MÉTODO Y APARATO PARA REVESTIR UNA S«S¾RFICIE DE SUBSTRATO EN MOVIMIEÉTO
Campo Técnico Esta invención se refiere a la aplicación continua de composiciones poliméricas orgánicas a superficies de substrato en movimiento, para formar un revestimiento delgado de la composición en la superficie. Si el revestimiento permanece en la superficie del substrato a la cual se aplica y se provoca o deja que endurezca o fragüe, el proceso puede referirse genéricamente como pintura de la superficie de substrato. Más particularmente, pero no en forma exclusiva, la invención se dirige a la pintura continua de metal en movimiento, por ejemplo tiras o láminas de acero, en el contexto desde una línea de producción industrial para producir materia prima pintada, en grandes cantidades. Técnica Previa
Probablemente, los procesos de producción en masa más comúnmente adoptados para pintar tiras en movimiento, comprenden en aplicar en las tiras una capa delgada de composición de pintura liquida, por ejemplo partículas poliméricas orgánicas pigmentadas y partículas de relleno o carga dispersadas o disueltas en un solvente liquido, y provocar o permitir que el solvente se evapore para dejar
un revestimiento sólido, adherente en la tira. La formación de la capa liquido en la tira puede efectuarse de diversas maneras, por ejemplo al sumergir la tira en un baño de la composición de pintura, seguido por desprender la composición excedente de la tira, rociar la composición de pintura sobre la tira o al contactar la tira con un rodillo cargado con la composición de pintura. Estos procesos que utilizan composiciones de baja viscosidad, ricas en solventes no son totalmente satisfactorios. En particular, los solventes son peligrosos si se inhalan, costosos y nocivos ambientalmente , de esta manera es esencial que se extraigan y condensen para re-utilización. Esto requiere equipo costoso y procedimientos precautorios de otra forma innecesarios, que complican la propia operación de pintura. Estos procesos tienen la ventaja de que la tendencia de la capa de líquido de baja viscosa a circular antes de solidificar y el efecto de tensión superficial tienden a aplastar la superficie de la capa de líquido resultando en una superficie lisa atractiva en el producto pintado acabado. No obstante las desventajas de las composiciones basadas en solvente son tales que los procesos que utilizan composiciones de pintura substancialmente libres de solvente, se han desarrollado las así denominadas composiciones de alto contenido de sólidos, en donde la
composición se ha vuelto lo suficientemente fluida para que se disperse sobre el substrato por calentamiento controlado de la composición, inmediatamente antes de su aplicación al substrato. Se ha encontrado que en general, la aplicación de estas composiciones a un substrato a una temperatura inferior a 20 °C, es inadecuada debido a que la viscosidad de la composición es muy elevada. La proporción a la cual puede reducirse la viscosidad al calentar es limitada debido al efecto nocivo de altas temperaturas o prolongado calentamiento en las características de la composición de pintura. La temperatura superior en la cual pueden aplicarse las composiciones al substrato es usual de aproximadamente 200°C, aun que esta temperatura algo depende de la composición particular empleada. A estas temperaturas elevadas, se ha encontrado que puede ocurrir entrelazamiento excesivo antes de la formación de la película de pintura. Esto significa que en procesos que utilizan composiciones de alto contenido de sólidos uno no se puede basar en el efecto auto nivelante de una capa de líquido de baja viscosidad para producir una superficie lisa en el revestimiento acabado en la misma proporción que se puede en procesos que utilizan composiciones ricas en solventes. Este problema se exacerba si se aprovecha completamente la precisión con la cual puede determinarse el espesor de un revestimiento de pintura cuando se
utiliza composiciones de alto contenido de sólidos para crear revestimientos delgados (en el orden de 10 a 20 micrómetros de espesor) , como se describe por ejemplo, en la especificación completa de la Patente Australiana No. 622948 (John Lysaght (Australia) Pty. Ltd. y colaboradores) . Revestimientos delgados fraguan más rápido que los espesos y esto adicionalmente disminuye el hundimiento auto nivelante de picos en la superficie del revestimiento aplicado. Hasta la fecha esa desventaja de utilizar composiciones de alto contenido en sólidos se ha atendido al contactar un depósito inicial de composición de pintura en la superficie de substrato en movimiento con un así denominada rodillo de nivelación (como se describe en la especificación de Patente Australiana mencionada) que se coloca para hacer una aproximación cercana a la superficie del substrato, para formar un punto de sujeción o apriete con la misma, a través de cuyo punto de sujeción se mueve el depósito. Este ha sido el efecto de dispersar y alisar el depósito inicial. También puede limitar el espesor de el depósito arrastrado del punto de sujeción en la superficie de substrato. Este procedimiento de la técnica previa se refiere como "un método del tipo descrito" a continuación. Descripción de la Invención
Un objecto de la presente invención es proporcionar un revestimiento de pintura delgado en una superficie de substrato por un procedimiento de revestimiento continuo que utiliza composiciones de pintura polimérica orgánica de alto contenido de sólidos, que tienen una superficie más lisa que la que se ha alcanzado por estos procedimientos hasta la fecha. Para los propósitos de la invención, una composición de alto contenido de sólidos puede definirse como aquella que tiene sólidos en volumen de al menos 80 por ciento, de preferencia más de 95 por ciento. El termino "sólidos en volumen" es una referencia al volumen de sólidos en la composición expresado como un porcentaje del volumen de la composición total . La invención logra ese objetivo al seleccionar parámetros que controlan la operación de métodos del tipo descrito. La invención consiste de un método para proporcionar un revestimiento de pintura de una composición de pintura polimérica orgánica en una superficie de substrato en movimiento, del tipo que comprende establecer una cantidad de la composición de pintura, en una forma de alto contenido de sólidos, a una temperatura tal que sea dispersable, en un punto de apriete definido por la superficie de substrato y un rodillo de nivelación, para
permitir que la pintura de la cantidad establecida pase a través del punto de apriete como una capa de pintura en la superficie de substrato, en donde el rodillo de nivelación tiene un coeficiente de rugosidad superficial (usualmente referido por el simbol Ra) no mayor a 1.5 y en donde la velocidad máxima de superficie del rodillo de nivelación, expresado como un porcentaje de la velocidad de substrato tiene una relación lineal a la velocidad de substrato, de manera tal que la velocidad de superficie del rodillo de nivelación no es mayor a 1.2 por ciento de la velocidad de substrato a una velocidad de substrato ejemplarmente baja de 15 metros por minuto y no mayor a 12 por ciento de velocidad de substrato a una velocidad ejemplar de substrato de 150 metros por minuto. En modalidades preferidas de la invención, el Ra no es mayor a 0.8. El término coeficiente de rugosidad superficial o Ra es un término definido en la especialidad, con referencia a un perfil seccional de una superficie, como el promedio aritmético de las distancias de separación de los picos y canales del perfil de la línea promedio del perfil, expresado en micrómetros. De esta manera, entre más pequeño sea el valor de R3 entonces es más lisa la superficie . Por preferencia, la dirección de movimiento de la superficie del rodillo de nivelación en el punto de apriete
es la misma que la del substrato. Se notará que la invención incluye dentro de su ámbito, la instancia de un rodillo de nivelación estacionario que tiene una velocidad de superficie cero e instancias en donde la dirección de movimiento de la superficie de rodillo de nivelación es opuesta a la del substrato. A manera de ejemplo, se describen dos modalidades de la invención anteriormente descrita con más detalle a continuación con referencia a los dibujos acompañantes . Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es una elevación en sección longitudinal diagramática de un aparato con el cual puede realizarse el método de la invención. La Figura 2 es una vista similar a la Figura 1 de un segundo aparato con lo que el método de la invención puede realizarse. La Figura 3 es un gráfica que representa la relación entre la velocidad del substrato y la velocidad máxima de superficie del rodillo de nivelación sobre un rango de velocidad de substrato incluye los valores ejemplares de velocidad de substrato referidos en la definición del método de la invención. Habrá de notarse que las Figuras 1 y 2 son diagramas de explicación más que vistas de representación
actual del aparato. No son a escala. En particular los rodillos se redujeron en tamaño y de esta manera exhiben radios de curvatura mucho más pequeño que los que tendrían en realidad y se agrandaron enormemente los espesores de las capas de pintura. Modos para Llevar a cabo la Invención El aparato ilustrado en la Figura 1 se adapta para llevar a cabo el método de la invención, en instancias donde la superficie a pintar por si misma es la superficie de substrato. El aparato comprende un rodillo de nivelación 3 que forma un punto de apriete o contacto con una tira de metal del substrato en movimiento 4, a pintar. El rodillo 3 y la tira 4 se provoca que se muevan por medios convencionales en las direcciones de las flechas que ahí aparecen. El rodillo de nivelación de preferencia se proporciona con al menos una capa superficial de material elastomérico . Por ejemplo, el rodillo 3 puede comprender una capa de superficie de un hule de silicona termo resistente sobre un núcleo de acero. Aunque resiliente, la superficie elastomérica del rodillo de nivelación es relativamente dura, por ejemplo puede tener una dureza Shore A desde 35 a 90. De acuerdo con la invención el rodillo de nivelación 3 es un rodillo muy liso, con una Ra no mayor a 1.5, con un valor preferido, considerando la dificultad y el costo de obtener superficies muy lisas de
0.8. Un rodillo de respaldo (no mostrado) se proporciona en el lado opuesto de la tira del rodillo de nivelación 3 en el punto de apriete, para soporta la tira contra la fuerza considerable aplicada por el rodillo de alisamiento. Una capa con superficie relativamente rugosa 5 de una composición de pintura polimérica orgánica de alto contenido de sólidos, se deposita en la tira 4 en una posición corriente arriba del punto de apriete entre la misma y el rollo 3. La deposición de la capa 5 puede efectuarse por cualesquier medios convencionales. De preferencia, la velocidad de deposición se ajusta para adecuarse a la velocidad de uso deseada, teniendo en cuenta la velocidad de la tira y el espesor deseado del revestimiento de pintura terminada en la tira, a fin de evitar excesivo derramamiento o sobre flujo en la estación de nivelación o alisado. Sin embargo, una pequeña cantidad de reserva 6 de la composición de pintura, de preferencia se establece inmediatamente corriente arriba del punto de apriete . En modalidades alternas, la cantidad de reserva puede establecerse por depósito directo en el punto de apriete o por depósito sobre el rodillo de nivelación para transferencia de esta manera en la cantidad de reserva. En una modalidad alterna adicional, la composición de pintura se deposita directamente en el punto
de apriete o se deposita directamente sobre un conjunto de la composición de pintura establecido en el punto de apriete . Habiendo pasado a través del punto de apriete, la composición de pintura emerge, como dos corrientes, es decir un revestimiento de pintura de superficie lisa, todavía fluido 7 arrastrado en la tira 4 y una película delgada 8 arrastrada en la superficie del rollo 3 y regresada por él a la cantidad de reserva 6. El revestimiento de pintura 7 puede tener un espesor de 10 a 60 micrómetros, de preferencia de 12 a 25 micrómetros . En líneas de pintura continuas con tira de metal comercial, la velocidad de tira puede típicamente estar en el rango desde 15 a 120 metros por minuto. De acuerdo con la invención, la velocidad de superficie del rollo 3 no es mayor a un 1.2 por ciento de la velocidad de superficie de substrato de 15 metros por minuto, aumentando a no más de 9.6 por ciento de la velocidad de substrato a 120 metros por minuto. Esto colocara las velocidades de superficie de rodillo máximas correspondientes en un rango de 0.18 a 11.52 metros por minuto. Para referencia, sin embargo la velocidad de superficie actual del rollo en cualquier instancia sería menor que aquellos máximos y puede ser cero .
Básicamente, se puede decir que una relación de velocidad que cumple con los requerimientos de la invención se satisface para cualquier punto por de bajo de la línea de gráfica de la Figura 3. Habiendo dicho esto, deberá señalarse que no se prefiere velocidad cero por razones referentes a práctica comercial. Ocasionalmente una partícula adventicia grande puede estar presente en la composición de pintura. Si el rodillo de nivelación es estacionario, esta partícula no puede pasar a través del punto de apriete por un periodo prolongado provocando una falla correspondiente en un tramo largo del producto terminado. También, la rotación incluyendo muy lenta rotación, dispersa el desgaste del rodillo de nivelación sobre toda su superficie, llevando a una vida operacional más larga que la que sería el caso con un rodillo estacionario. Por lo tanto, modalidades preferidas de la invención utilizan velocidades de superficie de rodillo en el orden de 0.025 a 0.2 metro por minuto. Se conoce en las circunstancias del aparato ilustrado que entre más lenta sea la velocidad superficie del rodillo de nivelación respecto a la velocidad de superficie del substrato, entonces más delgada es la película transportada por el punto de apriete en el rodillo de alisamiento. En modalidades preferidas, el diferencial de velocidad entre las dos superficies en movimiento es tal
que la película 8 pueda tener un espesor promedio de 1 micrómetro o menos. Películas de pintura de ese espesor son difíciles de discernir a simple vista. El solicitante no estima que la siguiente hipótesis es correcta, sin embargo se sugiere que la película 8 es tan delgada que constituye una capa frontera que se mueve a través del punto de apriete substancialmente a velocidad constante de la superficie de rodillo de alisamiento. Ademas, la capa 7 de la composición de pintura en la tira se arrastra desde el punto de apriete a velocidad relativamente elevada de la tira. De esta manera se sostiene que el volumen de la composición de pintura viaje a través de punto de apriete o muy cerca de la velocidad de la tira. Se concluye que se produce deformación por esfuerzo cortante muy elevado en una capa muy delgada de la composición identificada por la línea punteada mostrada dentro de la cantidad de reserva 6. Se tiene la hipótesis de que la cantidad muy pequeña de composición que la capa delgada de alto deformación por esfuerzo cortante acoplada con la lisura de la superficie de la película que define un lado de la misma (debido a lo delgado y la lisura de la superficie de rollo) produce una lisura correspondiente en la superficie de la corriente de composición (que aparece como revestimiento de pintura 7) apartándose del punto de apriete. Como sea los resultados
de pruebas experimentales que conducen a la presente invención, muestran de manera conclusiva que se exhiben una lisura superior por revestimiento de pintura terminado en el substrato por métodos dentro de los parámetros estipulados de la invención, por comparación con métodos similares de la técnica previa que no cumplen con esos parámetros . En soporte de esta declaración, los resultados de una cantidad de estas pruebas se ponen en lista en la Tabla 1 siguiente. Los datos, condiciones operacionales y resultados registrados en la Tabla 1 no necesariamente representan parámetros de producción óptimos que se utilizarán comercialmente . Por el contrario, los ejemplos de la Tabla 1 se diseñaron para ilustrar el alcance y rango de parámetros identificados en la invención. Ademas, disponibilidad de línea de producción significa que el número de ejemplos a alta velocidad de tira fue limitado. La Tabla 1 también incluye ejemplos que cae dentro de la presente invención, Siendo las muestras números 2, 3, 4, 9, 12, 13, 15, 18, 19, 21, 23, 24 y 26. Como puede verse, cada uno de estos ejemplos produce un revestimiento que tienen una lisura estimada visualmente de bueno o mejor. Los números de muestra restantes, que no caen dentro del alcance de la presente invención, tienen
una lisura visualmente estimada de deficiente o muy deficiente . Tabla 1 Número Rodillo de Velocidad Velocidad ds de muestra de rodillo rodillo de ali- Nivelación Ra mpm samiento velocidad de tira 1 1.42 0.23 1.5% 2 1.40 0.17 1.1% 3 1.27 0.17 1.2% 4 0.71 0.15 1.0% 5 1.76 0.85 2.8% 6 1.76 0.66 2.2% 7 1.62 0.67 2.2% 8 1.33 0.87 2.9% 9 0.72 0.68 2.3% 10 1.78 1.23 3.1% 11 1.35 1.55 3.9% 12 1.28 1.24 3.1% 13 0.77 0.75 1.9% 14 0.62 1.63 4.1% 15 0.61 0.19 0.5% 16 1.70 0.94 1.9% 17 1.37 2.48 4.9%
Tabla 1 (Cont . ) Número Rodillo de Velocidad Velocidad de de muestra de rodillo rodillo de ali- Nivelación Ra mpm samiento - % velocidad de tira 18 1.29 0.94 1.9% 19 0.78 0.94 1.9% 20 0.75 2.52 5.0% 21 0.65 1.88 3.8% 22 1.80 8.74 8.7% 23 1.19 5.10 5.1% 24 0.78 2.05 2.1% 25 0.60 14.79 12.3% 26 0.58 2.40 1.6% Tabla 1 (Cont) Número Velocidad Espesor de Lisura de de muestra de tira Revest. de revestimiento mpm substrato µp? contra calificación
1 15 20 5 2 15 19 3
Tabla 1 (Cont) Número Velocidad Espesor de Lisura de de muestra de tira Revest. de revestimiento mpm substrato µtt? contra calificación
4 15 19 2 5 30 18 5 6 30 19 4 7 30 19 4 8 30 18 5 9 30 19 3 10 40 18 4 11 40 18 5 12 40 19 3 13 40 23 2 14 40 18 4 15 40 19 1 16 50 19 4 17 50 19 5 18 50 20 3 19 50 22 2 20 50 18 4 21 50 20 3 22 100 20 4 23 100 20 3
Tabla 1 (Cont) Numero Velocidad Espesor de Lisura de de muestra de tira Re es . de revestimiento mpm substrato µ? contra calificación
24 100 21 1 25 120 21 4 26 150 28 1
Calificación Visual No hay nervaduras 1 Excelente 20 2 muy bueno 30 3 bueno 50 4 deficiente 80 5 muy deficiente 100 Muestra calificadas 4 o 5 tienen rodillo de nivelación Ra o parámetros de velocidad fuera del alcance de lo reivindicado . La Figura 2 ilustra un aparato para efectuar el método de la invención, en donde la superficie de substrato en la cual se forma el revestimiento de pintura es la superficie de un rodillo de trasferencia revestido con hule 9, con lo que el revestimiento se transfiere a una tira en movimiento 4 en la cual se provoca o deja que fragüe para constituir el producto pintado terminado. Los componentes
res kht#P en la Figura 2 tienen números de referencia correspondientes a aquellos en los componentes correspondientes de la modalidad de la Figura 1, y no se describen más aquí. Se menciona sin embargo que el rodillo de nivelación 3 de esta modalidad puede ser un rodillo de acero o un rodillo con superficie de hule muy dura.