DE4100771A1 - Applikator-vorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Applikator- Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Flüssige Beschichtungsgemische werden auf die Ober­ fläche von Papierbahnen und vergleichbare bandähnliche Materia­ lien durch verschiedene Walzenapplikator-Vorrichtungen auf­ getragen. In diesen Vorrichtungen passiert die zu beschich­ tende Bahn einen Walzenspalt, der durch zwei Walzen gebildet wird, wobei die untere Walze teilweise in das Be­ schichtungsgemisch eintaucht, das in einer Pfanne enthalten ist. Durch ihre Umdrehung hebt die untere Walze das Be­ schichtungsgemisch aus der Pfanne auf die Bahn.

Im allgemeinen ist die tangentiale Geschwindigkeit der unteren Walze, welches die Applikatorwalze ist, geringer als die Bahngeschwindigkeit. Die Gemischmenge, die auf die Bahn übertragen wird, ist durch die Rotationsgeschwindigkeit der Applikatorwalze und deren Eintauchtiefe in das Gemisch bestimmt.

Das durch die Applikatorwalze angehobene Beschich­ tungsgemisch haftet an der Bahn, die sich in dem Spalt zwi­ schen den Walzen bewegt. Der Film aus Beschichtungsgemisch, der sich zwischen der Walze und der Bahn bildet, spaltet sich an der Trennung dieser Flächen hinter dem Walzenspalt nicht gleichmäßig auf. Der Film aus Beschichtungsgemisch wird gedehnt und spaltet sich ungleichförmig zwischen der Applikatorwalze und der Bahn auf, wobei durch das Spaltungs­ phänomen und die Instabilität des Flüssigkeitsflusses im Walzenspalt die Beschichtung leicht Ringmuster und störende Orangenhaut entwickelt. Die Stabilität des Flüssigkeits­ stroms hängt unter anderem von der Tangentialgeschwindigkeit der Walzen, der Geschwindigkeitsdifferenz der Walzen, ihren Durchmessern und dem Spaltabstand zwischen den Walzen ab. Bei Walzen unterschiedlichen Durchmessers beeinflußt der Durchmesser der kleineren Walze die Stabilität stärker als der Durchmesser einer größeren Walze und ein kleiner Walzen­ durchmesser begünstigt einen stabilen Betrieb (H. Benkreira, M.F. Edwards, Roll coating operations, Journal of Non- Newtonian Fluid Mechanics, 14/1988, 377-389).

Der Durchmesser konventionell eingesetzter Walzen in Walzenapplikator-Vorrichtungen kann nicht hinreichend vermindert werden, um unter allen Betriebsbedingungen einen stabilen Flüssigkeitstrom zwischen den Walzen beizubehalten. Beispielsweise setzt eine hohe Bahngeschwindigkeit und eine große Maschinenbreite einen großen Walzendurchmesser voraus, um den Walzenspalt hinreichend gerade zu halten und um die Schwingung der Walze mit ihrer Eigenfrequenz zu vermeiden. Ferner wird angenommen, daß ein hinreichend großer Durchmes­ ser erforderlich ist, um eine ausreichende Menge der Be­ schichtungsmischung in einer kontrollierten und nicht sprit­ zenden Weise in den Walzenspalt zu heben, während gleichzei­ tig durch die schnelle Drehung keine Luftzuführung in die Pfanne verursacht werden soll.

Wenn luftenthaltende Beschichtungsmischung auf die Bahn gebracht wird und die Bahn den Walzenspalt passiert hat, wird die in der Mischung mitgeführte Luft an die Ober­ fläche freigegeben, wodurch Krater gebildet werden, welche die Qualität der Beschichtung vermindern. Zudem kann in der Mischung mitgeführte Luft auf der Bahn Spuren verursachen, die völlig ohne Beschichtung sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Applikator-Vorrichtung zu erzielen, die eine stabile Über­ tragung der Beschichtungsmischung auf die Bahnoberfläche liefert.

Die Erfindung basiert auf dem Anheben der Beschich­ tungsmischung auf die Bahn mittels einem Band, und dann dem Andrücken des Bandes gegen die Bahn mittels eines Gleit­ schuh, der einen geringen Durchmesser hat.

Ausführlicher ist die Vorrichtung entsprechend der Erfindung durch das gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angeführt ist.

Die Erfindung ermöglicht es, die instabile Ringmuste­ rung zu vermeiden, die charakteristisch für Walzenappli­ katoren ist, und das Auftreten von Orangenhautstrukturen zu vermindern. Wegen der verbesserten Stabiliät der Flüssig­ keitsströmung, die durch den Walzenspalt passiert, kann die Bahngeschwindigkeit gesteigert werden, ohne die Be­ schichtungsqualität zu beeinträchtigen. Die Luftzuführung in die Beschichtungsmischung ist vermindert, wodurch sich die Qualität der Beschichtung verbessert. Weiterhin ist die Vorrichtung geeignet zur Beschichtung verschiedener Materialien mit schwierig zu handhabenden Beschichtungen, so wie Klebstoffen, mikroverkapselten Beschichtungsmaterialien und Plastik. Wegen der vorteilhaften Konstruktion der Vor­ richtung entsprechend der Erfindung kann der Walzenabstand auch in breiten Maschinen gerade gehalten werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefüg­ ten Zeichnungen detaillierter erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Stabilitätsgrenze einer Flüs­ sigkeitsströmung in verschiedenen Zuständen.

Fig. 2a und 2b zeigen schematisch den Betrieb von Walzen­ applikator-Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.

Fig. 3 zeigt ein Schema, welches ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erklärt.

Fig. 4 zeigt ein Schema, welches ein anderes Ausführungsbei­ spiel der Erfindung erklärt.

Fig. 1 zeigt eine theoretische Stabilitätsgrenze des Beschichtungsfilm auf Walzen, die in die gleiche Rich­ tung rotieren, sowie einige Stabilitätswerte, die unter experimentellen Bedingungen erhalten wurden. Auf der hori­ zontalen Achse des Diagramms ist das Geschwindigkeitsver­ hältnis r_s der Walzen und auf der vertikalen Achse ein Pro­ portionalitätsfaktor aufgetragen, der aus verschiedenen Parametern berechnet wird, welche das Verhalten des Flüs­ sigkeitsfilm charakterisieren. Dieser Proportionalitäts­ faktor wurde aus der folgenden Formel berechnet:

Proportionalitätsfaktor = Ca/
wobei
Ca = µU_B/δ
µ = Viskosität
U_B = Tangentialgeschwindigkeit der Applikatorwalze
δ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit
h₀ = Spaltbreite zwischen den Walzen
R = 2/(1/R_T + 1/R_B)
R_T = Durchmesser der Stützwalze
R_B = Durchmesser der Applikatorwalze

Der am einfachsten zu verändernde Parameter, welcher den Proportionalitätsfaktor beeinflußt, ist der gemittelte Durchmesser R der Walzen 1 und 2. Der Kapillaritätsfaktor Ca wird aus den Eigenschaften der Beschichtungsmischung bestimmt. Die Walzenspaltbreite h₀ wird in der Praxis ent­ sprechend dem benötigten Beschichtungsgewicht gewählt. Weil die Wahl des Beschichtungsmaterials im allgemeinen be­ schränkt ist und die Geschwindigkeit der Aplikatorwalze 2 durch die benötigte Bahngeschwindigkeit bestimmt ist, verbleibt als einziger veränderbarer Parameter der mittlere Durchmesser R der Walzen 1 und 2.

Entsprechend Fig. 1 ist der Flüssigkeitsfilm stabil, wenn das Geschwindigkeitsverhältnis und der Proportionali­ tätsfaktor hinreichend klein gehalten werden. Weil das Ge­ schwindigkeitsverhältnis durch die Betriebsbedingungen fest­ gelegt ist, als da sind Beschichtungsgewicht und Bahnge­ schwindigkeit, sollte der Proportionalitätsfaktor so klein wie möglich gehalten werden. Der Proportionalitätsfaktor kann vermindert werden, indem die Durchmesser der Walzen 1 und 2 kleiner gemacht werden. In Vorrichtungen konventio­ neller Technologie, dargestellt in Fig. 2a und 2b, hebt eine Applikatorwalze 2, die in gleicher oder Gegenrichtung wie die Stützwalze 1 rotiert, die Beschichtungsmischung 4 aus einer Pfanne 3 auf die Bahn 5. Die Durchmesser der Walzen in solchen Vorrichtungen können nicht hinreichend vermindert werden, um sie bis zu hohen Geschwindigkeitsver­ hältnissen innerhalb des stabilen Bereichs des Strömungs­ stabilitätsdiagramms zu betreiben.

Im vorteilhaftesten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, das in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Applikatorwalze gegen ein Band 6 und einen Gleitschuh 8 ersetzt. Mit Hilfe des Bandes 6, das über den Gleitschuh passiert, kann der Krümmungsradius R im Walzenspalt klein gemacht werden. In dieser Vorrichtung entspricht dem Krümmungsradius der Appli­ katorwalze 2 der Biegeradius des Bandes 6 über dem Gleit­ schuh 8. Die hier beispielhaft dargestellte Vorrichtung ist zur Beschichtung von Durchschlagpapier mit einem mikro­ gekapselten Beschichtungsgemisch vorgesehen. Das Band 6 besteht aus vulkanisiertem Gummi auf einem Polyamid-Basisge­ webe. Das Band 6 läuft aus einer Beschichtungsgemischpfanne 3 zu dem Spalt, der durch die Stützwalze 1 und den Gleit­ schuh 8 gebildet wird. Der Gleitschuh 8 ist mit Polytetra­ fluoräthylen beschichtet und mittels eines Andruck­ schlauchs 9 an einem Stützträger 10 befestigt. Mit Hilfe des Andruckschlauchs 9 können Spaltbreitenabweichungen, die durch die Biegung des Gleitschuhs 8 und der Stützwalze 1 verursacht werden, auf die gleiche Weise kompensiert wer­ den, wie die Blattbiegung in einem Blattbeschichter mittels eines Druckschlauchs kompensiert wird. Die Geschwindigkeit der Papierbahn 5 beträgt 1000 m/min, welche gleichzeitig die Tangentialgeschwindigkeit der Stützwalze 1 ist. Der Durchmesser der Stützwalze beträgt 800 mm und der Durch­ messer der Tragrollen 7 beträgt 400 mm. Alle Rollen sind chromplattiert.

Die Drehrichtungen in der Vorrichtung sind durch Pfeile in den Rollen 1 und 7 bezeichnet. Im vorliegenden Fall bewegen sich das Band 6 und die Papierbahn 5 in die gleiche Richtung, wobei die Geschwindigkeit des Bandes 6 ungefähr 20% der Geschwindigkeit der Bahn 5 beträgt. Während des Auftrags der Beschichtung wird das Beschichtungsgemisch aus der Beschichtungsgemischpfanne 3 mit dem Umlauf des Bandes 6 auf dem Band zu dem Spalt zwischen dem Gleitschuh 8 und der Stützrolle 1 gefördert. In dem Spalt haftet ein Teil des Gemischs an der Papierbahn 5 an, und bildet so die erwünschte Beschichtung auf der Bahn. Ein kleiner Teil des durch das Band 6 angehobenen Beschichtungsgemischs wird in die Pfanne 3 zurückgeführt. Der Krümmungsradius des Gleitschuhs 8 beträgt 30 mm, und der Biegungswinkel des Bandes 6 im Spalt beträgt 60°. Diese Anordnung macht den Krümmungsradius, der durch das Band 6 und den Gleitschuh 8 im Spalt gebildet wird, klein, woraus ein kleiner mittlerer Krümmungsradius R der Stützwalze 1 und des Bandes 6 resul­ tiert. Dadurch arbeitet die Vorrichtung innerhalb des stabi­ len Bereichs des in Fig. 1 dargestellten Diagramms.

In einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Tragerollen 7 durch eine ein­ zige Rolle 11 mit einem großen Durchmesser ersetzt, welche auf ihrem Umfang das Band 6 trägt, welches das Beschich­ tungsgemisch auf eine Applikatorwalze 12 überträgt, und von dort weiter auf die Bahn 5. In diesem Fall ist die Bahn 5 so angeordnet, daß sie die Walze 12 von oben passiert und an der Wälze 12 dicht anliegt, so daß sie sich zu beiden Seiten der Walze 12 nach unten krümmt. Falls benötigt, kann in diesem Ausführungsbeispiel auf die Stützwalze 1 verzich­ tet werden.

Zusätzlich können die oben beschriebenen Ausführungs­ beispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf alternative Weisen ausgeführt werden. So kann der Gleitschuh durch eine Walze mit kleinem Durchmesser ersetzt werden, deren Durchbiegung mittels Kreuzkompensation ausgeglichen wird.

Für den Gleitschuh geeignete Materialien sind z. B. Keramik, Stahl und thermisch stabile Kunststoffe mit geringer Reibung so wie Nylon. Der Durchmesser des Gleitschuhs 8 und der ge­ ringste Wert des Biegewinkels für das Band 6 in dem Spalt sind durch den kleinsten zulässigen Biegewinkel des Band­ materials bestimmt. Für gebräuchliche Bandmaterialien liegt dieser Radius in der Größenordnung von 20 mm. Das Material für das Band 6 kann Stahl, Nylon, ein anderer Kunststoff oder Gummi, sowie jede Kombination dieser Werkstoffe sein. Der begrenzende Faktor bei der Materialauswahl für das Band ist die Anforderung, daß die Oberfläche des Bandes 6 glatt und nicht exzessiv hydrophob sein muß, weil anderenfalls das Beschichtungsgemisch nicht am Band haften und zu der Bahn 5 gefördert werden könnte.

Es kann vorgesehen werden, daß das Band 6 sich in die gleiche Richtung bewegt wie die Bahn 5, oder alternativ, in deren Gegenrichtung. Die Geschwindigkeit des Bandes 6 kann mit einer Geschwindigkeitskontrolleinrichtung zwi­ schen ungefähr 10 ... 50% der Bahngeschwindigkeit gewählt werden, da die Geschwindigkeit des Bandes 6 zur Steuerung der Beschichtungsgemischmenge verwendet wird, die aus der Beschichtungsgemischpfanne 3 in den Spalt übertragen wird, der durch das Band 6 und die Bahn 5 gebildet wird.

Claims (10)

1. Applikatorvorrichtung für das Beschichten von Bahnen (5), im besonderen von Papierbahnen, wobei in der Vorrichtung die Beschichtungsmischung auf eine Bahn (5) oder eine Walze in einem Walzenspalt aufgebracht wird, und die Vorrichtung eine Beschichtungsgemischpfanne (3) und wenigstens zwei Walzen enthält, gekennzeichnet durch

• - ein Band (6) geeignet zur Übertragung des Beschichtungs­ gemischs aus der Pfanne (3) in den Walzenspalt,
• - ein gekrümmtes Trägerbauteil (8), das so an einer Seite des Bandes (6) angebracht ist, daß es die Krümmung des Bandes (6) um die beiden Seiten des Trägerbauteils (8) und gegen den Walzenspalt ermöglicht, und
• - wenigstens eine Rolle (7, 11) die in der Beschichtungs­ gemischpfanne (3) angebracht ist, und um deren Umfang das Band (6) verläuft, so daß der Krümmungsradius des Bandes (6) beim Lauf um die Rolle (7, 11) wesentlich größer ist, als beim Lauf um das gekrümmte Trägerbauteil (8), welches gegen das Band (6) drückt, und daß die Rolle (7, 11) und das gekrümmte Trägerbauteil (8) inner­ halb der vom Band (6) gebildeten Schleife liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rollen (7) in der Beschichtungsgemischpfanne (3) angebracht sind, so daß das Band (6) zwischen den Rollen (7) und dem gekrümm­ ten Trägerbauteil (8) in einer dreieckigen Schleife umläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekrümmte Trägerbauteil (8) ein Gleitschuh ist, dessen Krümmungsradius gegen das Band (6) weniger als 80 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekrümmte Trägerbauteil (8) eine Rolle mit einem kleineren Radius als 80 mm ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungs­ radius des Bandes (6) um das gekrümmte Trägerbauteil (8) kleiner als 80 mm ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (6) so angeordnet ist, daß es im Walzenspalt in die gleiche Richtung läuft wie die Bahn (5).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (6) so ange­ ordnet ist, daß es im Walzenspalt in Gegenrichtung zur Bahn (5) läuft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekrümmte Trägerbauteil (8) so angeordnet ist, daß es durch ein mit Gas oder Flüssigkeit gefülltes Andruckbauteil (9) gegen den Walzenspalt gedrückt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekrümmte Trägerbauteil (8) aus Stahl, keramischem Material oder Pla­ stik gefertigt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gekrümmte Bauteil (8) mit Polytetrafluoräthylen beschichtet ist.