KR19990014700A - 유압 전단 응력 유도식 쇼트 드웰 코팅 장치 - 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 머신의 횡단 방향으로 연장하며 머신 방향으로는 서로 나란하게 이격되어 있다. 종이 웨브(36)는 백킹 롤(24)에 맞물려서, 코팅재를 폰드로부터 웨브로 도포하는 미터링 블래이드(30)를 지나 코팅 폰드(28) 사이로 이동한다. 바아(21)는 코팅 폰드에 포획된 기포를 전단하는 난류를 유도함으로써, 기포 직경 및 코팅재에서의 공기-도입 결함을 감소시킨다. 보다 많은 공기를 포획하는 경향이 있는 머신 가동 속도는 바아에 보다 큰 전단력을 유도함으로써 기포 크기가 보다 감소되도록 한다.

Description

유압 전단 응력 유도식 쇼트 드웰 코팅 장치

특정의 기능적 특성을 갖는 종이는 종이의 일측면 혹은 양측면에 얇은 층의 코팅재를 도포하는 것에 의해 제조될 수 있다. 코팅물은 통상, 전형적으로 점토나 또는 구체적으로는 칼슘 카르보네이트와 같은 미세한 판형 광물; 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 문자의 인식성(readability) 및 사진 복사 질이 향상될 수 있다. 코팅된 종이는 여러 가지 등급으로 나눠진다. 소위 코팅된 프리-시트(free-sheet)로 불리는 높은 등급의 종이는 침지(浸漬)를 통해 목질소(木質素)인 리그닌(lignin)이 제거된 종이 섬유로 형성된다. 덜비싼 등급의 코팅된 종이는 침지에 의해 형성된 펄프 보다 덜 비싼 쇄목(碎木) 펄프를 10% 이상 함유한다.

코팅된 쇄목 종이는 일반 명칭의 경량 코팅된(LWC) 종이를 포함한다. 경량 코팅된 종이의 경우, 코팅 중량은 총 종이 중량의 약 30%이며, 종이의 이들 등급들은 그러한 경량의 종이가 우편 발송 비용 및 기타의 중량 관련 비용의 비용을 감소시킴에 따라 잡지 발행인, 직접 경영자, 상업적 인쇄업자에게 인기가 있다. 저중량, 저비용의 코팅된 종이에 대한 수요의 증가에 따라, 이러한 종이 등급의 제조상의 효율성의 증가가 필요하게 되었다.

종이는 일반적으로 종이 성형 속도의 증가를 통해 생산적으로 제조되며, 코팅 비용은 종이를 제지 기계상에서 코팅함으로써 절감된다. 종이는 매우 고속으로 제조되고 그리고 기계상에서의 코팅의 장점 때문에, 그에 따라 코팅 장치는 고속으로 주행되어야 한다. 종이의 중량 및 코팅재의 비용 절감을 위해 경량 코팅물로 제조될 필요성에 따라, 종이 웨브를 코팅재에 짧은 시간 동안 노출시킴으로써 코팅의 침투 깊이의 제한을 통한 코팅 중량의 제한을 야기하는 쇼트 드웰 코팅 장치의 사용이 대두된다.

고속 코팅 머신은 저중량의 코팅된 종이를 비용 효율적으로 제조하는 것이 그 핵심이다. 그러나, 쇼트 드웰 코팅 장치를 높은 가동 속도에서 사용하는 것은 전형적으로 코팅선(streak)과 같은 코팅상의 결함을 유발하였다. 코팅선은 원료 스톡(stock) 또는 종이 웨브의 경계층에 도입된 공기에 의해 유발된다. 경계층의 공기는 코팅 폰드(pond)에 기포를 형성하며, 미터링 블레이드(metering blade; 입구측 또는 출구측에서 유량을 조절하기 위한 블래이드)로 가압되는 그러한 기포는 블래이드 밑으로 균일한 코팅이 흐르는 것을 방해한다.

미터링 블래이드에 인접한 코팅 폰드에 커다란 기포의 형성을 방지하는 수단이 필요하다.

본 발명은 전반적으로 종이 웨브의 코팅 장치, 구체적으로는 쇼트 드웰 코팅 장치(short dwell coater)에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 쇼트 드웰 코팅 장치를 부분 절단하여 사시도로 도시한 측면 입면도.

도2는 종래의 쇼트 드웰 코팅 장치를 단면도로 도시한 측면 입면도.

도3은 도2의 구획선3-3을 따라 취한 저면도로서, 종래의 코팅 장치 사이로 이동하는 종이 웨브를 도시한 도면.

도4는 도1의 쇼트 드웰 코팅 장치를 도시한 입면 단면도.

도5는 도4의 쇼트 드웰 코팅 장치의 구획선5-5를 따라 취한 단면도.

본 발명의 쇼트 드웰 코팅 장치는 그 코팅 장치를 횡단 방향으로 가로질러 연장하는 다수의 이격된 로드(rod) 또는 바아(bar)를 채용한다. 상기 바아들은 코팅 장치 헤드내의 코팅 폰드에 잠겨진다. 종이 웨브는 백킹 롤에 맞물려서 코팅 폰드 사이로 이동되며, 이때 그 코팅 폰드의 단부는 웨브에 코팅재를 도포하는 미터링 블래이드에 위치되어 있다. 바아들은 코팅될 종이에서 1/1000~250/1000 인치 정도 떨어져 있다. 바아들은 코팅 폰드내에 포획된 기포를 전단하는 난류(亂流)를 유발하여, 기포를 더 이상의 큰 기포가 잔존하지 않는 대략 8/1000 인치 정도의 기포 직경으로 감소시킨다. 난류 유발 바아는 직사각형 단면일 수 있으며, 배킹 롤에 가깝게 이격된 바아의 지지를 위해 코팅 장치 헤드로부터 연장하는 직립 플랜지상에 설치될 수 있다. 미터링 블래이드는 바아의 하류에 위치된다. 코팅재는 미터링 블래이드 근처의 폰드 안으로 공급된다. 코팅재는 바아 아래로 흐른다. 코팅재의 흐름은 바아측 부분으로부터, 코팅 폰드의 상류 연부를 형성하는 립(lip) 너머로 흐르는 한편, 코팅물의 나머지 부분은 미터링 블래이드 위쪽으로 끌어당겨진다. 포획된 기포는 코팅재가 바아를 지나, 웨브의 도포에 사용되는 미터링 블래이드로 유동함에 따라 그 크기가 감소된다.

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

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

본 발명의 또다른 특징은 높은 코팅 속도에서 코팅선의 형성을 방지하는 쇼트 드웰 코팅 장치를 제공하는 것이다.

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

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

동일 도면 부호는 유사 부분을 지칭하고 있는 도1~5를 특히 참조하면, 도1,4,5에 개선된 쇼트 드웰 코팅 장치(20)가 예시된다. 코팅 장치(20)는 백킹 롤(24) 아래에 배치되어 있어서, 코팅될 종이 웨브(36)는 코팅 장치 헤드(22) 사이를 통과하면서 백킹 롤에 맞물리게 된다. 코팅 장치 헤드(22)는 웨브(36)의 폭 이상으로 연장하는 폰드(28)를 형성하는 하우징(23)을 구비하며, 폰드(28)는 웨브에 도포될 코팅재를 수용한다.

난류를 유발하는 다수의 평행 바아(21)는 폰드(28)내에서 횡단 방향으로 연장하는 코팅 헤드(22) 하우징(23)에 설치된다. 폰드(28)는 프리미터링 블래이드(premetering blade; 유량 조절에 있어 예비적인 역할을 하는 미터링 블래이드를 이름)(30)와 배플 판(32) 사이에 형성된다. 코팅재(34)는 폰드 아래의 하우징에 형성된 유입구(26)를 통해 압축 코팅 공급원으로부터 폰드로 공급되어, 프리미터링 블래이드(30)로부터 상향(up-machine direction)의 배플 판(32)으로 역류된다.

종이 웨브(36)는 코팅재(34)의 흐름 방향과 반대로 폰드 사이로 이동한다. 코팅재(34)는 립(40)을 지나 배플 판(32)을 타고넘어 재활용을 위해 홈통(42)내에 수집된다. 웨브(36)가 폰드 사이를 통과할 때, 코팅재(34)는 끊임없이 이동하면서 파동하는 역동적인 접촉선(46)을 따라 종이에 접촉된다. 바아(21)는 이동하는 웨브(36)에 가깝게 이격된 관계로 바아를 지지하는 소폭의 플랜지(33)상에 설치된다.

도2에 도시된 코팅 장치(47)와 같은 종래의 코팅 장치의 경우, 역동적인 접촉선(49)은 프리미터링 블래이드(51)에 대해 끊임없이 이동하며, 그리고 일정 웨브 속도 이상에서는 도3에 도시된 바와 같이 그 프리미터링 블래이드(51) 아래로 이동할 때 공기 통로(50)로 인해 코팅된 종이(48)상에 코팅선(52)을 유발하게 된다. 공기는 빠른 속도로 이동하는 종이 웨브를 따라 립과 백킹 롤 사이의 틈 사이로 밀려나온 공기의 경계층에 의해 폰드 안으로 도입된다. 도2에 도시된 바와 같이, 웨브(53)의 접촉면은 웨브를 화살표(54)로 지시된 고속류로써 설정함에 따라 프리미터링 블래이드(51) 쪽으로 코팅재(34)의 경계층을 밀어낸다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 코팅 장치(20)의 코팅 헤드(22)의 폰드에 위치된 바아(21)는 웨브를 따라 유체류 안으로 돌출하며 바아(21)와 웨브(36)간의 역동적인 유체 전단력을 만들어낸다. 바아(21)와 웨브(36)간의 코팅재의 전단이 의미하는 것은 코팅재의 속도가 가령 100 피트/초의 이동 속도의 웨브에 부착된 코팅재의 속도와, 고정된 바아(21)의 경계층에 있는 코팅재의 속도 사이에서 급속하게 변화됨을 의미한다.

바아(21)는 웨브로부터 수 1/1000 내지 1/4 인치 정도 이격되어 있기 때문에, 유체역학적 전단 속도는 1/1000 인치 당 수 피트/분과, 1/1000 인치 당 수백 피트/분의 속도 사이에서 변화될 수 있다. 이러한 높은 값의 유체역학적 전단 속도는 웨브 근처를 따라 이동하는 기포와 상호 작용하는 경우 그 기포를 분열시키게 된다. 형성되는 기포의 크기는 물론 유체역학적 전단 속도에 의존한다. 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, 1인치 직경의 기포는 0.2 밀리미터 직경 이하의 평균 크기로 크기가 감소되었다. 보다 많은 공기가 포획되는 경향이 있는 높은 머신 속도는 기포 크기를 보다 크게 감소시키는 보다 큰 값의 전단력을 바아에 유도한다.

기포의 구조는 기포들을 한데 유지시키는 표면 장력에 의해 형성된다. 표면 장력은 이차원적인 장력으로서 기포 크기가 감소되면, 표면 장력의 힘은 기포 크기의 제2의 힘으로서 감소된다. 그러나, 이 힘은 제3의 힘으로서 감소되는 기포의 체적에 비해 훨씬 강해지게 된다. 따라서, 미소 기포는 보다 높은 유체역학적 전단력에도 저항성을 가질 수 있다.

미소 기포는 큰 기포와 동일한 문제점을 제공하지 않으며, 최종 코팅된 종이 상에 코팅선이 덜 형성되게 하는 경향이 있다. 작은 기포는 코팅재의 두께 보다 작을 수 있으며 그 경우 기포는 코팅된 종이의 표면 특성에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한, 기포는 어느 정도 공공(空孔;void)을 형성하며, 기포는 코팅이 종료된 다음 건조 과정을 통해 소정의 부가적인 기공을 만들어낼 따름이다.

미소 기포는 체적에 비해 높은 표면 에너지를 가지며, 코팅재를 담고있는 용액 안으로 가스를 가압할 수 있는 기포내에 극도의 고압을 형성할 수 있다.

작은 기포의 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 기포들이, 발생된 유체역학적 전단력을 견뎌내기 위해 작아져야만 하기 때문이다. 그러한 화학 약품은 대부분의 경우, 액체내에 부유된 고체의 분산을 보조하는 코팅 조성물내에 이미 존재한다. 그러나, 원하는 경우, 표면 장력을 감소시키는 부가적인 화학 약품을 코팅재에 첨가할 수 있다. 코팅선이 발생되는 문제점은 제지기 및 웨브(36)의 속도가 증가함에 따라 보다 심각해지게 된다. 한편, 난류 발생 바아(21)에 의해 유발된 유체역학적 전단력은 속도에 정비례한다. 따라서, 코팅선 발생의 문제점이 기계 속도의 증가에 따라 증가하기 때문에, 바아(21)에 의해 제공된 용액도 역시 증가한다.

도4에 도시된 바와 같이, 최종 미터링 블래이드(62)는 코팅 헤드(22)의 하류에서 하류측 머신 방향으로 위치된다. 최종 미터링 블래이드는 종이에 도포된 코팅재의 90% 이상을 폐기시켜, 웨브(36)상에 건조된 최종의 평탄층을 형성한다. 최종 미터링 블래이드(62)에 의해 제거된 코팅재는 재활용을 위해 홈통(66)에 수집된다. 그런 다음, 코팅된 웨브(36)는 백킹 롤(24)을 떠나서 회전 롤(78) 너머로 이동하여 건조기 섹션(도시 생략)으로 진입한다.

그러나, 프리미터링 블래이드(30)는 최종 미터링 블래이드에 의해 대체될 수 있음을 알아야 한다. 또한, 난류 발생 바아는 코팅재가 바아 아래로 흐를 수 있도록 이격된 플랜지(33)에 의해 지지되는 것으로 예시되어 있고 그 바아들을 지지하기 위한 수단은 와이어 로드를 포함하거나, 바아들(21)을 코팅 헤드(22)에서 아래로 연장하거나, 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 종이 웨브 사이의 간격이 1/1000 내지 약 1/4 인치 사이에서 변화될 수 있지만, 그 간격은 코팅될 웨브의 속도, 코팅재의 점도 및 조성, 그리고 웨브에 도포시키고자 하는 코팅재의 두께에 의존함을 알아야 한다.

코팅재는 프리미터링 블래이드에 인접하게 진입하여 난류 발생 바아 아래에서 역류되는 것으로 도시되어 있지만, 그러한 흐름은 배플 판 립 근처나 배플 판 립과 프리미터링 블래이드 사이로 유도될 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 대체적으로, 난류 발생 바아는 종이 웨브가 끌어당겨지는 폰드를 구비하는 소정의 쇼트 드웰 코팅 장치에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

도4를 참조하면, 코팅 장치의 다른 실시예에서, 머신 방향으로 서로 이격된 다수의 바아들은 바아를 통한 흐름 방지를 위해 견고한 하부 지지부로 구성될 수 있음을 알아야 한다. 그러한 구성은 기포의 크기 감소에 유익한 결과를 가져옴을 예상할 수 있을 것이다.

머신 방향으로 최종의 바아는 전단력 발생 바아의 하류에 있을 수 있는 기포의 형성을 감소시키기 위해 백킹 롤쪽으로 테이퍼질 수 있음을 알아야 한다. 그외에, 바아 뒤쪽으로 정점이 형성되는 것을 방지하기 위해 당업자들에게 공지된 다른 수단이 사용될 수 있다.

종이 웨브에 대해 설명되었지만, 코팅은 롤 표면에 행해져서 이후에 사이즈 프레싱과 같은 것에 의해 종이 웨브로 전사될 수 있음을 알아야 한다.

본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 부분의 특정 구성 및 배열에 한정되는 것이 아니라 오히려, 이후의 청구범위의 범위내에 있는 변형된 형태와 같은 것을 포함할 수 있음을 알아야 한다.

Claims (6)

1. 코팅재용 유입구를 갖는 코팅 헤드(22)를 구비하며, 그 코팅 헤드(22)의 일부에 미터링 블래이드(30)와 코팅 오버플로 립 사이로 폰드(28)를 형성하며, 오버플로 립으로부터 인접 폰드(28)를 통해 미터링 블래이드(30)를 향해 종이 웨브를 진행시키는 회전 가능한 백킹 롤(24)을 구비하는 형태의 쇼트 드웰 코팅 장치(20)에 있어서,

   상기 폰드(28)내에 위치된 다수의 난류 발생 부재(21)를 구비하며, 상기 부재(21)는 코팅재가 상기 부재(21)의 아래와 상기 부재(21)의 위로 흐를 수 있도록 코팅 헤드에 지지되며, 상기 부재(21)는 백킹 롤(24)의 전체 축선 길이에 걸쳐 머신의 횡단 방향으로 연장하며 가동 방향으로 서로 이격되어 있으며, 상기 부재(21)는 약 1/1000 인치 내지 약 250/1000 인치 정도 종이 웨브(36)로부터 이격된 것을 특징으로 하는 쇼트 드웰 코팅 장치(20).
2. 제1항에 있어서, 상기 폰드내에 등간격으로 위치된 3개의 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 쇼트 드웰 코팅 장치(20).
3. 제1항에 있어서, 상기 각 부재는 직사각형의 단면인 것을 특징으로 하는 쇼트 드웰 코팅 장치(20).
4. 백킹 롤에 의해 안내된 웨브에 코팅재를 도포하기 위한 코팅 장치로서,

   웨브의 도포를 위해 웨브가 백킹 롤에 의해 안내되도록 그 백킹 롤에 근접되게 배치되며, 백킹 롤쪽으로 개방되어 머신의 횡단 방향으로 연장하는 도포용 챔버를 형성하며, 그 도포용 챔버는 코팅재를 코팅 폰드에 수용 및 보유하고 코팅재의 압축된 공급원에 연결되어 있는 그러한 코팅 헤드 하우징과;

   도포용 챔버의 상류에 배플 판을 형성하며, 그 배플 판은 백킹 롤로부터 이격된 립을 형성하는 부분을 구비하며, 그 도포용 챔버내의 과다 코팅재는 배플 판 립 너머로 유동하여 그 도포용 챔버를 빠져나가는 그러한 코팅 헤드 하우징의 부분들과;

   웨브가 백킹 롤에 맞물리게 되는 도포용 챔버의 하류의 코팅 하우징에 설치된 블래이드로서, 코팅재가 그 블래이드에 의해 도포되는 그러한 프리미터링 블래이드와; 그리고

   상기 도포용 챔버내에 지지되고 백킹 롤의 아래에서 머신의 횡단 방향으로 연장하는 다수의 부재로서, 그 부재는 코팅재가 그 부재의 아래로 그리고 그 부재의 위로 흐를 수 있도록 상기 하우징에 대해 지지되며, 머신의 횡단 방향으로 서로 이격되며, 백킹 롤로부터 약 1/1000 인치 내지 약 250/1000 인치 정도로 이격되어 있는 그러한 다수의 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 백킹 롤에 의해 안내된 웨브에 코팅재를 도포하기 위한 코팅 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 부재는 직사각형의 단면인 것을 특징으로 하는 코팅 장치.
6. 백킹 롤에 의해 안내된 웨브에 코팅재를 도포하기 위한 코팅 장치로서,

   백킹 롤에 의해 안내된 웨브가 백킹 롤과 헤드 하우징 사이에서 이동하도록 그 백킹 롤에 근접되게 배치되며, 웨브쪽으로 개방되어 머신의 횡단 방향으로 그 웨브를 따라 연장하는 도포용 챔버를 형성하며, 그 도포용 챔버는 코팅재를 코팅 폰드에 수용 및 보유하고 코팅재의 압축된 공급원에 연결되어 있는 그러한 코팅 헤드 하우징과;

   도포용 챔버의 상류에 배플 판을 형성하며, 그 배플 판은 백킹 롤로부터 이격된 립을 형성하는 부분을 구비하며, 그 도포용 챔버내의 과다 코팅재는 배플 판 립 너머로 유동하여 그 도포용 챔버를 빠져나가는 그러한 코팅 헤드 하우징의 부분들과;

   웨브가 백킹 롤에 맞물리게 되는 도포용 챔버의 하류의 코팅 하우징에 설치된 블래이드로서, 코팅재가 그 블래이드에 의해 웨브에 도포되는 그러한 프리미터링 블래이드와;

   헤드 하우징 내에 고정되고 프리미터링 블래이드로부터 상류로 이격되고 그 하우징 너머로 머신의 횡단 방향으로 연장하는 제1 바아 부재와; 그리고

   헤드 하우징 내에 고정되고 상기 제1 부재로부터 상류로 이격되고, 상기 제1 바아 부재와 평행한 제2 바아 부재를 구비하며;

   상기 바아 부재들은, 코팅재가 그 부재들의 아래로 위로 하류로 유동하도록 헤드 하우징내에 위치되며, 상기 2개의 바아 부재 모두는 웨브로부터 1/1000 인치 내지 250/1000 인치 정도 이격된 것을 특징으로 하는 백킹 롤에 의해 안내된 웨브에 코팅재를 도포하기 위한 코팅 장치.