TW201332664A - 毛細管歧管塗層裝置及使用方法 - Google Patents

毛細管歧管塗層裝置及使用方法 Download PDF

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Abstract

一種塗層裝置及其使用方法，其中在塗佈期間，至少一個毛細管與一移動基板接觸。

Description

毛細管歧管塗層裝置及使用方法
本發明係關於用於移動基板之連續塗佈的毛細管塗層裝置及其使用方法。
持續不斷地需要廉價且可靠的塗層裝置，其可用來以優良之腹板縱向(downweb)及腹板橫向(crossweb)均勻性及可控制塗層寬度而在寬的腹板上連續且可控制地塗佈黏性流體。塗佈模具方法具有難以製造具有優良腹板橫向厚度均勻性之寬模具的缺點，且模具之成本及重量隨著寬度增大而成為限制。滾動料壟方法具有難以在塗層重量及塗層寬度兩個方面進行控制之缺點，且具有塗層厚度可變的傾向。缺乏在寬的腹板上精確地控制塗層寬度之能力導致(例如)未塗佈之腹板、材料、溢出之塗層流體等形式之浪費。此外，一旦此一塗佈方法已受到控制，改變任何變數(諸如，塗層流體之黏度、或塗層之所要完工厚度、或線速度)便需要對許多其他變數的繁重之試誤改變，以便重新控制該塗佈方法。
在塗層器件中使用毛細管為已知的。許多毛細管塗佈方法涉及在正塗佈之基板上提供塗層流體之儲集囊或滾動料壟。必須使用額外器件(諸如，軋輥)來對此儲集囊進行計量。此一系統之控制為困難的。美國專利第8,257,794號(王(Wang)等人)揭示並不使用滾動料壟之另一已知毛細管塗佈方法，其中毛細管首先與待塗佈之基板接觸以開始塗 層流體之流動，且接著自表面撤回精確距離以便在塗佈期間維持該流動。此一系統亦難以控制。已知毛細管塗佈方法之其他共同缺點在於，其面臨在塗層液體之逐小液滴之施配或高速率高體積射流之間的選擇，而不是允許連續施配受控流。
需要廉價且可靠的塗層裝置，其可用來以優良之腹板縱向及腹板橫向均勻性及可控制塗層寬度而在寬的腹板上連續且可控制地塗佈黏性流體。
本發明提供一種廉價且可靠的塗層裝置，其可用來以優良之腹板縱向及腹板橫向均勻性及可控制塗層寬度而在腹板(必要時包括寬的腹板)上連續且可控制地塗佈黏性流體。本發明亦提供一種使用此一裝置進行塗佈之方法。
簡而言之，本發明之塗層裝置包含：至少一個(通常複數個)毛細管，其具有一排放端；至少一個毛細管歧管，其與該至少一個毛細管連通；至少一個連續泵浦器件，其向該至少一個毛細歧管供應流體；及至少一個位移器件，其中該裝置經調適以將該至少一個毛細管之排放端定位並接著維持為與移動基板實體接觸，以便將流體沈積至該基板上。
簡而言之，本發明之方法包含以下步驟：提供至少一個移動基板；將一塗層裝置定位成接近該基板，該塗層裝置包含：至少一個毛細管，其具有一排放端；至少一個毛細管歧管， 其與該毛細管連通；至少一個連續泵浦器件，其向該毛細歧管供應流體；及至少一個位移器件，其中該裝置經調適以將該至少一個毛細管之排放端定位並接著維持為與移動基板實體接觸，以便在不具有滾動料壟的情況下將流體沈積至該基板上；以一方式啟動該位移器件，以使該毛細管在其排放端與該移動基板實體接觸；操作該連續泵浦器件以便將一待塗佈之流體遞送至該毛細歧管；及在該待塗佈之流體至該基板上之該沈積的整個持續時間期間，維持該毛細管之該排放端與該移動基板之間的實體接觸。
參看圖式來進一步解釋本發明。
毛細管效應為液體對抗重力或其他強制力而流動以使得在靜態狀況(僅有重力，而不存在其他強制力)下液體在諸如薄管之狹窄空間中或在諸如紙張之多孔材料中或在諸如液化碳纖維之一些非多孔材料中自發地上升的能力。該效應因為液體與固體周圍表面之間的分子間吸引力而發生。若管之直徑足夠小，則表面張力(其由液體內之內聚力導致)以及液體與容器之間的黏著力的組合用以將液體沿著管向上提昇某一高度。
在足夠狹窄之圓形截面(半徑a)中，兩種流體(例如，水與空氣)之間的界面形成彎液面，其為具有半徑R之球體之 表面的一部分。跨越此表面之壓力差為：
此可藉由以具有(例如)彎液面之底部處的接觸角邊界條件以及指定高度邊界條件的球形形式書寫楊-拉普拉斯(Young-Laplace)方程式來展示。
解為球體之一部分，且該解將僅針對上文展示之壓力差而存在。球體之半徑將僅為接觸角θ之函數，接觸角θ轉而取決於相互接觸的流體與固體的實際性質： 以使得壓力差可書寫為：
為了維持流體靜力平衡，所引發之毛細管壓力由高度h之改變來平衡，該改變可取決於潤濕角小於抑或大於90°而為正或負的。針對密度ρ之流體： 其中γ為液體-空氣表面張力(力/單位長度)，θ為接觸角，ρ為液體之密度(質量/體積)，g為當地重力場強度(力/單位質量)，且r為管之半徑(長度)。
針對在標準實驗室條件下於空氣中的水填充之玻璃管，γ在20℃下為0.0728 N/m，θ為20°(0.35弧度)，ρ為1000 kg/m3，且g為9.8 m/s2。針對此等值，水柱之高度為
因此，在實驗室條件下，針對4 m(13 ft)直徑之玻璃管(半徑為2 m(6.6 ft))，水將上升不顯著的0.007 mm(0.00028 in)。然而，針對4 cm(1.6 in)直徑之管(半徑為2 cm(0.79 in))，水將上升0.7 mm(0.028 in)，且針對0.4 mm(0.016 in)直徑之管(半徑為0.2 mm(0.0079 in))，水將上升70 mm(2.8 in)。此一管足夠狹窄而被視為毛細管。
為了使用毛細管之陣列作為塗佈模具之有效替代，必須克服毛細管力。否則，將不會有流體離開毛細管，即使在毛細管經定向以便在與塗層流之預期方向相同的方向上具有重力作用的情況下亦為如此。可藉由施加壓力(諸如，自泵浦)來克服毛細管力。然而，吾人注意到，在來自泵浦之強制壓力下，來自毛細管的流有兩種型態。在低強制壓力下，流體將以個別液滴之形式離開毛細管。此對塗佈目的而言為低效的。第二種型態需要更高壓力，且結果流體之高速率射流離開毛細管。此型態對塗佈操作而言亦為不便的，此係因為其大體上導致大於所需流的流。此等行為類似於滴管之熟知行為。
在本發明中，毛細管中之流體壓力(亦即，由對毛細管歧管進行饋料之連續泵浦施加的壓力或由毛細歧管中之流體供應器之組態施加的靜壓頭壓力)足夠低，使得在毛細管之排放端並不與基板實體接觸時，亦即，在其安置於自由空間中時，並無流體自其排放。
吾人已驚奇地發現，可簡單地藉由使毛細管之排放端與 待塗佈之移動基板實體接觸而在適度施加壓力之情況下克服毛細管力。在此等條件下，來自毛細管之流在基板之平面中具有抛物線剖面，為穩定的，且可處於適度流動速率。未形成小液滴或高速率射流。此外，簡單地藉由調整泵浦之通量率而容易實現對流動速率且因此最終塗層厚度之有效控制。由於此操作型態，本發明使得在令人驚訝的大黏度範圍內塗佈流體且達成具有令人驚訝的低塗層重量之均勻流體塗層成為可能。
以塗層裝置之任何部分觸碰移動基板之表面為反直覺的，因為此將相當有可能導致擦傷基板。然而，吾人亦已驚奇地發現兩種因素各自獨立地能夠極大消除此擦傷。首先，使毛細管之排放端變尖、對其進行加工或以其他方式進行處理以便不具有銳邊或毛邊極有助於減少擦傷。且，令人注目且相當令人驚訝的是發現若毛細管之排放端與移動基板之間的實體接觸至少接近切向接觸(亦即，在切向接觸的5°內，較佳在2°內)，則在適度強制泵浦壓力下維持了平滑流，同時實際上消除了擦傷。藉由使用不具有銳邊或毛邊之毛細管排放端與相對於移動基板之切向接觸兩者，而獲得最佳結果。在充分滿足此兩個考慮之狀況下，吾人已觀察到，有可能完全消除任何擦傷，即使在塗佈方法之整個持續時間期間毛細管之排放端保持與移動基板實體接觸亦為如此。
現參看意欲說明本發明之特徵而非進行限制的諸圖，圖1展示本發明之塗層裝置之一部分(毛細歧管單元100)的示 意圖。歧管入口管路110自連續泵浦器件(未圖示)直接或間接地接受塗層流體，且將流體輸送至毛細歧管120中。毛細歧管在其相對末端由歧管插塞130塞住。毛細歧管單元100可視情況裝備有位移器件之所有或一些部分，該位移器件經調適以使毛細管170之排放端180在必要時移動成與移動基板(未圖示)直接接觸以及脫離與移動基板(未圖示)直接接觸。在圖1之說明性實施例中，展示從動凸輪支座140及平坦履帶下滾輪150。參看圖3可看到其在說明性位移器件中之工作。展示複數個外殼160。此等外殼可為用於將複數個毛細管170附加至毛細歧管120而保持連通以使得流體可自毛細歧管120流動至排放端180的任何緊固構件。此一外殼之實例將為魯厄式(luer)螺紋鎖定配接器。每一毛細管170具有排放端180。此等排放端應全部經配置以使得其在工程容差內儘可能接近共線。
圖2示意性地但更詳細地展示一個毛細管170、其外殼160、毛細歧管120及用於將毛細歧管固持於塗層裝置中適當位置處的支撐結構210的截面圖。
圖3展示塗層裝置300之一個特定說明性實施例之示意圖，不同之處在於至少一個連續泵浦器件(未圖示，自此視角隱藏在可見部分之後)。預期本發明之塗層裝置300可經組態以將一個塗層塗覆至一個移動基板或將可相同或不同的兩個或兩個以上塗層塗覆至可相同或不同的一或多個移動基板310。多個移動基板310上之此等多個塗層之不同最終目的為預期到的，且對於一般熟習塗佈或腹板處理技 術者而言將顯而易見。出於說明預期設計特徵中之一些的目的，圖3示意性地展示塗層裝置300，其出於在軋輥層壓機320中黏著性地聯合兩個移動基板的目的而將兩個塗層塗覆至兩個移動基板310上。軋輥層壓機320具有軋輥接觸的兩個輥330。首先塗佈兩個移動基板310，接著將其一起攜載於軋輥層壓機320中以形成層壓產品340。毛細管170展示為處於稍未達到與移動基板310之切向實體接觸的位置中。由於圖3之視角，可看到每一組毛細管170中之僅一者接近每一移動基板310，其他毛細管170在存在時將位於此圖中所示之兩者的正後方，較佳如圖1所示以共線方式配置。可看到歧管插塞130之末端。在此視角中，毛細歧管120將位於歧管插塞130的正後方。展示了兩個平坦履帶下滾輪150。展示了支撐結構210。每一支撐結構安裝於平移滑桿350上。毛細管170以一方式安裝，以使得其僅藉由平移滑桿350之小平移(在此圖中自左至右)便與移動基板310切向實體接觸。
歸因於加工容差及其他因素，尤其針對大陣列之毛細管170，排放端180中之每一者將不可能精確共線。因此，有可能在啟動位移器件時，並非毛細管170之所有排放端180與移動基板310同時實體接觸。此問題可藉由以下方式來解決：確保毛細管170由可撓性材料製成，以使得隨著平移滑桿350繼續自左至右平移，首先與移動基板310實體接觸的毛細管170將略撓曲，而非鑿入至移動基板310中，直至所有毛細管170與移動基板310實體接觸為止。仍重要的 是，將容差保持極小，以使得在所有毛細管170與移動基板310實體接觸時，接觸點應全部位於排放端180處。若一或多個毛細管170在距離排放端180過遠的點處與移動基板310接觸，則有可能塗佈流體將不會離開彼毛細管，且可需要將此毛細管縮短或重新定向以便使其排放端180與其他排放端共線。
在所說明之實施例中，兩個平坦履帶下滾輪150中之最上部者隨著平移滑桿350中之最上部者平移而沿著彎曲區塊360延伸。此舉允許一旦最上部平坦履帶下滾輪150抵達彎曲區塊360之左端處的彎曲部分，在縮回事件(自右至左之平移)期間，毛細管170向上擺動而離開正道以用於清潔或其他目的。兩個平坦履帶下滾輪150中之最下部者在所說明之圖式中沿著長的筆直區塊370延伸。應理解，必要時，平坦履帶下滾輪150中之一者或兩者可在彎曲區塊360上或沿著筆直區塊370而延伸。亦預期到許多不同類型之位移器件為可能的。舉例而言，可經由旋轉運動而非線性平移運動來使毛細管170與移動基板310接觸。且，在圖3所說明之狀況下，在兩個塗層塗覆至兩個移動基板310之情況下，兩個位移器件可一致地或獨立地移動。不同位移器件之使用亦為預期到的，且將容易由熟習此項技術者選擇。舉例而言，一個位移器件可為如圖3所示之平移滑桿350，且另一個為旋轉類型。
一陣列中之毛細管170之數目不受限制。包括基板寬度、線速度、所要塗層厚度及塗層流體黏度的多個因素將 影響毛細管170之數目及間距。若希望所塗覆之塗層在遭遇下一件直列處理設備(此處，軋輥)之前在腹板橫向厚度上為單一且均勻的，則將需要毛細管足夠緊密地置放在一起以在塗層流體之黏度下實現「平整化」。另一方面，如圖3所示之軋輥裝置可用於輔助平整化。然而，此與滾動料壟系統相反，在滾動料壟系統中，軋輥起計量作用且幫助確定塗層重量及腹板橫向厚度均勻性。
位移器件之性質及位置不受特定限制。其功能為將毛細管之排放端移動成與移動基板接觸，較佳切向接觸。因而，其可移動毛細管自身，或包括毛細管之塗層裝置的任何較具包容性的子總成。該移動取決於組態及其他細節可為線性或旋轉的。
塗層流體黏度亦不受特定限制。已成功塗佈在約200至約325厘泊(cP)之黏度範圍中的黏著劑。咸信可根據本發明而塗佈具有更高黏度(可能高多個量級)之塗層流體。為了發現黏度之下限，塗佈純丙酮(黏度為約0.3 cP)。在類似於圖3所說明之系統的雙塗層系統中，對下基板進行塗佈類似於已針對200至325 cP黏度範圍所述之內容。對上基板進行塗佈較具挑戰性。在此一倒置定向(關於重力)上塗覆此一低黏度塗層較困難。需要更精確地調整毛細管以達成切向接觸，且使所有管與移動基板實體接觸所需的可撓性毛細管之偏轉對於低黏度流體而言較困難，從而導致一些產品擦傷。然而，獲得了連續塗佈，且似乎低黏度塗層流體之效應僅為使精確容差更重要。若使用兩個或兩個以 上毛細歧管，則可由相同或不同連續泵浦器件來對其進行供應。必要時，可對其供應相同或不同塗層流體。
將如下參看圖3進行使用本發明之裝置的連續塗佈之方法。一般熟習此項技術者應理解，此程序描述將針對某些細節不同於圖3所示之實施例的本發明之實施例之用途而合適地進行調整。
該程序始於毛細管170經由平移滑桿350或其他位移器件之移動而縮回且離開正道。接著，塗佈站「線緒化(threaded)」，即，移動基板310開始進入正道準備通過裝置。隨著移動基板310線緒化且已進行運動，平移滑桿350在圖3中自左至右移動，直至毛細管170之排放端180與移動基板310(近切向)實體接觸為止。連續泵浦器件(未圖示)接著起動且調整為適用於所要塗層重量的預定速度。操作員觀察毛細管170中之每一者是否正接觸移動基板310且將穩定的塗層流體流遞送至移動基板310。若其中有任何部分未能可接受地執行，則使用平移滑桿350或可能亦已安裝於裝置中的精細調諧位移器件(未圖示)來進行細微調整。操作員亦在超出正塗覆塗層之點的點處在移動基板310上檢查擦傷。許多技術為可能的。一種此類技術為在交叉偏光鏡(一個置放於薄膜上方，且一個置放於薄膜下方)之間觀察薄膜。若存在任何擦傷(且假設所有毛細管170已適當製造為在其排放端180處不具有銳邊或毛邊)，則再次進行精細調整以便使所有實體接觸儘可能接近正切。可針對塗層重量而線上或離線分析層壓產品340，且可對連 續泵浦器件進行調整以調整塗層重量。
本發明之裝置及方法廣泛應用於涉及各種散佈技術的若干類型之塗佈應用。一種此類塗佈應用為軋輥雙層壓，如圖3中示意性地展示。可能存在在薄膜線上於預張布塗佈中的應用(在薄膜尚未在橫向方向上拉伸的薄膜生產線上的點處在薄膜之製造期間直列式地對薄膜進行塗佈)。其他應用將包括具有使薄膜難以藉由其他技術塗佈之表面特性的薄膜。在本發明之裝置的連續操作中，可自薄膜卷或直接自薄膜生產線供應薄膜。
本發明之裝置及使用方法應在待塗佈之輸入薄膜含有腹板接頭時實現塗佈線的改良之連續操作，因為軋輥壓力並不如同其在滾動料壟塗佈方法中一樣用於對塗層重量(塗層厚度)進行計量。
實例
將藉由以下說明性實例而進一步解釋本發明。
類似於圖3之塗層裝置的塗層裝置裝配有兩個系列之四十七個(47個)16號不鏽鋼毛細管，該等毛細管安裝至歧管中。塗佈裝置之兩側各自具有旋轉且滑動至相對於各別軋輥呈正切角度的精確完全停止位置的能力。塗層裝置之兩側各自由VIKINGTM CMD E02齒輪泵(Viking Pump,IDEX Corp.,Cedar Falls,IA)供應，且齒輪泵與歧管之間的連接為½吋聚合物管道。精確完全停止件經組態以使得若接觸移動基板之毛細管排放端導致擦傷，則實體接觸角可調整為較接近正切。相對於圖3之一個差別為第三薄膜被饋送 至軋輥層壓機，以使得其夾在兩個黏著劑塗佈之薄膜之間。接收層壓黏著劑之塗層的兩個外層薄膜為連續PET薄膜，其中薄膜寬度為670 mm。中央薄膜為多層光學薄膜(VIKUITITM雙層增亮薄膜，3M,St.Paul,MN)，其中薄膜寬度為648 mm。塗層流體為黏度為約325 cP的丙烯酸酯共聚物光學黏著劑。0.5密耳(12.7微米)厚之黏著劑連續塗層塗佈至PET移動基板中之每一者上。檢驗完工產品。輸入薄膜之厚度加上塗層厚度導致完工產品具有340微米之總平均厚度。方差僅為1.42微米，且標準偏差僅為1.19微米，兩個結果相比使用先前塗佈技術在相同產品構造上獲得的結果顯著較佳。
雖然已參看隨附圖式結合本發明之較佳實施例而全面描述了本發明，但應注意，各種改變及修改對於熟習此項技術者而言將為顯而易見的。除非此等改變及修改偏離如由隨附申請專利範圍界定之本發明之範疇，否則應理解為包括在該範疇內。
100‧‧‧毛細歧管單元
110‧‧‧歧管入口管路
120‧‧‧毛細歧管
130‧‧‧歧管插塞
140‧‧‧從動凸輪支座
150‧‧‧平坦履帶下滾輪
160‧‧‧外殼
170‧‧‧毛細管
180‧‧‧排放端
210‧‧‧支撐結構
300‧‧‧塗層裝置
310‧‧‧移動基板
320‧‧‧軋輥層壓機
330‧‧‧輥
340‧‧‧層壓產品
350‧‧‧平移滑桿
360‧‧‧彎曲區塊
370‧‧‧筆直區塊
圖1為具有複數個毛細管之毛細歧管之示意圖；圖2為連接至毛細歧管之一個毛細管之示意圖；及圖3為本發明之一個說明性塗層裝置之示意性側視圖。
此等圖式未必按比例繪製且意欲僅為說明性而不是限制性的。相似參考數字用以在每一圖式中表示等效組件。
130‧‧‧歧管插塞
150‧‧‧平坦履帶下滾輪
170‧‧‧毛細管
180‧‧‧排放端
210‧‧‧支撐結構
300‧‧‧塗層裝置
310‧‧‧移動基板
330‧‧‧輥
340‧‧‧層壓產品
350‧‧‧平移滑桿
360‧‧‧彎曲區塊
370‧‧‧筆直區塊

Claims (10)

  1. 一種用於在至少一個移動基板上連續塗佈之塗層裝置，其包含：至少一個毛細管，其具有一排放端；至少一個毛細管歧管，其與該至少一個毛細管連通；至少一個連續泵浦器件，其向該至少一個毛細歧管供應流體；及至少一個位移器件，其中該裝置經調適以將該至少一個毛細管之該排放端定位並接著維持為與一移動基板實體接觸，以便將流體沈積至該基板上。
  2. 如請求項1之塗層裝置，其包含複數個毛細管，每一毛細管具有一排放端，其中該複數個排放端實際上共線。
  3. 如請求項1之塗層裝置，其中該至少一個位移器件移動該整個塗層裝置。
  4. 如請求項1之塗層裝置，其進一步包含至少一個移動基板，其中該至少一個毛細管之該(等)排放端與該至少一個移動基板實體接觸。
  5. 一種用於在至少一個移動基板上連續塗佈之方法，其包含以下步驟：提供至少一個移動基板，將一塗層裝置定位成接近該至少一個移動基板，該塗層裝置包含：至少一個毛細管，其具有一排放端；至少一個毛細管歧管，其與該至少一個毛細管連通；至少一個連續泵浦器件，其向該至少一個毛細歧管進行供應；及至少一個位移器件，以一方式啟動該至少一個位移器件，以使該至少一個 毛細管在其排放端與該至少一個移動基板實體接觸，操作該至少一個連續泵浦器件以便將一待塗佈之流體遞送至該至少一個毛細歧管，及在該待塗佈之流體至該至少一個移動基板上之沈積的整個持續時間期間，維持該至少一個毛細管在其排放端與該至少一個移動基板之間的該實體接觸。
  6. 如請求項5之方法，其中該至少一個毛細管包含複數個毛細管，每一毛細管具有一排放端，以使得該複數個毛細管具有複數個排放端。
  7. 如請求項6之方法，其中在與該移動基板實體接觸時，該複數個排放端實際上共線。
  8. 如請求項7之方法，其中該等毛細管為可撓性的，該複數個排放端在由該位移器件推進該等毛細管與該移動基板接觸而與該移動基板實體接觸時為共線的。
  9. 如請求項5之方法，其中存在至少兩個毛細歧管、至少兩個移動基板、至少兩個位移器件以及每一毛細歧管中所容納之至少一個毛細管，且其中第一毛細歧管中所容納之該至少一個毛細管由第一位移器件以一方式移動以便使該至少一個毛細管在其排放端與第一移動基板實體接觸，且第二毛細歧管中所容納之該至少一個毛細管由第二位移器件以一方式移動以便使該至少一個毛細管在其排放端與第二移動基板實體接觸。
  10. 如請求項5之方法，其中以一方式啟動該至少一個位移器件以便使該至少一個毛細管之該(等)排放端在相對於 該裝置上之某一參考點的一線性平移方向上或在相對於該至少一個毛細管歧管的一旋轉方向上或在該兩個方向上同時或依序移動。
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