KR100388933B1 - 유체정력학적전단을유도하는쇼트드웰코팅장치 - Google Patents

Abstract

코팅 헤드(22)는 가압 상태의 코팅재가 공급되는 코팅 폰드(28)를 형성하는 하우징(23)을 구비한다. 다수의 바아(21)는 코팅 폰드(28) 내에서 기계의 횡단 방향으로 뻗으며 기계 방향으로는 서로 나란하게 간격을 두고 배치되어 있다. 종이 웨브(36)는 백킹 롤(24)에 맞물려, 코팅재를 폰드로부터 웨브로 도포하는 선계량 블래이드(30)를 지나 코팅 폰드(28) 사이로 이동한다. 바아(21)는 코팅 폰트에 포착된 기포를 전단하는 난류를 유도하며, 이로써 기포 직경 및 코팅재에서의 공기-도입 결함을 감소시킨다. 보다 많은 공기를 포착하는 경향이 있는 기계의 높은 속도는 복수 개의 바아에 보다 큰 전단력을 유도하며, 이로써 기포 크기가 현저하게 감소된다.

Description

유체 정력학적 전단을 유도하는 쇼트 드웰 코팅 장치{HYDROSTATIC SHEAR INDUCING SHORT DWELL COATER}

특정의 기능적 특성을 갖는 종이는, 종이의 일측면 혹은 양측면에 얇은 층의 코팅재를 도포함에 의해 제조될 수 있다. 코팅물은 전형적으로 점토 또는 구체적으로는 칼슘 카르보네이트와 같은 미세한 판형재; 전형적으로는 백지(白紙)에 쓰이는 티타늄 디옥사이드와 같은 착색제; 그리고 유기물 형태 또는 합성 조성물로 구성될 수 있는 가교제 등의 혼합물이다. 코팅된 종이는 통상적으로 잡지, 상품 카탈로그, 그리고 신문지 사이에 끼워지는 광고 전단 등에 사용된다. 코팅된 종이는 밝은 톤의 매끄러운 면으로 형성됨으로써 문자 인식성(readability) 및 사진 복사의 질이 향상될 수 있다. 코팅된 종이는 여러 가지 등급으로 나눠진다. 소위 코팅된 프리-시트(free-sheet)로 불리는 높은 등급의 종이는 증해(蒸解)를 통해 리그닌(lignin)이 제거된 종이 섬유로 형성된다. 보다 싼 등급의 코팅된 종이는 증해에 의해 형성된 펄프 보다 덜 비싼 쇄목(碎木) 펄프를 10% 이상 함유한다.

코팅된 쇄목 펄프 종이는 일반 명칭의 "경량 코팅된"(LWC) 종이를 포함한다.경량 코팅된 종이의 경우, 코팅 중량은 총 종이 중량의 약 30%이며, 종이의 이들 등급들은 이러한 경량의 종이가 우편 발송 비용 및 기타의 중량 관련 비용을 감소시킴에 따라 잡지 발행인, 직접 마케팅 담당자, 상업적 인쇄업자에게 인기가 있다. 저중량, 저비용의 코팅된 종이에 대한 수요의 증가에 따라, 이러한 등급의 종이를 제조하는데 있어서의 더 높은 효율에 대한 필요성이 대두된다.

종이는 일반적으로 종이 성형 속도를 증가시킴에 의해 더 효율적으로 제조되며, 코팅 비용은 종이를 제지 기계 상에서 코팅함으로써 절감된다. 종이는 점점 더 높은 속도로 제조되고, 또한 기계 상의 코팅(on-machine coating)의 장점 때문에, 코팅 장치는 고속으로 작동시켜야 한다. 종이의 중량을 감소시킬 필요와 코팅재의 비용은, 종이웹을 코팅재에 짧은 시간 동안 노출시킴으로써 코팅의 침투 깊이를 제한하여 코팅 중량을 제한할 수 있게 하는 쇼트 드웰 코팅 장치의 사용을 촉진시킨다.

고속 코팅 기계는 저중량의 코팅된 종이를 비용 효율적으로 제조하는 것이 그 핵심이다. 그러나, 쇼트 드웰 코팅 장치를 높은 가동 속도에서 사용하는 것은 전형적으로 스트리크(streak)와 같은 코팅 상의 결함을 유발하였다. 스트리크는 제지 원료, 즉 종이웹의 경계층에 도입된 공기에 의해 유발된다. 경계층의 공기는 코팅 폰드(pond)에 기포를 형성하며, 계량 블레이드(metering blade; 입구측 또는 출구측에서 유량을 조절하기 위한 블레이드)에 의해 가압되는 이러한 기포는 코팅재가 계량 블레이드의 아래로 균일하게 흐르는 것을 방해한다.

미국 특허 제4,880,671호는 쇼트 드웰 코팅 장치에 관한 것으로, 이 장치는기계를 횡단하는 방향으로 뻗는 미로형 드로틀 수단(throttling means)을 형성하는 나란히 간격을 두고 배치된 다수의 흠 또는 리세스(22)가 형성된 구조를 취한다. 그러나, 모든 코팅재는 종이웹을 따라 이 종이웹과 상기 다수의 홈을 형성하는 상기 코팅 장치 구조의 외부면 사이의 백킹롤 위에서 원주 방향을 따라 흐른다. 홈 아래에 배치된 공급원으로부터 코팅재를 상기 홈의 위를 향해 흐르게 하는 개념의 제시나 제안은 없다.

미국 특허 제4,834,018호도 역시 쇼트 드웰 코팅 장치에 관한 것이다. 이 코팅 장치에서, 코팅재는 도 3에 도시된 중앙 가이드 요소(7")의 개구부(11)와 같은 소정의 구조용 요소들을 지나 이동한다. 그러나, 이러한 코팅재의 흐름은 코팅될 종이웹으로부터 멀어지게 안쪽으로 흘러서, 코팅 장치로부터 배출시키게 하는 가이드. 요소(7") 내에 수집되는데, 상기 코팅 장치는 본 발명의 장치의 전체 구조 및 작동과 정반대이다.

계량 블레이드에 인접한 코팅 폰드에 커다란 기포의 형성을 방지하는 수단이 필요하다.

본 발명은 일반적으로 종이웹 코팅 장치, 특히 쇼트 드웰 코팅 장치(short dwell coater)에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 쇼트 드웰 코팅 장치를 부분 절단한 측면 사시도.

도 2는 종래의 쇼트 드웰 코팅 장치의 종단면도.

도 3은 도 2의 구획선 3-3을 따라 취한, 종래의 코팅 장치 사이로 이동하는 종이웹을 도시한 저면도.

도 4는 도 1의 쇼트 드웰 코팅 장치의 종단면도.

도 5는 도 4의 쇼트 드웰 코팅 장치의 구획선 5-5를 따라 취한 횡단면도.

본 발명의 쇼트 드웰 코팅 장치는 코팅 장치를 횡단 방향으로 가로질러 뻗고 서로 간격을 두고 배치된 다수의 로드(rod) 또는 바아(bar)를 사용한다. 상기 바아들은 코팅 장치 헤드 내의 코팅 폰드에 잠겨진다. 종이웹은 백킹롤에 맞물려서 코팅 폰드 사이로 이동되며, 또한 웹에 코팅재를 도포하는 계량 블레이드가 단부에 위치하는 코팅 폰드를 통해 이동한다. 바아들은 코팅될 종이에서 0.00254∼0.635cm(1/1000∼250/1000 인치) 정도 떨어져 있다. 바아들은 코팅 폰드 내에 포착된 기포를 전단하는 난류(亂流)를 유발하여, 더 이상의 큰 기포가 잔존하지 않는 상태로 대략 0.02032cm(8/1000 인치) 정도로 상기 기포의 직경을 축소시킨다. 난류 유발 바아는 직사각형 단면일 수 있으며, 백킹롤에 가깝게 간격을 두고 배치된 바아의 지지를 위해 코팅 장치 헤드로부터 뻗는 직립 플랜지 상에 설치될 수 있다. 계량 블레이드는 바아의 하류에 위치된다. 코팅재는 계량 블레이드 근처의 폰드 안으로 공급된다. 코팅재는 바아의 아래로 흐른다. 코팅재는 바아 부분으로부터, 코팅 폰드의 상류 에지를 형성하는 립(lip) 너머로 흐르는 한편, 코팅물의 나머지 부분은 계량 블레이드 위쪽으로 끌어당겨진다. 포착된 기포는 코팅재가 바아를 지나, 웹에 도포될 때 그 크기가 감소된다.

본 발명의 특징은 고속으로 가동할 수 있는 쇼트 드웰 코팅 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 기계 상의 코팅에 사용되는 쇼트 드웰 코팅 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 특징은 높은 코팅 속도일 때 스트리크의 형성을 방지하는 쇼트 드웰 코팅 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 특징은 코팅 기저부와 균일하게 접촉되는 쇼트 드웰 코팅 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 통해 분명해질 것이다.

특히, 도 1 내지 도 5에 의하면, 동일 도면 부호는 대응 부분을 지칭하고 있으며, 도 1, 도 4 및 도 5에는 개선된 쇼트 드웰 코팅 장치(20)가 예시되어 있다. 코팅 장치(20)는 백킹롤(24) 아래에 배치되는 코팅 장치 헤드(22)를 구비하여, 코팅될 종이웹(36)이 상기 코팅 장치 헤드(22) 사이를 통과하면서 백킹롤에 맞물리게 한다. 코팅 장치 헤드(22)는 웹(36)의 폭 이상으로 뻗는 폰드(28)를 형성하는 하우징(23)을 구비하며, 상기 폰드(28)는 웹에 도포된 코팅재를 수용한다.

난류를 유발하는 다수의 평행 바아(21)는 코팅 헤드(22)의 하우징(23)에 장착되고, 또한 폰드(28) 내에서 코팅 장치를 가로지르는 방향으로 뻗어 있다. 폰드(28)는 선계량 블레이드(premetering blade; 유량 조절에 있어 예비적인 역할을 하는 계량 블레이드를 지칭함)(30)와 배플 판(32) 사이에 형성된다. 코팅재(34)는 폰드 아래의 하우징에 형성된 유입구(26)를 통해 압축 코팅 공급원으로부터 폰드로 공급되어, 선계량 블레이드(30)로부터 배플판(32)으로 코팅 장치의 상류 방향을 향해 흐른다.

종이웹(36)은 코팅재(34)의 흐름과 반대 방향으로 폰드 사이로 이동한다. 코팅재(34)는 립(40)을 지나 배플 판(32)을 타고 넘어 재활용을 위한 홈통(42) 내에 수집된다. 웹(36)이 폰드 사이를 통과할 때, 코팅재(34)는 끊임없이 이동하면서 파동하는 동력학적인 접촉선(46)을 따라 종이에 접촉된다. 바아(21)는 이동하는 웹(36)에 가까이 간격을 두고 배치된 상태로 바아를 지지하는 소폭의 플랜지(33) 상에 설치된다.

도2에 도시된 코팅 장치(47)와 같은 종래의 코팅 장치의 경우, 동력학적인 접촉선(49)은 선계량 블레이드(51)에 대해 끊임없이 이동하며, 그리고 일정 웹 속도 이상에서는 도3에 도시된 바와 같이 이 선계량 블레이드(51) 아래로 이동할 때 공기 통로(50)로 인해 코팅된 종이(48) 상에 스트리크(52)를 유발하게 된다. 공기는 립과 백킹롤 사이의 틈을 통해 빠른 속도로 이동하는 종이웹을 따라 공기의 경계층에 의해 상기 폰드 안으로 유인된다. 도2에 도시된 바와 같이, 웹(53)의 접촉면은 웹을 화살표(54)로 표시된 고속 흐름으로 설정함에 따라 선계량 블레이드(51)를 향해 코팅재(34)의 경계층을 밀어낸다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코팅 장치(20)의 코팅 헤드(22)의 폰드에 위치된 복수 개의 바아(21)는 웹을 따라 유체 흐름 안으로 돌출하며, 또한 바아(21)와 웹(36)간의 동력학적 유체 전단력을 발생시킨다. 바아(21)와 웹(36)간의 코팅재의 전단력이라 함은 코팅재의 속도가 약 30.48m(100 피트)/초로 이동할 수 있는 웹에 부착된 코팅재의 속도와, 고정된 바아(21)의 경계층에 있는 코팅재의속도 사이에서 급속하게 변화됨을 의미한다.

바아(21)는 웹으로부터 수 1/1000 내지 0.635cm(1/4 인치) 정도 간격을 두고 배치되어 있기 때문에, 동수력학적 전단(動水力學的 剪斷) 속도는 0.00254cm(1/1000 인치)당 1∼1.5m/min(수 피트/분의 속도 내지 0.00254cm당 약 90∼150m/min(1/1000 인치 당 수백 피트/분)의 속도 사이에서 변화될 수 있다. 이러한 높은 값의 동수력학적 전단은 웹 근처를 따라 이동하는 기포와 상호 작용하는 경우 이 기포를 분열시키게 된다. 형성되는 기포의 크기는 물론 동수력학적 전단에 달려있다. 일반적으로, 기포는 기포들을 한데 유지케 하는 표면 장력이 유체의 전단 작용을 극복할 수 있을 때까지 크기가 감소될 것이다. 전단력 발생기 사이로 물을 유동시키는 실험을 통해, 2.54cm(1인치) 직경의 기포는 0.2 밀리미터 직경 이하의 평균 크기로 크기가 감소되었다. 보다 많은 공기를 포착하는 경향이 있는 고속의 기계의 속도는 바아에 큰 전단력을 발생시켜, 기포 크기를 현저하게 축소시킨다.

기포의 구조는 기포들을 유지시키는 표면 장력에 의해 형성된다. 표면 장력은 이차원적인 장력으로서 기포 크기가 감소되면, 표면 장력의 힘은 기포 크기의 제2 힘으로서 감소된다. 그러나, 이 힘은 제3 형으로서 감소되는 기포의 체적에 비해 현저히 강해지게 된다. 따라서, 미소 기포는 보다 높은 동수력학적 전단력에도 저항성을 가질 수 있다.

미소 기포는 큰 기포와 동일한 문제를 발생시키지 않으며, 최종 코팅된 종이상에 스트리크를 형성할 가능성이 아주 적다. 작은 기포는 코팅재의 두께 보다 작을 수 있으며 이 경우 기포는 코팅된 종이의 표면 특성에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한, 기포는 어느 정도의 보이드(空孔;void)를 형성하며, 또한 건조 과정을 통해 발생하는 코팅부에 약간의 기공을 부가할 뿐이다.

미소 기포는 체적에 비해 높은 표면 에너지를 가지며, 기포 내에 매우 높은 압력을 발생시켜, 가스를 코팅재가 있는 용액 안에 용해시킬 수 있다.

작은 기포 형성의 다른 요인으로는 세정제와 같은 소정의 화학 약품이 물에 혼합되었을 때 대체로 순수한 물에서 발견되는 것 보다 작은 기포를 발생시킨다는 점이다. 이것은 아마도 그러한 화학 약품이 표면 장력 에너지를 감소시킴으로써, 기포들은 발생된 동수력학적 전단력을 견뎌내기 위해 작아져야만 하기 때문이다. 그러한 화학 약품은 대부분의 경우, 액체 내에 부유된 고체의 분산을 보조하는 코팅 조성물 내에 이미 존재한다. 그러나, 원하는 경우, 표면 장력을 감소시키는 부가적인 화학 약품을 코팅재에 첨가할 수 있다. 스트리크가 발생되는 문제점은 제지기 및 웹(36)의 속도가 증가함에 따라 보다 심각해지게 된다. 한편, 난류 발생 바아(21)에 의해 유발된 동수력학적 전단력은 속도에 정비례한다. 따라서, 스트리크 발생의 문제점이 기계 속도의 증가에 따라 증가하기 때문에, 바아(21)에 의한 해결의 필요성도 역시 증가한다.

도4에 도시된 바와 같이, 후계량 블레이드(62)는 코팅 헤드(22) 보다 하류측에 위치된다. 후계량 블레이드는 종이에 도포된 코팅재의 90% 이상을 긁어내어, 웹(36) 상에 건조된 최종의 평탄층을 형성한다. 후계량 블레이드(62)에 의해 제거된 코팅재는 재활용을 위해 홈통(66)에 수집된다. 그런 다음, 코팅된 웹(36)은 백킹롤(24)을 떠나 회전 롤(78) 너머로 이동하여 건조기 부분(도시 생략)으로 진입한다.

그러나, 선계량 블레이드(30)는 후계량 블레이드에 의해 대체될 수 있음을 알아야 한다. 또한, 난류 발생 바아는 코팅재가 바아 아래로 흐를 수 있도록 간격을 두고 배치된 플랜지(33)에 의해 지지되는 것으로 예시되어 있고, 그 바아들을 지지하는 수단은 와이어 로드를 포함하거나, 바아(21)들을 코팅 헤드(22) 보다 아래로 뻗게 하거나, 코팅재의 통과를 위해 바아 사이에 구멍을 뚫어 사용될 수 있음을 알아야 한다.

또한. 사용된 바아의 개수는 가변적일 수 있으며, 하나, 둘, 또는 그 이상의 바아들이 효과적일 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 바아와 종이웹 사이의 간격이 0.00254cm(1/1000 인치) 내지 약 0.635cm(1/4 인치) 사이에서 변화될 수 있지만, 그 간격은 코팅될 웹의 속도, 코팅재의 점도 및 조성, 그리고 웹에 도포시키고자 하는 코팅재의 두께에 달려있음을 알아야 한다.

코팅재는 선계량 블레이드에 인접하게 진입하여 난류 발생 바아 아래로 흐르는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 흐름은 배플판 립 근처나 배플판 립과 선계량 블레이드 사이로 유도될 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 대체적으로, 난류 발생 바아는, 종이웹이 끌어당겨지는 폰드를 구비한 각종의 쇼트 드웰 코팅 장치에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

도4를 참조하면, 코팅 장치의 다른 실시예에서, 기계 방향으로 서로 간격을 두고 배치된 다수의 바아들에는 바아를 통한 흐름을 막게 하는 견고한 하부 지지부가 구성될 수 있음을 알아야 한다. 이러한 구성은 기포의 크기를 감소시키는데 유익한 결과를 가져옴을 예상할 수 있을 것이다.

기계 방향의 최후의 바아는 전단력 발생 바아의 하류에서의 기포 형성 가능성을 감소시키기 위해 백킹롤을 향해 경사질 수 있음을 알아야 한다. 그외에, 바아 뒤쪽으로 와류가 형성되는 것을 방지하기 위해 당업자들에게 공지된 다른 수단이 사용될 수 있다.

종이웹에 대해 설명되었지만, 코팅은 롤 표면에 행해진 후 사이즈 프레스와 같은 것에 의해 종이웹으로 전사될 수 있음을 알아야 한다.

본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 부분의 특정 구성 및 배열에 한정되는 것이 아니라 오히려, 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함된 것과 같은 변형예도 포함한다는 것을 알아야 한다.

Claims (3)

1. 기계 횡방향으로 뻗고 코팅 장치로 코팅재를 도입시키는 유입구를 갖는 코팅 헤드(22)를 구비하며, 이 코팅 헤드(22)의 일부에는 선계량 블레이드(30)와 코팅 오버플로(overflow) 립(40) 사이에 폰드(28)를 형성하며, 이 폰드(28)에 인접하면서 이 폰드를 통해 상기 코팅 오버플로 립에서 상기 선계량 블레이드(30)로 종이웹을 기계 방향으로 전진시키는 회전 가능한 백킹롤(24)을 구비하는 쇼트 드웰 코팅 장치(20)에 있어서,

   상기 폰드(28) 내에 위치하고 상기 코팅 헤드에 지지된 복수 개의 난류 발생 부재(21)를 구비하며, 이 난류 발생 부재(21)는 상기 유입구로부터 공급된 코팅재가 상기 폰드 내에서 상기 난류 발생 부재(21)의 하방으로부터 상방으로, 그리고 상기 난류 발생 부재(21) 중의 인접한 각 부재를 넘어 또 그 부재 주위로 흘러갈 수 있으며, 상기 난류 발생 부재(21)는 실질적으로 백킹롤(24)의 전체 축방향 길이에 걸쳐 이 백킹롤의 종방향으로 뻗고 기계 방향으로 서로 간격을 두고 배치되어 있으며, 상기 난류 발생 부재(21)는 종이웹(36)과 약 0.00254cm 내지 0.635cm(1/1000 인치 내지 약 250/1000 인치)의 간격을 두고 있는 것을 특징으로 하는 쇼트 드웰 코팅 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 폰드 내에 3개의 난류 발생 부재(21)가 등간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 쇼트 드웰 코팅 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 각 난류 발생 부재(21)는 단면이 직사각형인 것을 특징으로 하는 쇼트 드웰 코팅 장치.

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