中間ロール３表面、アプリケーターロール４表面、および基材１（鋼板）表面上の外観を目視により確認した。
h1/G＋h2/G＜0.60の場合には、スリットダイ２と中間ロール３間のメニスカス部で気泡の巻き込みが顕著に発生し、中間ロール３上での液膜が不均一になっていることを確認した。0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90の範囲では、スリットダイ２と中間ロール３間のメニスカス部が安定し、中間ロール３上、アプリケーターロール４上および基材１（鋼板）上でそれぞれ均一な液膜状態が確認された。h1/G＋h2/G＞0.90とした場合には、吸引装置７の回収タンク６への液漏れが発生しスリットダイ２から中間ロール３への塗布液供給が過多となっていることが確認されるとともに、各ロール表面上、基材１（鋼板）表面上の液膜状態が不均一になっていることが確認された。また、0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90の範囲であっても、0.15＞h1/Gの場合には、スリットダイ２と中間ロール３のメニスカス部上流側で空気同伴と呼ばれる塗布欠陥が発生し、各ロール表面上、基材１（鋼板）表面上で気泡の存在が確認された。また、0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90の範囲で、0.10＞h2/Gの場合、上層のウェット膜厚が薄膜化することによりスリットダイ２と中間ロール３に形成されるメニスカス部下流側で空気の巻き込みが発生することによって外観不良となることが確認された。さらに、0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90の範囲で0.70＜h1/Gの場合には、下層の塗布液供給量過多となり、吸引装置７下部に設置した回収タンク６への液漏れが確認されるとともに、各ロール表面上、鋼板表面上で外観不均一が確認された。0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90の範囲で0.60＜h2/Gの場合には、上層の供給量が過多となり、スリットダイ２と中間ロール３間のメニスカス部下流側の塗布液がスリットダイ２の先端部から溢れ出し中間ロール３表面上で不均一な液膜状態となっているのが観察された。
以上の結果から、複数の塗布液をスリットダイ２から中間ロール３へ塗布する際にスリットダイ２と中間ロール３間のメニスカス部を安定化するための条件範囲としては、下層を形成する塗布液のウェット膜厚h1、上層を形成する塗布液のウェット膜厚h2、スリットダイ２と中間ロール３の間のギャップをGとした場合、0.15≦h1/G≦0.70かつ0.10≦h2/G≦0.60かつ0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90となることが明らかとなった。なお、多層の塗布液が3層以上の場合は、下層とは最下層であり、上層とは最下層の上に形成される層である。

また、中間ロールの回転速度をＶ_１[ｍｐｍ]_、前記アプリケーターロールの回転速度をＶ_２[ｍｐｍ]とする場合、０．６≦Ｖ_１／Ｖ_２≦２．５が好ましい。
スリットダイから中間ロールへ塗布された多層状態の塗布液が中間ロールとアプリケーターロール間において外観が均一となるロールの回転速度の条件範囲について調査を行った。ここで、ロールコーターにおける代表的な塗布欠陥として、ロールの周方向の筋模様が、基材に転写され、膜厚むらとなり外観劣化となる場合がある。膜厚むらは塗布液体の粘度が高いほど、また、ロール回転速度が高速ほど発生しやすい傾向にある。膜厚むらの発生条件は主に各ロールの回転速度、押し付け圧、塗布液の物性値（粘度、表面張力）に依存されるが、高速塗布では、ライン速度に合わせてアプリケーターロールの回転速度も速くなり、必然的に各ロールの回転速度が速くなるために、膜厚むらの発生は避け難くなる。本発明の塗布方法においても膜厚むらは中間ロールとアプリケーターロールの間で発生する可能性がある。そこで、種々の実験による検討を行った。その結果、中間ロールの回転速度を上げていくと、アプリケーターロール上の膜厚むらの発生が回避され、中間ロールの回転速度をＶ_１、前記アプリケーターロールの回転速度をＶ_２とした場合、０．６≦Ｖ_１／Ｖ_２では膜厚むらの発生がなく均一な塗布条件が得られることが明らかとなった。しかし、Ｖ_１／Ｖ_２＞２．５場合には、膜厚むらの発生が顕著となり多層状態を保ったまま塗布液を基材へ塗布することが困難になるとともに、基材上でスジ状の模様が発生した。また、０．６＞Ｖ_１／Ｖ_２の場合には中間ロールとアプリケーターロールのメニスカス部で周期的な振動が発生することが確認され、アプリケーターロール上および鋼板表面上で不均一な塗膜状態が確認された。以上より、中間ロールの回転速度をＶ_１、前記アプリケーターロールの回転速度をＶ_２とする場合、０．６≦Ｖ_１／Ｖ_２≦２．５が好ましい。
良好な積層状構造を維持し、上層に形成する塗布液の物性の影響を受けずに安定塗布するためには速度比を０．６≦Ｖ₁／Ｖ₂≦１．２とすることがさらに好ましい。なお、上記中間ロールの回転速度およびアプリケーターロールの回転速度とはロール周速である。

また、アプリケーターロールの回転速度をＶ_２、基材の走行速度をＶ_３とした場合、０．７≦Ｖ_２／Ｖ_３≦１．４とするのが好ましい。アプリケーターロールと基材間においても中間ロールとアプリケーターロール間同様に、０．７＞Ｖ_２／Ｖ_３の場合に膜厚むらが顕著に現れる。０．７≦Ｖ_２／Ｖ_３になると、液膜状態が均一化し良好な外観が得られる。しかし、Ｖ_２／Ｖ_３＞１．４となると、中間ロールとアプリケーターロール間で発生する膜厚むらが避けられなくなり外観が劣化する。

また、ライン速度に対してアプリケーターロールの回転速度が１.４倍を超えると、基材とアプリケーターロール間の塗布液の液溜りが振動を起こしやすく、塗布ムラとなりやすいため、アプリケーターロールの回転速度はライン速度の１．４倍以下にすることが好ましい。

中間ロールは金属ロールを用い、前記アプリケーターロールは金属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好ましい。中間ロールは金属ロールを用いることでロール表面の磨耗を考慮することなく、スリットダイから供給された塗布液を安定してロール表面へ転写することが可能である。一方、アプリケーターロールはゴムロールを用いることにより、鋼板表面の微小な凹凸の影響を弾性変形により吸収でき外観ムラや付着量変化を軽減できる。ゴムライニング厚は5〜40mm程度が好ましい。またゴム硬度は40Ｈｓ〜80Ｈｓ程度が好ましい。

また、スリットダイにより塗布液を供給される中間ロールには、かきとり用のブレードなどかきとり装置を設け、転写されず残った多層の塗布液を中間ロールから除去することができる。これは中間ロールに転写されずに残った塗布液が、スリットダイでの塗布部に再度供給されると、塗布液のメニスカス形状を乱し安定塗布の妨げになるからである。また、中間ロールに加えてアプリケーターロールにもかきとり装置を設置することもできる。かきとり装置は塗布液がかきとれればどのようなものでも良く、例えば、ブレードを設置する方法が簡易である。ブレードの素材は金属でもゴムでも良く均一なかきとりが実施できればよい。

なお、基材はバックアップロールに巻きついた状態で塗布されるのがよく用いられる方法ではあるが、本発明は、基材を挟んで両面にロールコーターが配置されているバックアップロールを必要としない両面同時塗布にも適用される。

図２は、本発明の基材への塗布方法の他の実施形態を示す。図２においては、中間ロール３を設けておらず、他の符号は図1と同様である。図２によれば、スリットダイ２からアプリケーターロール４へ多層の塗布液が供給され、次に基材１へと転写、塗布される。また、アプリケーターロール４は、基材１との接触部において基材１と逆方向に回転する。塗布対象となる基材の量が少量の場合は、図２に示すようにスリットダイ２から直接アプリケーターロール４へ転写する方式も適用可能である。しかしながら、基材が大量となり連続塗布が必要な場合には、アプリケーターロール４が磨耗してロール表面が不均一形状となってしまい塗布欠陥が発生する場合がある。そのため連続運転での大量生産を実施する場合には、図１の実施形態が好ましい。

図３は、スリットダイ２と中間ロール３の拡大図である。スリットダイ２は、例えば２層の塗布液を基材に塗布する場合、図３に示すように各々の液を供給する２本の塗布液供給部２ａ、２ｂと、塗布液供給部の上流側に負圧を発生させる吸引装置７を備えることができる。中間ロールやアプリケーターロールの回転により塗布液供給部には空気の流れが随伴されてくる。そのため、吸引機構がないと液膜中に空気同伴が起こる確率が高まり、塗布欠陥となる場合がある。そこで、吸引装置７により負圧を発生させることで上記問題を解決し、供給される塗布液のメニスカス形状を安定して保ち、基材１上に形成される膜厚に対して数倍程度のギャップを確保することが可能となり、基材厚み変動によるギャップ変動の影響を緩和して安定塗布することが可能となる。
スリットダイ２への塗布液の供給は、例えば、一定流量を安定して吐出できるポンプにより行うことができる。その際、吸引装置７の負圧、塗布液供給先の中間ロール３やアプリケーターロール４とスリット２先端部とのギャップ等を調整することで中間ロール３上やアプリケーターロール４上に塗布液を安定して供給することができる。

図１に示した装置を用いて、板厚0.6ｍｍ、板幅1200ｍｍの亜鉛メッキ鋼板のコイルに対して、表１に記載した塗布条件で塗布を行い、亜鉛メッキ鋼板上に液膜を形成した。塗布中の、それぞれのロール上および鋼板上の外観状態を目視により確認、評価するとともに、乾燥後の液膜の外観の状態を目視により確認、評価し、付着量の確認を行った。
乾燥後の皮膜の付着量（g/ｍ²）は、塗布後の鋼板において幅方向中央部、両エッジ１００ｍｍ部より測定用サンプルを採取し、直径40ｍｍに打ち抜き、それぞれについて蛍光Ｘ線分析装置を用いて皮膜成分の強度を測定し、予め作成した検量線より付着量に換算することにより算出した。尚、表1に記載した全付着量は、幅方向各位置の付着量の平均値である。
なお、図１の塗布装置において、スリットダイコーター２は２層塗布用の塗布液供給部（図示せず）と吸引装置７を有する。各ロールの材質は、中間ロール３が硬質クロム鍍金をほどこした表面フラットな金属ロールであり、アプリケーターロール４がゴムをライニングしたゴムロールである。ゴムライニング厚は20[mm]、ゴムはウレタンゴムで硬度はHs55°である。各ロールのロール径は中間ロール３、アプリケーターロール４共に150[ｍｍ]である。使用した塗布液は液温度が20[℃]における粘度が5 [mPa・s]、表面張力40[dyn/cm]である。液膜厚さは、図１では中間ロール３上の上層、下層の塗布液厚さの比を変化させて調整した。
比較例として上層と下層の膜厚やロールの回転速度の変更等をした場合について行い、発明例と同様に、塗布中、乾燥後の液膜の外観評価および付着量の確認を行った。

塗布中および乾燥後の液膜外観は、乾燥後の鋼板を切り出し、目視により評価した。スジ発生がなく平滑な皮膜が得られているものについては◎、目視ではほとんど気にならない微少なスジが僅かに発生しているものについては○、ほぼ全面にハッキリとしたスジムラが見受けられるものについては×とした。

以上により得られた結果を条件と併せて表1に示す。

表１に示すように、本発明例では、多層状態での均一塗布が可能となった。但し、中間ロールとアプリケーターロールの回転速度比Ｖ_１／Ｖ_２が好適範囲外のNo17については、アプリケーターロールと中間ロール間で目視ではほとんど気にならない微小なスジ状の模様が発生し、鋼板表面上にも目視ではほとんど気にならない微小なスジ状の模様が確認された。また、アプリケーターロールの回転速度と基材の走行速度との比Ｖ_２／Ｖ_３が好適範囲外のNo16、18については、鋼板表面上で目視ではほとんど気にならない微小なスジ状の模様が確認された。
一方、比較例では、スリットダイ−中間ロール間、中間ロールとアプリケーターロール間およびアプリケーターロールと基材間でのメニスカス部が不安定となり、外観不良が発生した。

また、従来法として、図４、５に示す、スリットダイコーター単独、カーテンコーター単独で前記本発明例と同じ仕様の鋼板に塗布した場合について、乾燥後の塗布外観の評価および付着量の確認を行った。

図４に示すスリットダイコーター単独の場合は、各液において、鋼板厚み精度の問題からスリット塗吐口−鋼板ギャップを１００μｍ以下に近づけることができず安定塗布するには乾燥前の膜厚60μｍを超える厚い膜となった。また、薄膜化を試みて、ギャップをそのままの状態で供給液量を減少した場合には、スリットダイ下流部において空気巻き込みによる液切れが発生し鋼板表面上でカスレ状の模様が発生した。また、ギャップを更に近接化した場合には、板厚変動に伴うギャップ変動によりカスレやスジ模様が発生した。

図５に示すカーテンコーター単独の場合は、今回用いた液においてはカーテン状の塗膜を安定して形成させるためには液膜厚を１００μｍ程度とする必要がある。一方、液膜厚を１０μｍ程度とするため塗布液の供給液量を減少させるとカーテン形成不安定となり液切れが発生し外観欠陥となった。

以上のように、本発明例では、多層状態の液膜を均一に基材へ塗布することが可能となった。比較例として上層、下層の液膜厚みの組み合わせ変更、ロールの回転速度を変更した場合には、外観不均一が発生して外観欠陥となり、多層状態での均一塗布することは困難であった。一方、従来法として、スリットダイコーター単独、カーテンコーター単独で塗布した場合にも、空気同伴によるカスレやカーテン液膜形成不能となり、多層状態の塗布液を高速で薄膜安定塗布することはできなかった。

なお、前記本発明例では基材として亜鉛メッキ鋼板を用いたが、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。

１ 基材
２ スリットダイ
２ａ、２ｂ 塗布液供給部
３ 中間ロール
４ アプリケーターロール
５ ブレード
６ 塗布液回収タンク
７ 吸引装置
８ バックアップロール
９ カーテンコーター
１０ コーターパン
１１ ピックアップロール
１２ ミタリングロール

Claims (3)

1. スリットダイにより、回転する中間ロールへ多層の塗布液を供給し、次いで、前記中間ロールより、回転するアプリケーターロールへ前記多層の塗布液を転写し、
   次いで、前記アプリケーターロールを連続的に走行する基材と接触させて前記多層の塗布液を基材へ転写するにあたり、
   前記中間ロールは、アプリケーターロールとの接触部においてアプリケーターロールと逆方向に回転し、
   前記アプリケーターロールは、基材との接触部において基材と逆方向に回転し、
   前記スリットダイにより供給する多層の塗布液は、最下層を形成する塗布液のウェット膜厚h1、上層を形成する塗布液のウェット膜厚h2、前記スリットダイと前記中間ロールの間のギャップをGとした場合、0.15≦h1/G≦0.70かつ0.10≦h2/G≦0.60かつ0.60≦h1/G＋h2/G≦0.90となることを特徴とする基材への塗布方法。
   なお、前記上層とは、最下層の上に形成される全ての層である。
2. 前記中間ロールの回転速度をＶ_１、前記アプリケーターロールの回転速度をＶ_２とする場合、０．６≦Ｖ_１／Ｖ_２≦２．５であることを特徴とする請求項１に記載の基材への塗布方法。
3. 前記中間ロールは金属ロールを用い、
   前記アプリケーターロールは金属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を特徴とする請求項１または２に記載の基材への塗布方法。

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