KR100372206B1

KR100372206B1 - 장력상승나이프피복방법

Info

Publication number: KR100372206B1
Application number: KR1019970702227A
Authority: KR
Inventors: 마크 알. 스트렌저; 로버트 비. 세콜; 버나드 지. 렌즈
Original assignee: 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 2003-03-15
Also published as: EP0784516B1; US5612092A; AU688958B2; DE69512798T2; EP0784516A1; MX9702190A; JPH10506840A; CN1159774A; WO1996011069A1; CA2199718A1; KR970706074A; BR9509272A; NZ292030A; JP4185999B2; TW276194B; DE69512798D1; ZA957616B; CN1090541C; AU3371795A

Abstract

탄성 액체를 흐름 불안정성 없이 나이프 피복하기 위해, 액체가 가속화되어야만하는 거리를 증가시킴으로써 피복 비드의 상류 영역 내 신장율을 낮게 유지한다. 흐름 불안정성의 시작은 피복 비드의 상류 액체-공기 경계면을 비교적 길고 편편하게 함으로써 지연시킨다. 이것은 탄성 액체 스스로를 트로프로부터 비교적 멀리 그리고 절단 경로로 인장하게 하여 성취한다. 액체는 피복 비드의 상류 영역 내 신장 흐름에서 발생되는 액체 장력에 의해 절단 경로내로 올라갈 수 있다.

Description

장력 상승 나이프 피복 방법 {Tension Ascension Knife Coating Method}

피복은 기판, 일반적으로 고체 표면 기판과 접촉하는 기체를 액체와 같은 유체층으로 교체하는 방법이다. 때때로 다수의 피복층들을 서로의 상면에 도포한다. 종종 기판은 롤로 감겨진 웹과 같은 긴 연속형 시트 형태를 갖는다. 그 예로는 플라스틱 필름, 직물 또는 부직물 또는 종이가 있다. 웹을 피복하는 것은 대개 롤을 풀고, 액체층을 롤에 도포하고, 액체층을 고형화하고, 피복된 웹을 다시 롤로 감는 것을 포함한다.

피복물은 침착된 후 금속 코일 가공 중에 금속에 윤활유를 도포한 경우 또는 기판 표면을 활성화하거나 화학적으로 변형시키기 위해 화학 반응물을 도포한 경우 등에는 액상으로 남을 수 있다. 별법으로, 피복물은 휘발성 액체를 함유하는 경우 건조시킬 수 있거나, 또는 경화시키거나 달리 처리하여 고형층을 남길 수 있다. 그 예로는 페인트, 니스, 접착제, 광화학제 및 자기 기록 매체가 있다.

피복물을 웹에 도포하는 방법은 문헌[코헨, 이.디.(Cohen, E. D.)와 구토프,이.비.(Gutoff, E. B.),Modern Coating and Drying Technology, VCH Publishers, 뉴욕 1992] 및 문헌[사타스, 디.(Satas, D.),Web Processing and Converting Technology and Equipment, Van Vortstrand Reinhold Publishing Co., 뉴욕 1984]에 논의되어 있으며, 나이프 피복기가 포함된다.

나이프 피복은 고정 고체 부재, 나이프 및 웹 사이에 액체를 통과시켜, 나이프와 웹 사이의 틈새가 도포된 액체층 두께의 2배 미만으로 되도록 하는 것을 포함한다. 액체는 웹과 나이프 사이에서 전단되며, 층 두께는 틈새의 높이에 따라 크게 좌우된다. 많은 재료와 작동에 대해, 나이프 피복기는 물결, 이랑 또는 두꺼운 가장자리가 없는 매끈한 피복물을 제공한다. 웹은 그의 배면이 백업 롤러에 의해 지지될 수 있어서 종이 및 플라스틱 필름 기판에서 흔한 웹을 가로지르는 길이 방향 장력의 편차에 대한 피복 공정의 의존성을 없앨 수 있다. 나이프 피복기는 또한 피복물을 롤러에 직접 도포할 수 있으며, 후속적으로 롤러는 피복물을 웹에 전달한다.

다양한 나이프 피복기들을 구별짓는 한가지 특징은 액체를 나이핑(knifing) 경로에 도입시키는 방식이다. 도 1에 도시된 중력-공급형 나이프 피복기는 호퍼에 의해 웹에 대하여 눌려진 개방 풀로부터 액체를 공급받는다. 도 2에 도시된 필름-공급형 나이프 피복기는 다른 방법으로 웹에 도포된 층으로부터 액체를 공급받지만, 아직 원하는 두께, 균일성 또는 평활성을 갖지 않는다. 임의의 과잉 재료는 나이프를 흘러 내려 재순환을 위해 수거된다. 도 3에 도시된 다이-공급형 나이프 피복기는 상류 분기관(manifold)과 함께 나이핑 경로에 공급되는 유동물을 웹을 가로질러 균일하게 분배시키는 좁은 슬롯으로부터 액체를 공급받는다. 다이는 슬롯 경로를 형성하는 한 평판 상에 쐐기 또는 홈을 갖는, 함께 샌드위치된 두개의 평판들을 포함한다. 도 4A와 도 4B에 도시된 트로프-공급형 나이프 피복기는 넓은 슬롯 또는 트로프로부터 액체를 공급받고, 이는 좁은 슬롯 및 분기관에 의해 공급되어 웹을 가로질러 균일한 유동물 분배를 제공한다. 도 4B에서 피복기는 피복기의 웹상방(upweb) 측 상이 넘친다. 넘친 액체는 재순환된다.

피복시킬 액체가 고탄성인 경우, 나이프 피복기는 액체가 처음 웹에 접촉하는 피복 비드(bead)의 상류 영역에서 유동 불안정성으로 되기 쉽다. (피복 비드는 도포기와 기판 사이의 액체 브릿지이다.) 피복 비드의 상류 영역에서, 액체는 나이프 피복기의 상류 측과 이동 웹 사이의 틈새와 대략 동일한 거리에서 거의 0의 속도로부터 이동 웹의 속도로 가속되어야 한다. 이러한 가속 유동은 액체에 고신장율을 가한다. 고탄성 액체는 고전단율에서 전단 점도 (회전류) 보다 고신장율에서 훨씬 큰 연신 점도 (비회전류)를 나타낸다. 연신 점도와 전단 점도의 불일치는 피복 비드의 상류 영역 내에서 유동 불안정성을 일으켜 바람직하지 못한 피복 결함을 초래한다.

유동 불안정성에 대한 피복 공정의 감수성은 피복액의 탄성이 증가하고 웹 속도가 증가함에 따라 커진다. 불안정성은 보통 상류 측의 공간적 및 일시적으로 균일한 피복 비드가 웹횡단(crossweb) 방향으로 분할된 것으로 이행하는 동안 나타난다. 또한 피복 속도 또는 액체 탄성이 증가하면 피복 비드의 상류 영역 내에 보다 일시적이고 공간적인 불균일성을 초래한다. 피복 비드의 상류 영역에서의 유동불안정성은 최종 피복 필름에 피복 결함을 생성시킨다. 통상적으로, 결함은 웹하방(down-web) 방향에 평행하게 또는 웹을 가로질러 대각선으로 배향된 줄(streak) 또는 "빗살무늬(brushmarks)" 형태를 취한다. 이러한 유동 불안정성은 탄성 액체를 중력-공급형, 다이-공급형 및 트로프-공급형 나이프 피복기로 피복할 때 발생한다. 또한 유동 불안정성은 웹 상에 원료 필름을 침착시키는 방법에 따라 필름-공급형 나이프 피복기에서도 발생할 수 있다. 불안정성은 탄성 액체를 나이프 피복기로 피복할 때 발생한다 (여기서, 액체가 피복 비드의 상류 측에서 비교적 작은 틈새를 충전한다).

고탄성 액체를 유동 불안정성과 관련 피복 결함을 유발시키지 않으면서 고속으로 피복할 수 있는 나이프 피복기의 작동 방법이 필요하다.

발명의 요약

본 발명의 방법은 피복액을 표면 상에 도포하고, 피복 장치와 표면 사이의 상대적 이동을 제공하는 것을 포함한다. 피복액은 트로프 내로 직접 공급되며, 표면을 가로질러 횡방향으로 신장하는 트로프 구멍을 통해 표면에 도포된다. 피복물의 두께는 나이프를 사용하여 조절한다. 분리선 (피복액, 트로프의 웹상방 측 및 주변 기체의 교차선)과 습윤선 (피복액, 피복시킬 표면 및 주변 기체의 교차선) 사이에 충분한 거리를 유지시켜 상류 피복 비드 유동 불안정성을 제거한다.

피복액은 전단 점도에 대한 연신 점도의 비가 10 보다 큰 탄성 액체일 수 있다. 트로프 구멍은 적어도 원하는 피복 너비를 가로질러 횡방향으로 신장될 수 있다. 분리선과 습윤선 사이의 거리는 0.5 ㎝ 보다 클 수 있다. 분리선은 나이핑경로 아래에 위치할 수 있다.

분리선과 습윤선 사이의 거리는 트로프로의 액체 유입 속도와 나이핑 경로를 통한 액체 유출 속도를 조절함으로써 제어할 수 있다.

액체-기체 계면은 상류 피복 비드에서 분리선과 습윤선을 연결하는 표면이고, 실질적으로 평평할 수 있다. 또한 피복액의 유동학적 특성과 웹 속도를 선택하여 상류 공기-기체 계면의 단절 거리를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 방법은 액체의 연신 점도와 전단 점도 사이의 불일치성을 작게 하기 위해 피복 비드의 상류 영역 내의 신장율을 낮게 유지함으로써 유동 불안정성 없이 탄성 액체를 나이프-피복한다. 피복 비드의 상류 영역 내의 신장율은 액체가 가속되어야 하는 거리를 증가시킴으로서 낮게 유지시킨다. 유동 불안정성의 시작은 피복 비드의 상류 액체-공기 계면을 비교적 평평하게 함으로써 지연시킬 수 있다. 이는 탄성 액체 자체를 트로프로부터 나이핑 경로 내로의 비교적 긴 거리에 걸쳐 인장하게 하여 성취할 수 있다. 액체는 피복 비드의 상류 영역 내에서 신장 유동에서 발생되는 액체 장력에 의해 나이핑 경로 내로 상승한다.

본 발명은 웹에 피복물을 도포하는 나이프 피복 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 점탄성 액체를 위한 개선된 나이프 피복 방법에 관한 것이다.

도 1은 공지된 중력-공급형 나이프 피복기의 개략도이다.

도 2는 공지된 필름-공급형 나이프 피복기의 개략도이다.

도 3은 공지된 다이-공급형 나이프 피복기의 개략도이다.

도 4A 및 4B는 공지된 트로프-공급형 나이프 피복기의 개략도이다.

도 5는 횡단 유동 나이프 피복기의 개략적 측면도이다.

도 6은 장력 상승 나이프 피복기의 부분 단면의 개략적 측면도이다.

종래의 탄성 액체의 나이프 피복법은 피복 비드의 상류 영역에서 유동 불안정성으로 되기 쉽다. 비교적 비탄성인 액체를 피복하거나 또는 일부 경우 피복 속도를 낮게 유지할 때에는, 유동 불안정성이 없고 피복 비드의 상류 액체-공기 계면이 공간적 및 일시적으로 균일하다. 그러나, 액체의 탄성 또는 웹 속도가 증가하면, 피복 비드의 상류 영역 내의 유동은 불안정해질 수 있다.

도 5에 도시되고 1994년 2월 8일 출원된 미국 특허 출원 제08/193,425호에 개시된 횡단 유동 나이프 피복기는 트로프-공급형 나이프 피복기로서, 여기에서 트로프는 그의 말단들 중 하나로부터 피복액을 공급받는다. 이러한 공급 방식은 웹 표면의 이동과 함께 트로프의 너비를 따라 나선형 유동을 생성한다.

비록 액체 탄성을 몇가지 형태로 증명될 수 있지만, 이러한 유동 불안정성에서 활성형은 증강된 연신 점도이다. 연신 점도는 전단 유동 (회전류)에서 나타나는 전단 점도와는 대조적으로, 순수하게 연신되는 유동 (비회전류)에서 액체에 의해 나타난다. 탄성 액체는 낮은 변형율에서는 전단 점도에 상응하는 연신 점도를 갖는다. (일반적으로는 연신 점도는 낮은 변형율에서 전단 점도의 3-4배이다.) 보다 높은 변형율에서는, 탄성 액체의 연신 점도는 일반적으로 증가하지만 (때때로 극적으로), 전단 점도는 일정하게 유지되거나 또는 감소한다. 전단 점도에 대한 연신 점도의 비 (때때로 트루톤(Trouton) 비로 불린다)는 피복액이 종래의 나이프 피복기의 피복 비드의 상류 영역에서 유동 불안정성으로 되기 쉬운지를 결정하는좋은 지표이다. 트루톤 비가 1 내지 1000/초의 변형율 범위 내에서 10 보다 크면, 종래의 나이프 피복기에서 상류 피복 비드 유동 불안정성을 나타낼 수 있다.

따라서, 상류 피복 비드 유동 불안정성은 종래의 나이프 피복기의 피복 비드의 상류 영역에 나타나는 변형율에서의 액체의 연신 점도와 전단 점도 사이의 불일치에 의해 유발된다. 유동 불안정성의 발생을 막기 위해, 상류 피복 비드에서 신장율을 감소시켜 신장-전단 점도 불일치를 줄여야만 한다. 피복 비드의 상류 영역의 신장율은 피복 비드 주변에서 웹과 나이프 피복기의 상류 측 사이의 틈새에 대한 이동하는 웹의 속도비와 대략 동일하다. 중력-공급형, 다이-공급형 및 트로프-공급형 나이프 피복기는 0.1 내지 1 ㎜ (0.004 내지 0.040 인치) 범위의 상류 나이프 틈새를 갖는다. 0.5 m/초 (100 ft/분)와 같은 적당한 웹 속도에서, 이러한 크기의 틈새는 500 내지 5000/초 범위의 신장율을 생성한다.

본 발명의 방법은 나이프 피복기를 상류 피복 비드 유동 불안정성의 발생을 방지하도록 작동시킨다. 이는 피복액이 훨씬 먼 거리까지 신장하여 피복 비드의 상류 영역 내에서 훨씬 낮은 신장율을 겪을 수 있도록 함으로써 성취된다. 피복 비드의 상류 영역 내 가속 거리는 바람직하게 0.5 내지 12.7 ㎝ (0.2 내지 5 인치) 범위이다. 0.5 m/초 (100 ft/분)의 웹 속도에서, 신장 거리의 증가는 액체가 겪는 신장율을 100배 낮추어 4 내지 40/초 범위로 할 것이다. 신장율의 감소는 피복 비드의 상류 영역 내에서 액체의 연신 점도와 전단 점도 사이의 불일치를 크게 감소시킨다. 그밖에, 피복 비드의 상류 액체-공기 계면의 경로는 평평해지며, 이는 상류 피복 비드 유동 불안정성의 제거를 돕는다.

도 6은 장력 상승 나이프 피복 방법을 사용하는 피복기를 도시한다. 도시된 바와 같이, 피복시킬 표면은 변형될 수 있는 백업 롤러(14) 둘레를 통과하는 웹(12)이다. 별법으로, 피복물은 전달 롤러와 같은 중개 성분을 사용하여 기판에 전달시킬 수 있다. 다른 유체들을 또한 피복할 수 있고, 기판은 자유 스팬(free span)으로 피복할 수 있다.

피복기는 적어도 원하는 피복 너비 이상을 가로질러 횡방향으로 신장하는 구멍(26)을 갖는 트로프(15)를 포함한다. 웹(12)은 트로프 구멍(26) 상에서 피복 스테이션을 통해 이동한다. 웹(12)과 트로프(15)의 웹하방 측 사이의 틈새 영역이 나이핑 경로이고, 이를 통해 피복액이 유동하여 피복물을 형성한다. 나이프(28)는 웹(12) 상에 도포되는 피복액의 두께를 조절한다. 나이프(28)는 트로프 벽(20)에 부착된 별개의 부재일 수 있거나, 또는 벽의 표면일 수 있다. 나이프(28)는 평면형, 만곡형, 오목형 또는 볼록형일 수 있다. 나이프(28) 또는 백업 롤러(14)는 가요성일 수 있으며, 나이프(28)와 웹(12) 사이의 간격은 유체역학적 압력에 의해 유지시킨다.

트로프(15)는 대향하는 웹상방 벽(46)을 갖는다. 분리선(48) (이는 피복액, 트로프(15)의 웹상방 벽(46) 및 주변 공기 (또는 다른 기체)의 교차선임)은 트로프(15)의 웹상방 벽(46)에 위치한다. 상류 액체-공기 계면(50)은 분리선(48)을 액체와 이동 웹(12)의 제1 접촉점에 위치하는 습윤선(52)과 연결시키는 표면이다. (습윤선은 피복액, 웹(12) 및 주변 공기의 교차선이다.) 피복 비드의 상류 영역은 상류 액체-공기 계면(50)에 바로 부근의 영역이다. 피복액은 슬롯 및 캐비티를 갖는 분기관, 단일 공급포트 또는 다중 공급포트와 같은 수단을 통하여 펌프에 의해 트로프 내로 공급된다.

상기 장력 상승 나이프 피복기의 조작은 상류 피복 비드 유동 불안정성이 발생하지 않는, 교차선들(48, 52) 사이에 충분히 먼 거리를 유지하는 것을 포함한다. 이 거리는 통상적으로 0.5 ㎝ (0.2 인치) 보다 크다. 선(48)과 선(52) 사이의 거리는 트로프로의 액체 유입 속도와 나이핑 경로를 통한 액체 유출 속도에 의해 제어된다. 액체 유입을 트로프로부터의 액체 유출 보다 더 낮은 값으로 유지시키면 트로프 내의 액체 수준을 낮추며, 교차선(48)과 교차선(52) 사이의 거리를 증가시킨다. 이 거리가 상류 피복 비드 유동 불안정성이 유발되지 않을 만큼 충분히 클 때, 액체 유입과 유출을 실질적으로 동일하게 유지함으로써 트로프 내의 액체 수준과 교차선(48)과 교차선(52) 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있다.

비교적 긴 상류 공기-액체 계면을 갖는 나이프 피복기를 작동시키면 액체가 피복 비드의 상류 영역에서 겪게되는 신장율을 공지된 나이프 피복기에서 보다 더 작도록 할 수 있다. 그 결과, 피복 비드의 상류 영역에서 액체의 전단 점도와 연신 점도 사이의 불일치는 감소되고, 상류 피복 비드 유동 불안정성과 그에 수반되는 피복 결함이 제거된다. 그밖에, 상류 액체-공기 계면은 비교적 평평하여, 이는 상류 피복 비드 유동 불안정성에 대한 추가의 보호를 제공한다. 액체는 탄성 액체의 연신성으로 인한 장력과 중력의 상호 작용에 의해 길고 곧은 상류 공기-액체 계면을 유지할 수 있다. 장력은 피복액이 중력의 당김에 대하여 웹의 이동에 의해 트로프 구멍으로부터 나이핑 경로 내로 연속적으로 상승할 수 있도록 한다. 과잉의 액체는 나이핑 경로에 의해 트로프로 되돌아간다.

교차선(48)과 교차선(52) 사이의 거리가 너무 먼 경우, 상류 액체-공기 계면(50)은 단절될 것이고, 이동 웹(12)의 연속 피복은 중단될 것이다. 상류 공기-액체 계면의 단절이 일어나는 단절 거리는 피복액의 유동학적 특성과 웹 속도를 포함한 몇가지 조건에 의해 좌우된다. 보다 탄성인 유동학적 특성 (보다 큰 연신 점도)을 갖는 피복액을 사용하면 보다 먼 단절 거리가 관찰된다. 또한, 단절 거리는 일반적으로 웹 속도가 증가함에 따라 직선적으로 증가한다. 매우 낮은 탄성 특성을 갖는 피복액은 매우 짧은 단절 거리 (0.5 ㎝ 미만)를 갖는다.

본 발명의 범위와 취지를 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 변경이 이루어 질 수 있다. 예를 들면, 웹을 자유롭고 지지되지 않은 스팬에서 피복할 때, 트로프와 웹 사이의 틈새는 신장된 웹의 비틀어짐으로 인한 압력과 균형을 이루는 유체역학적 압력에 의해 유지된다.

Claims

트로프(15)와 나이프(28)을 구비한 트로프 피복 장치와 표면(12) 사이에 상대적 이동을 제공하고;

피복물을 중력의 당김에 대하여 상승시킴으로써, 표면(12)의 횡방향으로 신장하는 트로프 구멍(26)을 통해 표면(12)에 피복액을 도포하고;

피복액을 트로프(15)에 직접 공급하고;

나이프(28)을 사용하여 표면 상에 도포된 피복물의 두께를 조절하고;

피복액, 트로프의 웹상방(upweb) 벽(46) 및 주변 기체의 교차선인 분리선(48)과 피복액, 피복시킬 표면(12) 및 주변 기체의 교차선인 습윤선(52) 사이에 충분한 거리를 유지시켜, 상류 피복 비드(bead) 유동 불안정성을 제거하는 것을 포함하는, 트로프 피복 장치를 사용하여 표면(12) 상에 피복액을 도포하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 공급 단계가 시간에 대해 및 표면(12)의 횡단 방향에 대해 실질적으로 불균일한 상류 피복 비드 유동을 보이는 피복액을 공급하는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 도포 단계가 피복액을 적어도 원하는 피복 너비 이상 횡방향으로 신장하는 트로프 구멍(26)을 통해 표면에 도포하는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 분리선(48)과 습윤선(52) 사이의 거리가 0.5 ㎝ 보다 큰 방법.
제1항에 있어서, 상기 피복액이 전단 점도에 대한 연신 점도의 비가 10 보다 큰 탄성 액체인 방법.
제1항에 있어서, 상기 분리선(48)이 나이핑(knifing) 경로 아래에 위치하는 방법.
제1항에 있어서, 트로프 내로의 액체 유입 속도와 나이핑 경로를 통한 액체 유출 속도에 의해 분리선(48)과 습윤선(52) 사이의 거리를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 액체-기체 계면이 분리선(48)과 습윤선(52)을 연결하는 표면이고, 이 액체-기체 계면이 실질적으로 평평한 것인 방법.
제1항에 있어서, 피복액의 유동학적 특성과 웹 속도를 선택하여 상류 공기-기체 계면의 단절 거리를 변화시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.