EP1375014B1 - Coating process with a fluid film - Google Patents
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Classifications
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Definitions
- the invention relates to a liquid film coating method for single or multi-layer coating of an article, in particular a web-like substrate, such as a paper or cardboard material, a plastic film, a metal foil or tape or of web-like composite materials.
- a web-like substrate such as a paper or cardboard material, a plastic film, a metal foil or tape or of web-like composite materials.
- the object to be coated may also be a general cargo.
- the liquid film coating process also known as curtain coating process
- curtain coating process has been known for almost 100 years. In the beginning it was used for single-layer coating of piece goods, such as chocolates or furniture parts, as described in DE 145 517 A. Since about 1960, the process has also been used for the coating of endless belts, for example cardboard materials and aluminum foils, and has been used for example by C.C. Poirier in "Curtain Coating of Corrugated Paper Board" TAPPI 49 (10): 66A-67A.
- the first technically advanced curtain process for applying one or more layers to an endless substrate, particularly for photographic films and papers, is described in U.S. Patent No. 3,508,947.
- An example of the coating for producing magnetic recording materials is known from US Pat. No. 5,044,305, and the coating for producing a thermal recording material or an ink jet recording material is described in DE 100 33 056 A1.
- water-based carrier fluids for each Coating material can be used.
- wetting agents ie the aqueous carrier liquids
- the wetting agents are intended to reduce the surface tension of the carrier liquid.
- DE 100 33 056 A1 proposes that the surface tension of a carrier fluid of a coating fluid which forms the lowest layer of the coating on the article to be coated should have a surface tension of 18 to 45 mN / m.
- a system for coating a substrate with an ultrathin layer includes passing a substrate through a coating apparatus and forming a composite layer including a coating fluid and a carrier fluid.
- the composite layer flows at a rate high enough to form a continuously flowing fluid bridge of the composite layer to the surface of the substrate and to contact the substrate with the flowing composite layer to bring the coating layer between the substrate and the carrier fluid.
- the carrier fluid is removed while the coating fluid remains on the substrate as a coating layer.
- DE 100 33 056 A1 relates to a method for producing an information recording material.
- a method for producing information recording materials such as. A thermal recording material and an ink jet recording material which are excellent in coating properties and various other properties in good productivity.
- the method comprises forming a coating composition film of a plurality of coating color layers on a substrate by curtain coating and drying the coating composition film to form part or all of layers for forming an information recording material, and either (1) adjusting the viscosity of each coating color for a plurality from coating color layers to at least 100 mPaZs and controlling the surface tension of the lowermost layer coating color to 18 to 45 mN / m, or (2) controlling the density of the topcoat layer coating color to be not more than 140% of the density the coating color is for a layer to be positioned adjacent thereto.
- the invention relates to a liquid-film multilayer coating method in which a curtain of coating fluids is poured onto an article conveyed across the curtain, thereby forming a fluid coating on the article.
- the direction of conveyance of the object to be coated can be normal to the curtain or even deviate from the normal exhibit.
- the fluid coating formed on the article is then solidified.
- the coating fluid is based on an organic liquid.
- the organic liquid may be solidifiable by a chemical reaction and itself form a coating material or a part of a coating material, or it may be a volatile carrier liquid which itself is not part of the coating material.
- the term coating material refers to that material which, after solidification, forms a coating or a single layer of a coating.
- the coating material may for example consist of binders, pigments and additives or may be another material serving a desired function.
- the coating fluid is therefore in many cases a mixture of different substances, according to the invention, at least one of these substances is an organic liquid.
- This organic liquid may in turn form part of the coating material or be a carrier liquid for a coating material.
- the mixture may be a solution or a dispersion, for example a suspension or emulsion.
- organic liquids solidifiable by chemical reaction and organic carrier liquids are referred to as organic liquids.
- organic carrier liquid is used only when the organic liquid in question is removed from the coating fluid after coating, for example by evaporation.
- an organic liquid makes it possible in particular to dispense with the use of wetting agents which, when using water or aqueous Solutions serve as a carrier liquid of the lowering of the surface tension. Accordingly, in a particularly preferred embodiment of the invention, the organic liquid is wetting agent-free.
- Organic liquids for example ketones, alcohols, esters, aliphatic and aromatic hydrocarbons and ethers, have the inherent surface tension required by the invention, so that when using a plurality of coating fluids an excellent uniformity of the layers in the film and on the article is established.
- the uniformity is satisfactory even for thin film thicknesses at low web speeds. Compared to aqueous carrier fluids, this means a significant increase in the operating window for the curtain coating process.
- the organic carrier liquid may be a carrier liquid evaporating upon heating so that a single-layered coating or the layer of a multi-layered coating formed from the coating fluid is solidified by heating, namely by removing the carrier.
- the coating fluid can also contain an organic liquid without volatiles which can be solidified by introduction of energy and which directly forms the coating material, in particular a monomer or oligomer, that is to say a reactive organic liquid.
- the organic liquid may be a heat-polymerizable liquid to solidify the coating or only the relevant layer (s) by heating and polymerizing the organic liquid.
- the organic liquid may advantageously also be a polymerizable liquid by irradiation, preferably by UV irradiation or electron irradiation, so that the single-layer coating or the layer formed from the coating fluid of a multilayer coating can be polymerized by appropriate irradiation and thereby solidified.
- the invention is particularly suitable for forming multilayer coatings. All or part of the multiple coatings may each be formed from a different coating fluid. Also, two or more of the layers may be formed by the same coating fluid. However, the organic liquid which forms or co-forms the coating fluids is more preferably an organic liquid having a surface tension of at most 40 mN / m. In other words, each of the coating fluids is formed according to the invention.
- the coating fluids forming the curtain can be formed with different coating materials. The easiest way to meet the requirement of the same or at least approximately the same surface tension in mixtures by using each of the same organic liquid.
- Fig. 1 shows a coating apparatus for a liquid film coating by means of a multilayer curtain of coating fluids.
- the coating apparatus comprises a nozzle device 11 for the production of the curtain from the plurality of coating fluids, in the exemplary embodiment of the four different coating fluids 1 to 4.
- a nozzle device 11 for the production of the curtain from the plurality of coating fluids, in the exemplary embodiment of the four different coating fluids 1 to 4.
- the following explanations also apply to curtains of less than four coating fluids. They also apply to curtains with more than four different coating fluids.
- Such a curtain can be formed with ten or more layers. The number of different coating fluids in the curtain can be just as large.
- the nozzle device 11 is a multilayer cascade nozzle, but could for example also be formed by a multi-slot slot nozzle.
- the coating fluids 1 to 4 are fed to the nozzle device 11 separately and metered in each case at a feed rate corresponding to the consumption.
- Such nozzle devices are known and therefore do not require a more detailed description.
- a material web 10 to be coated is conveyed endlessly by a conveying device in a conveying direction F.
- the material web 10 may be, for example, a paper web, a plastic film or a metal foil.
- the nozzle device 11 forms transversely to the material web 10 in parallel, in the conveying direction F successively arranged slots through which the coating fluids 1 to 4 emerge and flow after their exit on a side facing away from the material web 10 top of the nozzle device 11 in the conveying direction F.
- the arrangement of the slots in the conveying direction F in succession a multilayer liquid film is produced on the upper side of the nozzle device 11.
- the liquid film on the upper side of the nozzle device 11 already has the layer structure of the later coating of the material web 10. This multilayer liquid film flows on the upper side of the nozzle device 11 in the conveying direction F of the web 10 up to a front nozzle lip 15 of the nozzle device 11.
- the width of the curtain 5 measured transversely to the conveying direction F is predetermined by a lateral boundary 7 on both sides.
- the fluid coating 6 formed on the material web 10 is subsequently solidified, for example by drying.
- the coating device further comprises a casting roll 12 arranged below the nozzle device 11, around which the material web 10 is deflected.
- the curtain 5 impinges on the upper side of the material web 10 in a web region which runs away from the casting roll 12 but is still supported by the casting roll 12.
- a collecting trough 13 with integrated suction device 14 is further arranged on the outside of the casting roll 12 upstream of the line of impact of the curtain 5 on the material web 10.
- the drip pan 13 serves to fill and clean the nozzle device 11 and to form the liquid curtain.
- the nozzle device 11 is moved back horizontally into a parking position such that the coating fluids separating from the nozzle lip 15 fall into the directly underlying trough 13.
- the casting roll 12 opposite wall of the tub 13 is also designed so that a narrow, precise and concentric gap between the trough 13 and the casting roll 12 and the casting roll 12 wraps around web 10 forms.
- the width of this gap must be small, preferably 0.5 mm, so that the trough 13 with its underside achieves a squeegee effect with which a substantial part of the air boundary layer entrained by the uncoated material web 10 is removed, i. is doctored off.
- suction device 14 vacuum cleaner principle
- the scraping and suction of a substantial portion of the boundary layer air causes the curtain process can be operated even at high speeds of the web 10, without the remaining amount of boundary layer air along the transverse to the web 10 wetting line of the impinging curtain 5 between the curtain 5 and web 10th is withdrawn.
- Each of the coating fluids 1 to 4 is or contains an organic liquid which simultaneously constitutes the coating material or a part thereof, or a mixture of a coating material and an organic carrier liquid which also refers to a solvent in the case of a solution of the coating material in the carrier liquid can be.
- All coating fluids 1 to 4, if they are mixtures, can be dispersions, for example emulsions or suspensions, or solutions. Mixed forms in which one or more of the coating fluids 1 to 4 is a solution and another or several other of the coating fluids 1 to 4 are a dispersion are also possible. However, it is essential that the liquid is organic in nature to ensure the stability of the curtain 5.
- a liquid curtain for example, the curtain 5
- Such a curtain is also referred to as suitable for production, that is, it can be used for industrial coating.
- the invention has recognized that a low surface tension of at most 40 mN / m of the liquids used promotes curtain stability, especially when dynamic processes can be reduced or ideally avoided altogether.
- Such dynamic processes are flow processes and diffusion processes within the fluid layers and between the fluid layers of the curtain.
- Such dynamic processes are inventively reduced to practical insignificance in that the liquid in the case of a multilayer curtain is organic in nature. If the different coating materials of a multi-layer coating permit it, for mixtures with each other coating material, even a single organic liquid should be used for such different coating fluids of the curtain to obtain surface tension identity.
- Fig. 2 shows the relationship depending on the age of the free liquid surface, the characteristic time of the diffusion process and the wetting agent concentration. It is known that the characteristic time of the diffusion process depends on the type of wetting agent used, that is to say on its molecular structure, and on the wetting agent concentration. The characteristic time can take up to several seconds. With sufficiently long diffusion time, the equilibrium surface tension, that is, the static surface tension, is achieved. Until the static surface tension is reached, aqueous solutions mixed with wetting agents therefore have a changing surface tension. It can be seen in particular from FIG.
- a low surface tension of 40 mN / m and preferably less with a low surface age of the aqueous solution in question can only be achieved if large amounts of a fast-diffusing wetting agent are added.
- adding wetting agents may improve curtain stability, it is problematic or even banned in many potential applications.
- packaging materials such as food or drug wetting agents are undesirable or are not allowed by the relevant regulatory authorities, such as the FDA in the US, when the surfactant molecules come into contact with the product to be packaged and there is a risk that the product properties by on the Filling material passing wetting agent molecules could be changed.
- wetting agents can also be problematic because they can adversely affect wetting and bleeding of the ink on the material to be printed.
- the invention provides a remedy, especially when it is completely dispensed with the use of wetting agents, for which the invention just creates the best conditions.
- the invention thus opens up for mass production Particularly suitable curtain coating process new applications, namely in particular the above.
- the characteristic diffusion time will be compared with the characteristic fall time of the curtain.
- the initial velocity V 0 can generally be neglected, since its dependence on the type of nozzle is usually low and the initial velocity is usually much smaller than the gravitational term in equation (1).
- FIG. 3 shows a typical example of the dependence of the curtain falling time on the drop height x.
- the curtain downtime is between 50 and 200 ms. This is a very short time, especially compared to the diffusion time required to produce in aqueous solutions the surface tension of not more than 40 mN / m, and preferably less, due to the short surface age in the curtain.
- the curtain coating process belongs to the class of so-called pre-metered coating processes, in which only just the exact amount of coating fluid is pumped to the nozzle device. In contrast to other coating methods, such as roller, knife or air knife method, the curtain method is operated without excess liquid.
- the invention has recognized that not only the lowest layer of a multilayer curtain should have a low surface tension, as required in DE 100 33 056 A1.
- the effect of rapidly adjusting low surface tension on curtain stability is due to the ability to avoid local cross flows, called Marangoni flows, on the curtain surface, which are created by local surface tension differences due to perturbations.
- a liquid curtain has two external surfaces on which faults can attack.
- the layers between the outermost layers must also have the ability to rapidly reduce their surface tension to these levels so that curtain stability is maintained even if the outer layers can not withstand the disturbances.
- a multilayer curtain is thus industrially robust or stable, in particular, when all the layers of the curtain have a surface tension of at most 40 mN / m according to the invention. Preferably, the surface tensions of all layers are even lower.
- the origin of the front outer curtain surface at the slot exit of the uppermost layer 1 lies on the inclined plane of the cascade nozzle 11. Depending on the number of layers, this location may be far away from the nozzle lip 15. For example, when three fluid layers are formed, the distance from the slot exit to the nozzle lip 15 is about 150 mm.
- the age of the free film surface at the location of the die lip 15, that is, at the location where the curtain 5 begins, is determined by the flow rate of the multilayer fluid film on the inclined plane. The flow rate depends on the viscosities of the coating fluids, their densities and volumetric flows and on the angle of inclination.
- the surface age at the die lip 15 is about 2 seconds. During this time, wetting agent molecules can diffuse to the liquid surface using aqueous carrier liquids and reduce the surface tension due to adsorption.
- the front curtain surface at the beginning of the curtain that is to say at the nozzle lip 15, therefore has a deep surface tension. If the flow time of the fluid film on the nozzle surface is long enough, the surface tension even reaches the equilibrium value corresponding to the static surface tension. Below the nozzle lip 15, the front outer curtain surface is stretched due to the gravitational acceleration, that is, there is a new liquid surface, which contains less wetting agent molecules immediately after their formation, so that the local surface tension increases again before they due to wetting agent and adsorption after a certain fall time decreases again.
- Fig. 4 shows this relationship and shows beyond also the profile of the surface tension as a function of the surface age for the rear outer curtain surface.
- the disadvantages described above are avoided by carrying out the curtain coating process with liquids based on organic substances, that is to say on an organic liquid.
- Many of these liquids have an inherently deep surface tension of less than 40 mN / m.
- a large number of organic carrier liquids industrially used in other applications, in particular solvents have a surface tension in the range of 15 to 35 mN / m, as is preferred for the purposes of the invention.
- the problem of dynamic surface tension is eliminated in organic liquids, because the surface tension does not have to be reduced by dynamic effects such as diffusion and adsorption.
- the surface tension of such liquids is therefore small even for very short surface ages, and lower as the maximum value of 40 mN / m not to be exceeded according to the invention.
- Suitable organic carrier liquids are both low-boiling and high-boiling liquids, as long as the surface tension does not exceed the value of 40 mN / m.
- Suitable carrier liquids are in particular ketones such as acetone, butanone and cyclohexanone, further alcohols such as ethanol, butanol and cyclohexanol, further esters such as ethyl acetate, butyl acetate and finally also aliphatic and aromatic hydrocarbons such as benzine and toluene.
- ethers such as tetrahydrofuran or those with other or more functional groups such as chlorobenzene or 2-methoxy-1-propyl acetate.
- Mixtures of the abovementioned carrier liquids can also be used in the context of the invention and are subsumed under the term carrier liquid.
Landscapes
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
- Coating Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Flüssigfilm-Beschichtungsverfahren für das ein- oder mehrschichtige Beschichten eines Gegenstandes, insbesondere eines bahnartigen Substrats, wie beispielsweise eines Papier- oder Kartonmaterials, eines Kunststofffilms, einer Metallfolie oder eines -bandes oder von bahnartigen Verbundmaterialien. Der zu beschichtende Gegenstand kann jedoch auch ein Stückgut sein.The invention relates to a liquid film coating method for single or multi-layer coating of an article, in particular a web-like substrate, such as a paper or cardboard material, a plastic film, a metal foil or tape or of web-like composite materials. However, the object to be coated may also be a general cargo.
Das Flüssigfilm-Beschichtungsverfahren, auch bekannt als Vorhang-Beschichtungsverfahren, ist seit nahezu 100 Jahren bekannt. In den Anfängen wurde es zur einschichtigen Beschichtung von Stückgütern, wie beispielsweise Pralinen oder Möbelteilen verwendet, wie dies in der DE 145 517 A beschrieben ist. Seit etwa 1960 wird das Verfahren auch für die Beschichtung von Endlosbändern, beispielsweise von Kartonmaterialien und Aluminiumfolien, eingesetzt und beispielsweise von C.C. Poirier in "Curtain Coating of Corrugated Paper Board" TAPPI 49 (10): 66A-67A, beschrieben. Das erste, technisch hoch entwickelte Vorhangverfahren für den Auftrag von einer oder gleichzeitig mehreren Schichten auf ein Endlossubstrat, insbesondere für fotografische Filme und Papiere, wird in der US-PS 3,508,947 beschrieben. Ein Beispiel für die Beschichtung zur Erzeugung von magnetischen Aufzeichnungsmaterialien ist aus der US-PS 5,044,305 bekannt, und die Beschichtung zur Erzeugung eines thermischen Aufzeichnungsmaterials oder eines Tintenstrahlaufzeichnungsmaterials wird in der DE 100 33 056 A1 beschrieben.The liquid film coating process, also known as curtain coating process, has been known for almost 100 years. In the beginning it was used for single-layer coating of piece goods, such as chocolates or furniture parts, as described in DE 145 517 A. Since about 1960, the process has also been used for the coating of endless belts, for example cardboard materials and aluminum foils, and has been used for example by C.C. Poirier in "Curtain Coating of Corrugated Paper Board" TAPPI 49 (10): 66A-67A. The first technically advanced curtain process for applying one or more layers to an endless substrate, particularly for photographic films and papers, is described in U.S. Patent No. 3,508,947. An example of the coating for producing magnetic recording materials is known from US Pat. No. 5,044,305, and the coating for producing a thermal recording material or an ink jet recording material is described in
Den meisten Verfahren ist gemein, dass für das Beschichtungsfluid oder die mehreren Beschichtungsfluide auf Wasser basierende Trägerflüssigkeiten für das jeweilige Beschichtungsmaterial verwendet werden. Um die Oberflächenspannung der Trägerflüssigkeit und dadurch die Oberflächenspannung letztlich des jeweiligen Beschichtungsfluids wunschgemäß einzustellen, werden den Beschichtungsfluiden, das heißt den wässrigen Trägerflüssigkeiten, Netzmittel zugesetzt. Die Netzmittel sollen die Oberflächenspannung der Trägerflüssigkeit verringern. Die DE 100 33 056 A1 beispielsweise schlägt vor, dass die Oberflächenspannung einer Trägerflüssigkeit eines Beschichtungsfluids, das auf dem zu beschichtenden Gegenstand die unterste Schicht der Beschichtung bildet, eine Oberflächenspannung von 18 bis 45 mN/m aufweisen sollte. Die DE 100 33 056 A1 lehrt ferner, dass innerhalb der mehreren Schichten der Beschichtungsfluide ein Oberflächenspannungsgradient herrschen sollte und dass ein Beschichtungsfluid, das eine auf dem Gegenstand obere Schicht der Beschichtung bildet, eine geringere Oberflächenspannung haben sollte als ein Beschichtungsfluid, das auf dem Gegenstand eine untere Schicht der Beschichtung bildet.Common to most processes is that for the coating fluid or fluids, water-based carrier fluids for each Coating material can be used. In order to adjust the surface tension of the carrier liquid and thereby the surface tension of the respective coating fluid as desired, wetting agents, ie the aqueous carrier liquids, are added to the coating fluids. The wetting agents are intended to reduce the surface tension of the carrier liquid. For example,
WO 96/23595 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen dünner Fluidbeschichtungen. Ein System zur Beschichtung eines Substrats mit einer ultradünnen Schicht schließt das Durchführen eines Substrats durch eine Beschichtungsvorrichtung und das Bilden einer zusammengesetzten Schicht einschließlich eines Beschichtungsfluids und eines Trägerfluids ein. Die zusammengesetzte Schicht fließt mit einer ausreichend hohen Rate, um eine kontinuierlich fließende Fluidbrücke der zusammengesetzten Schicht zur Oberfläche des Substrats zu bilden und um das Substrat mit der fließenden zusammengesetzten Schicht zu kontaktieren, um die Beschichtungsschicht zwischen das Substrat und das Trägerfluid zu bringen. Das Trägerfluid wird entfernt, während das Beschichtungsfluid auf dem Substrat als Beschichtungsschicht verbleibt.WO 96/23595 relates to a method and apparatus for applying thin fluid coatings. A system for coating a substrate with an ultrathin layer includes passing a substrate through a coating apparatus and forming a composite layer including a coating fluid and a carrier fluid. The composite layer flows at a rate high enough to form a continuously flowing fluid bridge of the composite layer to the surface of the substrate and to contact the substrate with the flowing composite layer to bring the coating layer between the substrate and the carrier fluid. The carrier fluid is removed while the coating fluid remains on the substrate as a coating layer.
DE 100 33 056 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Informations-Aufzeichnungsmaterials. Offenbart wird ein Verfahren zur Herstellung von Informations-Aufzeichnungsmaterialien, wie z. B. einem thermischen Aufzeichnungsmaterial und einem Tintenstrahl-Aufzeichnungsmaterial, die bezüglich der Beschichtungseigenschaften und verschiedener anderer Eigenschaften hervorragend sind, in guter Produktivität.
Das Verfahren umfasst das Bilden eines Beschichtungszusammensetzungsfilms aus einer Vielzahl von Beschichtungsfarbschichten auf einem Substrat durch Vorhangbeschichten und Trocknen des Beschichtungszusammensetzungsfilms, um einen Teil oder alle Schichten zum Bilden eines Informations-Aufzeichnungsmaterials zu bilden, und entweder (1) Einstellen der Viskosität jeder Beschichtungsfarbe für eine Vielzahl von Beschichtungsfarbschichten auf mindestens 100 mPaZs und Kontrollieren der Oberflächenspannung der Beschichtungsfarbe für die unterste Schicht auf 18 bis 45 mN/m, oder (2) Kontrollieren der Dichte der Beschichtungsfarbe für eine oben zu positionierende Schicht dahingehend, dass sie nicht mehr als 140% der Dichte der Beschichtungsfarbe für eine darunter in Nachbarschaft zu positionierende Schicht beträgt.The method comprises forming a coating composition film of a plurality of coating color layers on a substrate by curtain coating and drying the coating composition film to form part or all of layers for forming an information recording material, and either (1) adjusting the viscosity of each coating color for a plurality from coating color layers to at least 100 mPaZs and controlling the surface tension of the lowermost layer coating color to 18 to 45 mN / m, or (2) controlling the density of the topcoat layer coating color to be not more than 140% of the density the coating color is for a layer to be positioned adjacent thereto.
Die Erfahrung zeigt jedoch, dass die bekannten Beschichtungsverfahren in Bezug auf die Stabilität des Vorhangs insbesondere bei einem mehrschichtigen Vorhang, aber auch bereits bei einem einschichtigen Vorhang, problematisch sind. Die Probleme verstärken sich mit abnehmender Schichtstärke und mit abnehmender Fördergeschwindigkeit des zu beschichtenden Gegenstands und insbesondere beim Zusammentreffen von geringer Schichtstärke und niedriger Fördergeschwindigkeit. Der aus dem Beschichtungsfluid oder den mehreren Beschichtungsfluiden schichtweise aufgebaute Vorhang neigt unter Produktionsbedingungen zum Reißen.Experience has shown, however, that the known coating processes are problematic with respect to the stability of the curtain, in particular in the case of a multilayer curtain, but also in the case of a single-layered curtain. The problems increase with decreasing layer thickness and with decreasing conveying speed of the object to be coated and in particular at the meeting of low layer thickness and low conveying speed. The curtain layered from the coating fluid or fluids has a tendency to crack under production conditions.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Vorhangstabilität eines Flüssigfilm-Beschichtungsverfahrens zu verbessern.It is therefore an object of the invention to improve the curtain stability of a liquid film coating process.
Die Erfindung betrifft ein Flüssigfilm-Mehrschicht-Beschichtungsverfahren, bei dem ein Vorhang aus Beschichtungsfluiden auf einen quer zu dem Vorhang geförderten Gegenstand gegossen und dadurch auf dem Gegenstand eine fluide Beschichtung gebildet wird. Die Förderrichtung des zu beschichtenden Gegenstands kann normal zu dem Vorhang weisen oder auch eine von der Normalen abweichende Neigung aufweisen. Die auf dem Gegenstand gebildete fluide Beschichtung wird anschließend verfestigt.The invention relates to a liquid-film multilayer coating method in which a curtain of coating fluids is poured onto an article conveyed across the curtain, thereby forming a fluid coating on the article. The direction of conveyance of the object to be coated can be normal to the curtain or even deviate from the normal exhibit. The fluid coating formed on the article is then solidified.
Nach der Erfindung basiert das Beschichtungsfluid auf einer organischen Flüssigkeit. Die organische Flüssigkeit kann durch eine chemische Reaktion verfestigbar sein und selbst ein Beschichtungsmaterial oder einen Teil eines Beschichtungsmaterials bilden oder eine flüchtige Trägerflüssigkeit sein, die selbst nicht Teil des Beschichtungsmaterials ist. Als Beschichtungsmaterial im Sinne der Erfindung wird dasjenige Material bezeichnet, das nach der Verfestigung eine Beschichtung oder eine einzelne Schicht einer Beschichtung bildet. Das Beschichtungsmaterial kann beispielsweise aus Bindemitteln, Pigmenten und Zusatzstoffen bestehen oder kann ein sonstiges, einer gewünschten Funktion dienendes Material sein. Das Beschichtungsfluid ist deshalb in vielen Fällen eine Mischung aus verschiedenen Stoffen, wobei nach der Erfindung mindestens einer dieser Stoffe eine organische Flüssigkeit ist. Diese organische Flüssigkeit kann wiederum ein Teil des Beschichtungsmaterials bilden oder eine Trägerflüssigkeit für ein Beschichtungsmaterial sein. Die Mischung kann eine Lösung oder eine Dispersion, beispielsweise eine Suspension oder Emulsion, sein.According to the invention, the coating fluid is based on an organic liquid. The organic liquid may be solidifiable by a chemical reaction and itself form a coating material or a part of a coating material, or it may be a volatile carrier liquid which itself is not part of the coating material. In the context of the invention, the term coating material refers to that material which, after solidification, forms a coating or a single layer of a coating. The coating material may for example consist of binders, pigments and additives or may be another material serving a desired function. The coating fluid is therefore in many cases a mixture of different substances, according to the invention, at least one of these substances is an organic liquid. This organic liquid may in turn form part of the coating material or be a carrier liquid for a coating material. The mixture may be a solution or a dispersion, for example a suspension or emulsion.
Die organische Trägerflüssigkeit eines als Mischung gebildeten Beschichtungsfluids und, falls eine organische Flüssigkeit das Beschichtungsmaterial bildet oder mitbildet, diese organische Flüssigkeit weist eine Oberflächenspannung von höchsten 40 mN/m, das heißt von höchstens 40 · 10-3 N/m, auf. Im Folgenden werden durch chemische Reaktion verfestigbare organische Flüssigkeiten und organische Trägerflüssigkeiten als organische Flüssigkeiten bezeichnet. Die Bezeichnung "organische Trägerflüssigkeit" wird nur verwendet, wenn die betreffende organische Flüssigkeit nach dem Beschichten aus dem Beschichtungsfluid entfernt wird, beispielsweise durch Verdunstung.The organic carrier liquid of a coating fluid formed as a mixture and, if an organic liquid forms or co-forms the coating material, this organic liquid has a surface tension of at most 40 mN / m, that is, at most 40 × 10 -3 N / m. Hereinafter, organic liquids solidifiable by chemical reaction and organic carrier liquids are referred to as organic liquids. The term "organic carrier liquid" is used only when the organic liquid in question is removed from the coating fluid after coating, for example by evaporation.
Durch die Verwendung einer organischen Flüssigkeit kann insbesondere auf den Einsatz von Netzmitteln verzichtet werden, die bei der Verwendung von Wasser oder wässrigen Lösungen als Trägerflüssigkeit der Erniedrigung der Oberflächenspannung dienen. Demgemäß ist die organische Flüssigkeit in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung netzmittelfrei.The use of an organic liquid makes it possible in particular to dispense with the use of wetting agents which, when using water or aqueous Solutions serve as a carrier liquid of the lowering of the surface tension. Accordingly, in a particularly preferred embodiment of the invention, the organic liquid is wetting agent-free.
Organische Flüssigkeiten, beispielsweise Ketone, Alkohole, Ester, aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe und Ether, weisen die erfindungsgemäß geforderte Oberflächenspannung von Hause aus auf, so dass sich bei Verwendung mehrerer Beschichtungsfluide eine hervorragende Gleichförmigkeit der Schichten im Film und auf dem Gegenstand einstellt. Die Gleichförmigkeit stellt sich insbesondere auch für dünne Schichtstärken bei niedrigen Bahngeschwindigkeiten zufriedenstellend ein. Gegenüber wässrigen Trägerflüssigkeiten bedeutet dies eine entscheidende Vergrößerung des Betriebsfensters für das Vorhangbeschichtungsverfahren.Organic liquids, for example ketones, alcohols, esters, aliphatic and aromatic hydrocarbons and ethers, have the inherent surface tension required by the invention, so that when using a plurality of coating fluids an excellent uniformity of the layers in the film and on the article is established. The uniformity is satisfactory even for thin film thicknesses at low web speeds. Compared to aqueous carrier fluids, this means a significant increase in the operating window for the curtain coating process.
Die organische Trägerflüssigkeit kann eine bei Erwärmung verdampfende Trägerflüssigkeit sein, so dass eine einschichtige Beschichtung oder die aus dem Beschichtungsfluid gebildete Schicht einer mehrschichtigen Beschichtung durch Erwärmung verfestigt wird, nämlich durch Entfernen des Trägermittels.The organic carrier liquid may be a carrier liquid evaporating upon heating so that a single-layered coating or the layer of a multi-layered coating formed from the coating fluid is solidified by heating, namely by removing the carrier.
Das Beschichtungsfluid kann alternativ auch eine durch Energieeintrag verfestigbare, das Beschichtungsmaterial unmittelbar bildende, organische Flüssigkeit ohne flüchtige Anteile enthalten, insbesondere ein Monomer oder Oligomer, also eine reaktive organische Flüssigkeit. In dieser Ausführung der Erfindung kann die organische Flüssigkeit eine durch Erwärmung polymerisierbare Flüssigkeit sein, um die Beschichtung oder nur die betreffende(n) Schicht(en) durch Erwärmen und Polymerisieren der organischen Flüssigkeit verfestigen zu können. Die organische Flüssigkeit kann mit Vorteil auch eine durch Bestrahlung, vorzugsweise durch UV-Bestrahlung oder Elektronenbestrahlung, polymerisierbare Flüssigkeit sein, so dass die einschichtige Beschichtung oder die aus dem Beschichtungsfluid gebildete Schicht einer mehrschichtigen Beschichtung durch entsprechende Bestrahlung polymerisiert und dadurch verfestigt werden kann.Alternatively, the coating fluid can also contain an organic liquid without volatiles which can be solidified by introduction of energy and which directly forms the coating material, in particular a monomer or oligomer, that is to say a reactive organic liquid. In this embodiment of the invention, the organic liquid may be a heat-polymerizable liquid to solidify the coating or only the relevant layer (s) by heating and polymerizing the organic liquid. The organic liquid may advantageously also be a polymerizable liquid by irradiation, preferably by UV irradiation or electron irradiation, so that the single-layer coating or the layer formed from the coating fluid of a multilayer coating can be polymerized by appropriate irradiation and thereby solidified.
Die Erfindung ist in besonderem Maße zur Bildung mehrschichtiger Beschichtungen geeignet. Sämtliche oder ein Teil der mehreren Beschichtungen können je von einem anderen Beschichtungsfluid gebildet werden. Es können auch zwei oder mehrere der Schichten von dem gleichen Beschichtungsfluid gebildet werden. Die organische Flüssigkeit, die die Beschichtungsfluide bildet oder mitbildet, ist besonders bevorzugt jedoch eine organische Flüssigkeit, die eine Oberflächenspannung von höchstens 40 mN/m hat. Jedes der Beschichtungsfluide ist mit anderen Worten erfindungsgemäß gebildet.The invention is particularly suitable for forming multilayer coatings. All or part of the multiple coatings may each be formed from a different coating fluid. Also, two or more of the layers may be formed by the same coating fluid. However, the organic liquid which forms or co-forms the coating fluids is more preferably an organic liquid having a surface tension of at most 40 mN / m. In other words, each of the coating fluids is formed according to the invention.
Die den Vorhang bildenden Beschichtungsfluide können mit unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien gebildet werden. Am einfachsten lässt sich die Forderung der gleichen oder zumindest angenähert gleichen Oberflächenspannung bei Mischungen durch Verwendung je der gleichen organischen Flüssigkeit erfüllen.The coating fluids forming the curtain can be formed with different coating materials. The easiest way to meet the requirement of the same or at least approximately the same surface tension in mixtures by using each of the same organic liquid.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Diagrammen erläutert. Hierbei offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche vorteilhaft weiter. Es zeigen:
- Fig. 1
- die Beschichtung eines Bahnmaterials im Wege eines Mehrschichtvorhangverfahrens,
- Fig. 2
- die dynamische Oberflächenspannung eines wässrigen Trägermittels über dem Oberflächenalter eines Beschichtungsfluids,
- Fig. 3
- die Vorhangfallzeit in Abhängigkeit von der Vorhanghöhe, und
- Fig. 4
- die Oberflächenspannung in ein- oder mehrschichtigen Flüssigkeitsfilmen und vorhängen von wässrigen Lösungen mit Netzmitteln unter Verwendung einer Kaskadendüse.
- Fig. 1
- the coating of a web material by means of a multi-layer curtain method,
- Fig. 2
- the dynamic surface tension of an aqueous carrier over the surface age of a coating fluid,
- Fig. 3
- the curtain fall time depending on the curtain height, and
- Fig. 4
- the surface tension in single or multi-layer liquid films and curtains of aqueous solutions with wetting agents using a cascade nozzle.
Fig. 1 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung für eine Flüssigfilm-Beschichtung mittels eines mehrschichtigen Vorhangs von Beschichtungsfluiden.Fig. 1 shows a coating apparatus for a liquid film coating by means of a multilayer curtain of coating fluids.
Die Beschichtungsvorrichtung umfasst eine Düseneinrichtung 11 für die Erzeugung des Vorhangs aus den mehreren Beschichtungsfluiden, im Ausführungsbeispiel aus den vier unterschiedlichen Beschichtungsfluiden 1 bis 4. Die nachfolgenden Ausführungen gelten jedoch auch für Vorhänge aus weniger als vier Beschichtungsfluiden. Ebenso gelten sie für Vorhänge mit mehr als vier unterschiedlichen Beschichtungsfluiden. Solch ein Vorhang kann mit zehn oder noch mehr Schichten gebildet sein. Ebenso groß kann die Anzahl der unterschiedlichen Beschichtungsfluide im Vorhang sein.The coating apparatus comprises a
Die Düseneinrichtung 11 ist eine mehrschichtige Kaskadendüse, könnte beispielsweise aber auch von einer mehrschlitzigen Schlitzdüse gebildet werden. Die Beschichtungsfluide 1 bis 4 werden der Düseneinrichtung 11 separat und jeweils in einer dem Verbrauch entsprechenden Zuführrate dosiert zugeführt. Solche Düseneinrichtungen sind bekannt und bedürfen daher keiner detaillierteren Beschreibung.The
Unterhalb der Düseneinrichtung 11 wird eine zu beschichtende Materialbahn 10, mit ihrer zu beschichtenden Oberfläche der Düseneinrichtung 11 zugewandt, durch eine Fördereinrichtung in eine Förderrichtung F endlos gefördert. Die Materialbahn 10 kann beispielsweise eine Papierbahn, eine Kunststofffolie oder eine Metallfolie sein.Below the
Die Düseneinrichtung 11 bildet quer zu der Materialbahn 10 parallel erstreckte, in Förderrichtung F hintereinander angeordnete Schlitze, durch die die Beschichtungsfluide 1 bis 4 austreten und nach ihrem Austritt auf einer von der Materialbahn 10 abgewandten Oberseite der Düseneinrichtung 11 in Förderrichtung F fließen. Durch die Anordnung der Schlitze in Förderrichtung F hintereinander wird auf der Oberseite der Düseneinrichtung 11 ein mehrschichtiger Flüssigkeitsfilm erzeugt. Der Flüssigkeitsfilm auf der Oberseite der Düseneinrichtung 11 weist bereits den Schichtaufbau der späteren Beschichtung der Materialbahn 10 auf. Dieser mehrschichtige Flüssigkeitsfilm fließt auf der Oberseite der Düseneinrichtung 11 in Förderrichtung F der Materialbahn 10 bis zu einer vorderen Düsenlippe 15 der Düseneinrichtung 11. Nach der Ablösung von der Düsenlippe 15 fällt der mehrschichtige Flüssigkeitsfilm im freien Fall unter Bildung des Vorhangs 5 im Wesentlichen lotrecht auf die unterhalb der Düsenlippe 15 durchgeförderte Materialbahn 10, trifft auf deren Oberseite auf und bildet eine mehrschichtige fluide Beschichtung 6. Die quer zu der Förderrichtung F gemessene Breite des Vorhangs 5 wird durch eine beidseitige Seitenberandung 7 vorgegeben.The
Die auf der Materialbahn 10 gebildete fluide Beschichtung 6 wird anschließend verfestigt, beispielsweise durch Trocknung.The fluid coating 6 formed on the
Die Beschichtungsvorrichtung umfasst ferner eine unterhalb der Düseneinrichtung 11 angeordnete Gießwalze 12, um die die Materialbahn 10 umgelenkt wird. Der Vorhang 5 trifft auf der Oberseite der Materialbahn 10 in einem Bahnbereich auf, der von der Gießwalze 12 abläuft, aber von der Gießwalze 12 noch unterstützt wird. An der Außenseite der Gießwalze 12 bahnaufwärts von der Auftrefflinie des Vorhangs 5 auf der Materialbahn 10 ist ferner eine Auffangwanne 13 mit integrierter Saugvorrichtung 14 angeordnet. Die Auffangwanne 13 dient zur Auffüllung und Reinigung der Düseneinrichtung 11 sowie zur Bildung des Flüssigkeitsvorhangs. Während diesen Arbeitsphasen wird die Düseneinrichtung 11 horizontal in eine Parkposition derart zurückverschoben, dass die sich von der Düsenlippe 15 ablösenden Beschichtungsfluide in die direkt darunterliegende Wanne 13 fallen.The coating device further comprises a casting
Die der Giesswalze 12 gegenüberliegende Wand der Wanne 13 ist zudem so ausgebildet, dass sich ein enger, präziser und konzentrischer Spalt zwischen der Wanne 13 und der Giesswalze 12 beziehungsweise der die Giesswalze 12 umschlingenden Materialbahn 10 bildet. Die Weite dieses Spalts muss klein sein, vorzugsweise 0.5 mm, so dass die Wanne 13 mit ihrer Unterseite eine Rakelwirkung erzielt, mit welcher ein wesentlicher Teil der von der unbeschichteten Materialbahn 10 mitgeschleppten Luftgrenzschicht entfernt, d.h. abgerakelt wird. Mit der aus einem relativ engen Schlitz und einem relativ grossen Kanal bestehenden Saugvorrichtung 14 (Staubsaugerprinzip) wird zudem ein Teil der Grenzschichtluft, die in den konzentrischen Spalt zwischen Wanne 13 und Giesswalze 12 eintritt, mit Hilfe einer externen Vakuumquelle abgesaugt. Das Abrakeln und Absaugen eines wesentlichen Teils der Grenzschichtluft bewirkt, dass das Vorhangverfahren auch bei hohen Geschwindigkeiten der Materialbahn 10 betrieben werden kann, ohne dass die verbleibende Restmenge der Grenzschichtluft entlang der quer zur Materialbahn 10 verlaufenden Benetzungslinie des auftreffenden Vorhangs 5 zwischen Vorhang 5 und Materialbahn 10 eingezogen wird.The casting
Jedes der Beschichtungsfluide 1 bis 4 ist oder enthält eine organische Flüssigkeit, die als solche gleichzeitig das Beschichtungsmaterial oder einen Teil desselben bildet, oder eine Mischung aus einem Beschichtungsmaterial und einer organischen Trägerflüssigkeit, die im Fall einer Lösung des Beschichtungsmaterials in der Trägerflüssigkeit auch als Lösemittel bezeichnet werden kann. Sämtliche Beschichtungsfluide 1 bis 4, falls sie Mischungen sind, können Dispersionen, beispielsweise Emulsionen oder Suspensionen, oder Lösungen sein. Auch Mischformen, bei denen eines oder mehrere der Beschichtungsfluide 1 bis 4 eine Lösung und ein anderes oder mehrere andere der Beschichtungsfluide 1 bis 4 eine Dispersion sind, sind möglich. Wesentlich ist allerdings, dass die Flüssigkeit organischer Natur ist, um die Stabilität des Vorhangs 5 zu gewährleisten.Each of the
Ein wichtiger Aspekt des Vorhangbeschichtungsverfahrens ist, wie bereits erwähnt, die Stabilität des Vorhangs. Ein Flüssigkeitsvorhang, beispielsweise der Vorhang 5, wird als stabil bezeichnet, wenn er über lange Betriebszeiten, das heißt über mehrere Stunden, von ständig präsenten Störeinflüssen nicht aufgerissen werden kann. Ein solcher Vorhang wird auch als produktionstauglich bezeichnet, das heißt er kann für die industrielle Beschichtung eingesetzt werden.An important aspect of the curtain coating process, as already mentioned, is the stability of the curtain. A liquid curtain, for example, the
Die Erfindung hat erkannt, dass eine niedrige Oberflächenspannung von höchstens 40 mN/m der verwendeten Flüssigkeiten der Vorhangstabilität förderlich ist, und zwar insbesondere dann, wenn dynamische Prozesse reduziert oder idealerweise gänzlich vermieden werden können. Solche dynamischen Prozesse sind Fließvorgänge und Diffusionsvorgänge innerhalb der Fluidschichten und zwischen den Fluidschichten des Vorhangs. Solche dynamischen Prozesse werden erfindungsgemäß bis zur praktischen Bedeutungslosigkeit dadurch reduziert, dass die Flüssigkeit im Falle eines mehrschichtigen Vorhangs organischer Natur ist. Falls die unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien einer mehrschichtigen Beschichtung es erlauben, sollte für Mischungen mit je einem anderen Beschichtungsmaterial sogar nur eine einzige organische Flüssigkeit für solche unterschiedlichen Beschichtungsfluide des Vorhangs verwendet werden, um Oberflächenspannungsidentität zu erhalten.The invention has recognized that a low surface tension of at most 40 mN / m of the liquids used promotes curtain stability, especially when dynamic processes can be reduced or ideally avoided altogether. Such dynamic processes are flow processes and diffusion processes within the fluid layers and between the fluid layers of the curtain. Such dynamic processes are inventively reduced to practical insignificance in that the liquid in the case of a multilayer curtain is organic in nature. If the different coating materials of a multi-layer coating permit it, for mixtures with each other coating material, even a single organic liquid should be used for such different coating fluids of the curtain to obtain surface tension identity.
Die Problematik von zeitabhängigen Fließ- und Diffusionsvorgängen in Flüssigkeitsvorhängen ist grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus "Surfactants: Static and Dynamic Surface Tension", Y. M. Tricot, in Liquid Film Coating, Chapter 4, Chapman & Hall, London. Bei wässrigen Lösungen ist die Oberflächenspannung von neu entstandenen Oberflächen eine zeitabhängige und somit dynamische Materialeigenschaft, weil darin enthaltene oberflächenaktive Moleküle zuerst vom Inneren der Flüssigkeit an die Oberfläche diffundieren und dort adsorbiert werden, bevor sie die Oberflächenspannung erniedrigen. Vor allem der Diffusionsvorgang wird stark von der Viskosität der Flüssigkeit und von den lokalen Strömungsverhältnissen beeinflusst.The problem of time-dependent flow and diffusion processes in liquid curtains is basically known, for example from "Surfactants: Static and Dynamic Surface Tension", YM Tricot, in Liquid Film Coating,
Fig. 2 zeigt den Zusammenhang, der von dem Alter der freien Flüssigkeitsoberfläche, von der charakteristischen Zeit des Diffusionsvorgangs und der Netzmittelkonzentration abhängt. Bekannt ist, dass die charakteristische Zeit des Diffusionsvorgangs von der Art eines eingesetzten Netzmittels, das heißt von seiner Molekülstruktur, und von der Netzmittelkonzentration abhängt. Die charakteristische Zeit kann bis zu mehreren Sekunden dauern. Bei ausreichend langer Diffusionszeit wird die Gleichgewichtsoberflächenspannung, das heißt die statische Oberflächenspannung, erreicht. Bis zum Erreichen der statischen Oberflächenspannung weisen mit Netzmitteln versetzte wässrige Lösungen daher eine sich ändernde Oberflächenspannung auf.
Aus Fig. 2 wird insbesondere ersichtlich, dass eine niedrige Oberflächenspannung von 40 mN/m und vorzugsweise weniger bei einem geringen Oberflächenalter der betreffenden wässrigen Lösung nur dann erreicht werden kann, wenn große Mengen eines schnell diffundierenden Netzmittels zugegeben werden. Die Zugabe von Netzmitteln mag zwar die Vorhangstabilität optimieren, ist aber in vielen potenziellen Anwendungen problematisch oder sogar verboten. In Verpackungsmaterialien z.B. für Nahrungs- oder Arzneimitteln sind Netzmittel unerwünscht oder werden von den zuständigen Zulassungsbehörden, beispielsweise der FDA in den USA, nicht erlaubt, wenn die Netzmittelmoleküle mit dem zu verpackenden Produkt in Berührung kommen und die Gefahr besteht, dass die Produkteigenschaften durch auf das Füllgut übergehende Netzmittelmoleküle verändert werden könnten. Bei Materialien, die nach der Beschichtung bedruckt werden sollen, beispielsweise in einem Tintenstrahldruckverfahren, können Netzmittel ebenfalls problematisch sein, weil sie das Benetzen und das Verlaufen der Tinte auf dem zu bedruckenden Material negativ beeinflussen können. Die Erfindung schafft hier Abhilfe, insbesondere wenn auf den Einsatz von Netzmitteln gänzlich verzichtet wird, wofür die Erfindung gerade die besten Voraussetzungen schafft. Die Erfindung eröffnet somit den für die Massenproduktion besonders geeigneten Vorhangbeschichtungsverfahren neue Einsatzgebiete, nämlich insbesondere die vorstehend genannten.Fig. 2 shows the relationship depending on the age of the free liquid surface, the characteristic time of the diffusion process and the wetting agent concentration. It is known that the characteristic time of the diffusion process depends on the type of wetting agent used, that is to say on its molecular structure, and on the wetting agent concentration. The characteristic time can take up to several seconds. With sufficiently long diffusion time, the equilibrium surface tension, that is, the static surface tension, is achieved. Until the static surface tension is reached, aqueous solutions mixed with wetting agents therefore have a changing surface tension.
It can be seen in particular from FIG. 2 that a low surface tension of 40 mN / m and preferably less with a low surface age of the aqueous solution in question can only be achieved if large amounts of a fast-diffusing wetting agent are added. Although adding wetting agents may improve curtain stability, it is problematic or even banned in many potential applications. In packaging materials such as food or drug wetting agents are undesirable or are not allowed by the relevant regulatory authorities, such as the FDA in the US, when the surfactant molecules come into contact with the product to be packaged and there is a risk that the product properties by on the Filling material passing wetting agent molecules could be changed. For materials to be printed after coating, such as in an ink-jet printing process, wetting agents can also be problematic because they can adversely affect wetting and bleeding of the ink on the material to be printed. The invention provides a remedy, especially when it is completely dispensed with the use of wetting agents, for which the invention just creates the best conditions. The invention thus opens up for mass production Particularly suitable curtain coating process new applications, namely in particular the above.
Für die Analyse der Vorhangstabilität soll im Folgenden die charakteristische Diffusionszeit mit der charakteristischen Fallzeit des Vorhangs verglichen werden.For the analysis of curtain stability, the characteristic diffusion time will be compared with the characteristic fall time of the curtain.
Die Fallzeit hängt von der Vorhanggeschwindigkeit VV ab, die ihrerseits durch die von der Düsenart abhängige Anfangsgeschwindigkeit V0, die Fallhöhe x des Vorhangs und die Gravitationsbeschleunigung g näherungsweise bestimmt wird durch:
Für die Praxis kann im Allgemeinen die Anfangsgeschwindigkeit V0 vernachlässigt werden, da deren Abhängigkeit von der Düsenart meist gering und die Anfangsgeschwindigkeit meist wesentlich kleiner als der Gravitationsterm in Gleichung (1) ist.In practice, the initial velocity V 0 can generally be neglected, since its dependence on the type of nozzle is usually low and the initial velocity is usually much smaller than the gravitational term in equation (1).
In Fig. 3 ist ein typisches Beispiel der Abhängigkeit der Vorhangfallzeit von der Fallhöhe x dargestellt. Für industriell relevante Vorhanghöhen von 50 bis 300 mm beträgt die Vorhangfallzeit demnach zwischen 50 und 200 ms. Dies ist eine sehr kurze Zeit, vor allem im Vergleich zu der Diffusionszeit, die erforderlich ist, um in wässrigen Lösungen die auf Grund des kurzen Oberflächenalters im Vorhang bedeutungsvolle Oberflächenspannung von höchstens 40 mN/m und vorzugsweise weniger zu erzeugen.FIG. 3 shows a typical example of the dependence of the curtain falling time on the drop height x. For curtain heights of 50 to 300 mm, the curtain downtime is between 50 and 200 ms. This is a very short time, especially compared to the diffusion time required to produce in aqueous solutions the surface tension of not more than 40 mN / m, and preferably less, due to the short surface age in the curtain.
Wie in "Curtain Coating" von K. Miyamoto und Y. Katagiri, Chapter 11c in Liquid Film Coating, Chapman & Hall, London, beschrieben, kann das theoretische Stabilitätskriterium für den Vorhang durch die nachfolgende Gleichung (2) quantifiziert werden:
We ist die dimensionslose Weberzahl, die das Verhältnis zwischen Trägheits- und Oberflächenspannungskräften beschreibt, ρ und σ sind die Dichte und die Oberflächenspannung des Beschichtungsfluids, Q ist das Verhältnis Volumenstrom/Breite, VV ist die Vorhanggeschwindigkeit gemäß Gleichung (1), U ist die Geschwindigkeit der zu beschichtenden Bahn und HF ist die nasse Dicke der Beschichtung auf der Bahn.We are the dimensionless Weber number, which describes the relationship between inertial and surface tension forces, ρ and σ are the density and surface tension of the coating fluid, Q is the ratio volumetric flow / width, V V is the curtain velocity according to equation (1), U is the Speed of the web to be coated and H F is the wet thickness of the coating on the web.
Das Vorhangbeschichtungsverfahren gehört zu der Klasse der sogenannten vordosierten Beschichtungsverfahren, bei denen nur gerade die exakt benötigte Menge Beschichtungsfluid zu der Düseneinrichtung gepumpt wird. Im Unterschied zu anderen Beschichtungsverfahren, wie Walzen-, Rakel- oder Luftmesserverfahren, wird das Vorhangverfahren ohne Überschussflüssigkeit betrieben. Auf Grund des Massenerhaltungsgesetztes kann deshalb geschlossen werden, dass der Volumenstrom V* und somit auch der Volumenstrom pro Breite Q gemäß der nachfolgenden Gleichung (3) von der Gießbreite W, der Bahngeschwindigkeit U und der nassen Filmdicke HF abhängen:
Insbesondere wird der Volumenstrom pro Breite Q durch die Bahngeschwindigkeit U und die nasse Filmdicke HF wie folgt bestimmt:
Aus Gleichung (2) kann nicht nur geschlossen werden, dass die Vorhangstabilität von der Oberflächenspannung σ und dem Volumenstrom/Breite Q abhängt, sondern dass die Vorhangstabilität auch bei kleinen Werten von Q gewährleistet bleibt, solange die Oberflächenspannung σ ausreichend klein ist. Aus Gleichung (4) kann weiter geschlossen werden, dass bei gegebener Bahngeschwindigkeit U die nasse Filmdicke HF oder bei gegebener Filmdicke HF die Bahngeschwindigkeit U umso mehr reduziert werden kann, je tiefer die Oberflächenspannung σ ist. Das Herstellen von sehr dünnen Schichten und auch das Beschichten bei sehr tiefen Bahngeschwindigkeiten mit dem Vorhangverfahren sind von industrieller Bedeutung, weil hierdurch eine äußerst hohe Gleichförmigkeit und damit eine hohe Qualität der Beschichtung erzeugt werden kann.From equation (2), it can be concluded not only that the curtain stability depends on the surface tension σ and the volume flow / width Q, but that the curtain stability is ensured even with small values of Q as long as the surface tension σ is sufficiently small. From equation (4) it can further be concluded that for a given web speed U, the wet film thickness H F or for a given film thickness H F the web speed U can be reduced all the more, the lower the surface tension σ is. The production of very thin layers and Coating at very low web speeds using the curtain method is also of industrial importance because it allows extremely high uniformity and therefore high quality of the coating to be produced.
In der US-PS 3,632,374 wird erwähnt, dass der minimale Volumenstrom pro Breite Q für wässrige Lösungen etwa 0,5 cm2/s beträgt. Mit diesem Minimalwert für Q kann die Vorhangstabilität jedoch über lange Betriebszeiten kaum stabil gehalten werden. Vielmehr sollte bei Verwendung wässriger Lösungen als Trägerflüssigkeit das Minimum von Q für industrielle Anwendungen wenigstens 1,0 cm2/s betragen. Dieser große Wert macht es andererseits jedoch unmöglich, dünne Schichten und vor allem dünne Schichten bei gleichzeitig tiefen Bahngeschwindigkeiten zu erzeugen, was in industriellen Anwendungen des Vorhangbeschichtungsverfahrens oft ein Nachteil ist.It is mentioned in US Pat. No. 3,632,374 that the minimum volume flow per width Q for aqueous solutions is about 0.5 cm 2 / s. With this minimum value for Q, however, the curtain stability can hardly be kept stable over long periods of operation. Rather, when using aqueous solutions as carrier liquid, the minimum of Q for industrial applications should be at least 1.0 cm 2 / s. On the other hand, however, this large value makes it impossible to produce thin layers and above all thin layers at simultaneously low line speeds, which is often a disadvantage in industrial applications of the curtain coating method.
Ferner hat die Erfindung erkannt, dass nicht nur die unterste Schicht eines mehrschichtigen Vorhangs eine geringe Oberflächenspannung haben sollte, wie dies in der DE 100 33 056 A1 gefordert wird. Die Wirkung einer sich rasch einstellenden geringen Oberflächenspannung auf die Vorhangstabilität beruht auf der Fähigkeit, lokale Querströmungen, so genannte Marangoni-Strömungen, auf der Vorhangoberfläche zu vermeiden, die durch lokale Oberflächenspannungsdifferenzen als Folge von Störungen erzeugt werden. Einerseits hat ein Flüssigkeitsvorhang zwei äußere Oberflächen, an denen Störungen angreifen können. Andererseits müssen bei einer Mehrschichtanwendung auch die Schichten zwischen den äußersten Schichten die Fähigkeit haben, ihre Oberflächenspannung rasch auf diese Werte zu reduzieren, damit die Vorhangstabilität auch dann gewährleistet bleibt, wenn die äußeren Schichten den Störungen nicht widerstehen können. Ein mehrschichtiger Vorhang ist also insbesondere dann industriell robust bzw. stabil, wenn alle Schichten des Vorhangs eine erfindungsgemäß geringe Oberflächenspannung von höchstens 40 mN/m haben. Vorzugsweise sind die Oberflächenspannungen sämtlicher Schichten noch geringer.Furthermore, the invention has recognized that not only the lowest layer of a multilayer curtain should have a low surface tension, as required in
Weitere Probleme können sich ergeben, wenn das Vorhangbeschichtungsverfahren für wässrige Lösungen in Kombination mit einer Kaskadendüse angewendet wird, wie sie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist. Insbesondere ergibt sich bei dieser Düsenkonfiguration eine unsymmetrische Situation bezüglich der Oberflächenspannung zwischen der in Förderrichtung F der Materialbahn 10 vorderen äußeren Vorhangfläche und der hinteren äußeren Vorhangfläche.Further problems may arise when using the curtain coating method for aqueous solutions in combination with a cascade nozzle as they do is exemplified in Fig. 1. In particular, in the case of this nozzle configuration, an asymmetrical situation with respect to the surface tension results between the outer outer curtain surface which is in the conveying direction F of the
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegt der Ursprung der vorderen äußeren Vorhangfläche beim Schlitzaustritt der obersten Schicht 1 auf der schiefen Ebene der Kaskadendüse 11. Je nach Anzahl der Schichten kann dieser Ort weit weg von der Düsenlippe 15 sein. Bei einer Bildung von drei Fluidschichten beispielsweise, beträgt die Distanz von Schlitzaustritt bis zur Düsenlippe 15 ungefähr 150 mm. Das Alter der freien Filmoberfläche am Ort der Düsenlippe 15, das heißt an dem Ort, an dem der Vorhang 5 beginnt, wird durch die Fließgeschwindigkeit des mehrschichtigen Fluidfilms auf der schiefen Ebene bestimmt. Die Fließgeschwindigkeit hängt von den Viskositäten der Beschichtungsfluide, deren Dichten und Volumenströmen und vom Neigungswinkel ab. Für einen dreischichtigen Fluidfilm mit einer Viskosität von 50 mPas beträgt das Oberflächenalter an der Düsenlippe 15 etwa 2 Sekunden. Während dieser Zeit können Netzmittelmoleküle bei Verwendung wässriger Trägerflüssigkeiten an die Flüssigkeitsoberfläche diffundieren und infolge Adsorption die Oberflächenspannung vermindern.As can be seen from FIG. 1, the origin of the front outer curtain surface at the slot exit of the
Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, hat die vordere Vorhangfläche beim Vorhanganfang, das heißt an der Düsenlippe 15, deshalb eine tiefe Oberflächenspannung. Ist die Fließzeit des Fluidfilms auf der Düsenfläche lang genug, erreicht die Oberflächenspannung sogar den Gleichgewichtswert, welcher der statischen Oberflächenspannung entspricht. Unterhalb der Düsenlippe 15 wird die vordere äußere Vorhangfläche infolge der Gravitationsbeschleunigung gestreckt, das heißt es entsteht dort eine neue Flüssigkeitsoberfläche, die unmittelbar nach ihrer Entstehung weniger Netzmittelmoleküle enthält, so dass die lokale Oberflächenspannung zuerst wieder zunimmt, bevor sie infolge Netzmitteldiffusion und -adsorption nach einer gewissen Fallzeit wieder abnimmt. Fig. 4 zeigt diesen Zusammenhang und zeigt darüber hinaus auch den Verlauf der Oberflächenspannung in Abhängigkeit vom Oberflächenalter für die hintere äußere Vorhangfläche.As shown schematically in FIG. 4, the front curtain surface at the beginning of the curtain, that is to say at the
Der Ursprung der hinteren äußeren Vorhangfläche (Rückseite) liegt an der Düsenlippe 15. Ebenfalls infolge der Gravitationsbeschleunigung wird diese Oberfläche unmittelbar nach ihrer Entstehung gestreckt, so dass die Oberflächenspannung, wie vorstehend beschrieben, nur relativ langsam abnimmt. Als Folge davon besteht zwischen der vorderen und der hinteren äußeren Vorhangfläche eine Oberflächenspannungsdifferenz Δσ, die an der Düsenlippe 15 sehr groß sein kann und mit zunehmender Fallzeit, das heißt in Abhängigkeit von der Vorhanghöhe, abnimmt. Diese Oberflächenspannungsdifferenz Δσ zwischen den beiden äußeren Vorhangflächen führt jedoch zu einer Beeinflussung der Vorhangfallkurve. Insbesondere kann der Vorhang unmittelbar unterhalb der Düsenlippe 15 stark nach hinten gebogen werden. Dieses Phänomen ist unter dem Stichwort "tea pot effect" bekannt und führt zu einer Verminderung der Vorhangstabilität, weil es schwierig wird, die Fallkurve des Vorhangs mit der Form der Vorhangseitenberandung 7 in Einklang zu bringen. Andererseits können infolge Wirbelbildung entlang der hinteren Kante der Düsenlippe 15 Linien und Streifen im Vorhang entstehen, wodurch die Qualität der Beschichtung auf der Materialbahn 10 negativ beeinflusst wird.The origin of the rear outer curtain surface (back) is located on the
Nach der Erfindung werden die vorstehend beschriebenen Nachteile dadurch vermieden, dass das Vorhangbeschichtungsverfahren mit Flüssigkeiten durchgeführt wird, die auf organischen Stoffen basieren, das heißt auf einer organischen Flüssigkeit. Viele dieser Flüssigkeiten haben eine inhärent tiefe Oberflächenspannung von weniger als 40 mN/m. Eine große Zahl von industriell in anderen Anwendungen gebräuchlichen organischen Trägerflüssigkeiten, insbesondere Lösemitteln, haben eine Oberflächenspannung im Bereich von 15 bis 35 mN/m, wie dies für die Zwecke der Erfindung bevorzugt wird. Das Problem der dynamischen Oberflächenspannung entfällt bei organischen Flüssigkeiten, weil die Oberflächenspannung nicht erst durch dynamische Effekte wie Diffusion und Adsorption erniedrigt werden muss. Die Oberflächenspannung solcher Flüssigkeiten ist deshalb auch für sehr kurze Oberflächenalter gering, und zwar geringer als der erfindungsgemäß nicht zu überschreitende Maximalwert von 40 mN/m. Dies konnte durch direkte Messung der Oberflächenspannung im Vorhang mit Hilfe der Machwinkelmethode, wie sie in dem auf Y. M. Tricot zurückgehenden Beitrag "Surfactants: Static and Dynamic Surface Tension" beschrieben wird, nachgewiesen werden. Vorteilhaft ist ferner, dass die Oberflächenspannung nicht erst durch Zugabe von Netzmittelmolekülen verringert werden muss. Bei mehrschichtigen Anwendungen ist die Forderung einer tiefen Oberflächenspannung für alle Schichten von vornherein erfüllt.According to the invention, the disadvantages described above are avoided by carrying out the curtain coating process with liquids based on organic substances, that is to say on an organic liquid. Many of these liquids have an inherently deep surface tension of less than 40 mN / m. A large number of organic carrier liquids industrially used in other applications, in particular solvents, have a surface tension in the range of 15 to 35 mN / m, as is preferred for the purposes of the invention. The problem of dynamic surface tension is eliminated in organic liquids, because the surface tension does not have to be reduced by dynamic effects such as diffusion and adsorption. The surface tension of such liquids is therefore small even for very short surface ages, and lower as the maximum value of 40 mN / m not to be exceeded according to the invention. This could be demonstrated by directly measuring the surface tension in the curtain using the Mach angle method as described in the article "Surfactants: Static and Dynamic Surface Tension", which is based on YM Tricot. It is also advantageous that the surface tension does not have to be reduced only by adding wetting agent molecules. In multi-layer applications, the requirement of a deep surface tension for all layers is met from the outset.
Als organische Trägerflüssigkeiten eignen sich sowohl tiefsiedende als auch hochsiedende Flüssigkeiten, solange nur die Oberflächenspannung den Wert von 40 mN/m nicht überschreitet. Geeignete Trägerflüssigkeiten sind insbesondere Ketone wie beispielsweise Aceton, Butanon und Cyclohexanon, des weiteren Alkohole wie beispielsweise Ethanol, Butanol und Cyclohexanol, ferner Ester wie beispielsweise Ethylacetat, auch Butylacetat und schließlich auch aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe wie beispielsweise Siedegrenzenbenzin und Toluol. Nicht zu vergessen sind auch Ether wie Tetrahydrofuran oder auch solche mit anderen oder mehreren funktionellen Gruppen wie Chlorbenzol oder 2-Methoxy-1-Propyl-Acetat. Auch Mischungen der vorstehend genannten Trägerflüssigkeiten sind im Sinne der Erfindung verwendbar und werden unter den Begriff der Trägerflüssigkeit subsumiert.Suitable organic carrier liquids are both low-boiling and high-boiling liquids, as long as the surface tension does not exceed the value of 40 mN / m. Suitable carrier liquids are in particular ketones such as acetone, butanone and cyclohexanone, further alcohols such as ethanol, butanol and cyclohexanol, further esters such as ethyl acetate, butyl acetate and finally also aliphatic and aromatic hydrocarbons such as benzine and toluene. Not to be forgotten are ethers such as tetrahydrofuran or those with other or more functional groups such as chlorobenzene or 2-methoxy-1-propyl acetate. Mixtures of the abovementioned carrier liquids can also be used in the context of the invention and are subsumed under the term carrier liquid.
Die erfindungsgemäßen Vorteile sind nicht nur mit flüchtigen Trägerflüssigkeiten enthaltenden, physikalisch-thermisch trocknenden Systemen erzielbar, sondern auch mit solchen, die reaktive organische Flüssigkeiten einschließlich Flüssigkeitsmischungen enthalten, die unter Einwirkung von energiereichen Strahlen, vorzugsweise UV-Strahlen oder Elektronenstrahlen, oder durch Einwirkung von höheren Temperaturen polymerisieren und dadurch die Verfestigung der fluiden Beschichtung auf der Materialbahn herbeiführen.The advantages according to the invention are achievable not only with physically-thermally drying systems containing volatile carrier liquids, but also with those which contain reactive organic liquids, including liquid mixtures, under the action of high-energy radiation, preferably UV rays or electron beams, or through the action of higher Polymerize temperatures and thereby cause the solidification of the fluid coating on the web.
Bei Verwendung von tiefsiedenden, verdampfenden organischen Trägerflüssigkeiten entfallen zeitabhängige Probleme wie Konzentrationsänderungen, Viskositätsänderungen, Schaumbildung und dergleichen, die bei Walzen- und Rakelverfahren typisch sind, weil infolge des geschlossenen Dosiersystems bei dem Vorhangbeschichtungsverfahren die freie Flüssigkeitsoberfläche kleiner ist. Entsprechend verringern sich die Brand- und Explosionsgefahren und die arbeitshygienischen Probleme auf Grund der deutlich reduzierten Verdampfungsverluste.When using low-boiling, evaporating organic carrier liquids, time-dependent problems such as changes in concentration, changes in viscosity, Foaming and the like which are typical in roll and doctor blade processes because, due to the closed metering system in the curtain coating process, the free liquid surface area is smaller. Accordingly, the fire and explosion hazards and the occupational hygiene problems are reduced due to the significantly reduced evaporation losses.
Claims (10)
- Liquid film coating process, in which:a) a curtain (5) comprising a plurality of layers of coating fluids (1, 2, 3, 4) is poured on an object (10) being conveyed at right angles to said curtain (5) andb) a fluid coating (6) is formed on said object (10) as a result,c) wherein mixtures of a coating material and a carrier liquid which can be solidified on the object (10) are used as coating fluids (1),c1) wherein the coating material of at least one of the mixtures is different from the coating material of at least one other of the mixtures,c2) wherein a plurality of the coating fluids (1, 2, 3, 4) of the plurality of layers are a mixture of a coating material and the same carrier liquid, which carrier liquid is an organic liquid,d) wherein the layers of the curtain each have a surface tension of at most 40 mN/m,e) and wherein the fluid coating (6) is solidified.
- Liquid film coating process in accordance with claim 1, characterised in that the organic liquid has a surface tension of at most 35 mN/m.
- Liquid film coating process in accordance with one of the above claims, characterised in that the organic liquid is free from wetting agent.
- Liquid film coating process in accordance with one of the above claims, characterised in that the organic liquid is removed from the fluid coating (6) formed from the mixture on the object (10) by evaporation in order to solidify said coating (6).
- Liquid film coating process in accordance with one of the claims 1 to 3, characterised in that a liquid that can be polymerised by heating is used as the organic liquid in order to solidify the fluid coating (6) formed on the object (10) by polymerising the organic liquid.
- Liquid film coating process in accordance with one of the claims 1 to 3, characterised in that a liquid that can be polymerised by irradiation, preferably UV irradiation or electron beams, is used as the organic liquid in order to solidify the fluid coating (6) formed on the object (10) by polymerising the organic liquid.
- Liquid film coating process in accordance with one of the above claims, characterised in that the curtain (5) comprises the plurality of layers of coating fluids (1, 2, 3, 4).
- Liquid film coating process in accordance with one of the above claims, characterised in that the coating material of each of the mixtures is different from the coating material of each of the other mixtures.
- Liquid film coating process in accordance with one of the above claims, characterised in that at least one of the coating fluids (1, 2, 3, 4) of the plurality of layers is an organic liquid that can be solidified by introducing energy, preferably by polymerisation.
- Liquid film coating process according to one of the above claims, characterised in that all coating fluids (1, 2, 3, 4) of the plurality of layers are organic liquids that can be solidified by introducing energy, preferably by polymerisation, wherein at least two of the organic liquids that are adjacent to each other are different.
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