專利名稱：在繞軸旋轉主體上施涂厚的反應性涂層的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及一種涂布繞軸旋轉的基材的離心澆鑄方法及設備以及由此得到的涂覆制品。更具體地，本發(fā)明涉及一種離心澆鑄方法和設備，其中通過將打算施涂于基材的反應性物流分成多股并將它們以螺旋狀重疊的方式施涂于基材上，從而可施涂厚的涂層。
背景技術：
涂布各種基材的方法是已知的，如常規(guī)澆鑄技術、噴涂技術等。目前，離心澆鑄技術已用于向剛性基材上涂布聚氨酯彈性體組合物。與其它已知的涂布方法相比，這種方法有一些益處。如與常規(guī)澆鑄方法相比，離心澆鑄方法使生產(chǎn)時間更短且不需要鑄模，同時與通常會產(chǎn)生過度噴涂的噴涂方法相比，其用料較少。
Ruprecht等，“Roll Covering by Rotational Casting withFast-reacting PUR Systems”，Polyurethanes World Congress 1991(9月24-26)第478-481頁，描述了利用快速反應的聚氨酯彈性體體系產(chǎn)生輥涂層的離心澆鑄技術。在這些體系中，聚氨酯反應混合物經(jīng)計量通過可移動的混合頭，該混合頭以恒速沿旋轉輥心的軸向在該輥表面上短距離移動。該聚氨酯反應混合物很快(數(shù)秒)固化，產(chǎn)生厚度為4-5mm的聚氨酯涂層。施涂額外的聚氨酯反應混合物涂層直至達到所需的聚氨酯涂層厚度。
US5,895,806公開了一種含有雙觸變劑的聚氨酯組合物，和US5,895,609公開了一種離心澆鑄方法，該方法用US5,895,806專利的聚氨酯組合物來涂布圓柱形物體。通過使用含雙觸變劑的聚氨酯組合物，每次通過均產(chǎn)生較厚的涂層并且沒有任何滴流或峰脊。這些聚氨酯涂層組合物可被廣泛用于剛性基材，如金屬、塑料和復合材料，其應用領域如造紙廠和鋼廠的輥、工業(yè)輥和印刷輥。
Grimm等的US5,601,881和EP0636467公開了使用“片狀?！笨傻玫缴踔粮竦耐繉?，在此將它們引入作為參考。該模具與主體的旋轉軸平行成α角放置，由此反應混合物的反應速率和相對移動與旋轉主體的圓周速度同步，以使連續(xù)旋圈呈鱗狀重疊并無縫連接在一起。
但使用這種片狀模存在一些問題。問題之一是這種片狀模產(chǎn)生長寬比為10-300的材料膜，難以保持均勻的出口流量。流動差異來自邊緣效應，因為模的邊緣對流動的阻力較大，或來自各區(qū)域的溝流。溝流來自模的某一區(qū)域的部分堵塞或粘度升高，導致較低粘度的新料取道該區(qū)域周圍阻力最小的通道。
結果，當流動變得不均勻時，生產(chǎn)必須停止以清洗所述模具。這是一個嚴重問題，例如當制備質(zhì)量要求非常高的大型輥如造紙廠的輥時。另外，啟動和停止輥的涂布操作會在輥表面的生產(chǎn)停止位置產(chǎn)生可見的缺陷，進而導致輥涂層報廢。
該片狀模操作的另一個問題是片本身在出模后會形成波紋形移動，導致在基材上的施涂不均勻。為避免這種情況，噴嘴必須非常接近輥，并且其角度要保持離型輥涂層的距離絕對最小。但操作接近成型涂層的噴嘴會產(chǎn)生其它問題，這是由于模本身或是垂自該模的完全反應的材料有與輥接觸的危險，從而會形成鐘乳石狀突起。這種鐘乳石狀凝固材料的形成在這種涂布操作中是常見的。
因此希望提供一種離心澆鑄方法和設備，以產(chǎn)生用先有技術體系可能制備的厚涂層，但具有更寬的加工范圍、更長的運行時間、更低的廢品率和更高的產(chǎn)品質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明，提供一種涂布基材的方法，該方法包括如下步驟(a)使基材以選定的轉速繞軸旋轉；(b)通過使聚合反應混合物以選定的流量經(jīng)模擠出將所述聚合反應混合物施涂于旋轉基材的表面，所述模將聚合反應混合物的入口物流分成多股出口物流，所述出口物流被施涂于所述基材，并且所述出口物流彼此隔開以致在被施涂于所述基材后無縫流到一起；
(c)以選定的相對線速使所述旋轉基材與模之間平行于轉軸方向相對線性運動；和(d)使聚合反應混合物流量、所述相對線速和基材的轉速同步，以使聚合反應混合物出口物流的連續(xù)旋圈重疊并無縫并在一起。
進而，按照本發(fā)明，提供一種涂布基材表面的設備，該設備包括(a)用于使基材以選定的轉速繞軸旋轉的轉動裝置；(b)用于使聚合反應混合物流計量混合和以選定的流量通過模分配的混合裝置；(c)具有涂布器表面及內(nèi)部支路網(wǎng)絡的模，所述內(nèi)部支路網(wǎng)絡將聚合反應混合物流分成多個支流，這些支流經(jīng)各自的出口通道被傳送至涂布器表面；(d)用于使模和/或基材以選定的相對線速沿平行于基材轉軸的線性方向相對移動的轉移裝置；和(e)使轉速、流量和相對線速同步的控制系統(tǒng)。


從以下詳細描述及參照下述附圖，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將更明顯。
圖1是本發(fā)明的模的局剖視圖；圖2為該模的底視圖；圖3是使用本發(fā)明的模向基材施涂涂層的側視圖；和圖4是該涂布過程的控制系統(tǒng)圖。
具體實施例方式
雖然用聚氨酯反應混合物描述本發(fā)明，但任何其它可固化的聚合反應混合物也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，可用于此的其它可固化聚合反應混合物包括但不限于環(huán)氧類、聚脲類和含硅氧烷的材料。
這種新的方法和設備特別適合于輥、管、帶、模切設備和各種其它圓柱形基材的涂布。該基材可由金屬、塑料、陶瓷、玻璃或任何其它適合的材料制成。這包括沿圓柱體長度具有相同直徑的基材，以及沿圓柱體的不同位置具有不同直徑的那些。還可用于制備管子或涂布管子內(nèi)部。還適合在制備涂層過程中使用加強織物或繩。
這種新的方法和設備的操作令人驚訝地好，因為它們出色地利用了聚氨酯反應混合物粘度升高圖線。當材料第一次從模中排出時，粘度低且混合物流動良好，即粘度(Brookfield)為約100-5,000cps。在此低粘度下流動只能在施涂相對薄的厚度(如Ruprecht等公開的4-5mm)時沒有下滴。在本發(fā)明中，還使分開的且適當間隔的物流容易地流到一起并立即遍布基材的較寬區(qū)域上。然后，在接下來的基材旋轉中，粘度已經(jīng)明顯提高如提高至約5,000-500,000cps，從而使第二組聚氨酯物流重疊，這些物流再次容易地流到一起并與先前的材料無縫組合。
現(xiàn)在參照圖1-4描述本發(fā)明的方法和設備?，F(xiàn)參照圖1和2，本發(fā)明的模100包括主體110，該主體110具有鄰柄111和延伸的末端面為平面的涂布器表面112。該主體110可任選具有側螺孔114以接納螺旋緊固件。例如，該?？杀环殖蓛砂雭碇圃欤瑢⑦@兩半機械加工成所需形式，然后連接以形成完整的模。連接可任選通過螺旋緊固件、螺栓或任何其它本領域中適合的連接方法來完成?？蛇x擇的開口116是銷釘?shù)奈恢靡员阌诙ㄎ?。該模包括?nèi)部支路網(wǎng)絡120以將反應混合物從鄰近入口121傳送至涂布器表面112。
支路網(wǎng)120包括線性入口部分122，其通過柄111延伸以使聚氨酯反應混合物流流過并進入通道123。Y型通道123進一步分成Y型通道124，其直徑小于Y型通道123。各Y型通道124進一步分成Y型通道125，其直徑小于Y型通道124。各Y型通道125通向各自的出口通道126，所述出口通道大體上相互平行并且與涂布器表面112連通。出口通道126的直徑小于Y型通道125?？梢钥闯?，各支路使通道數(shù)加倍以提供線性排列的平行出口通道126。
雖然通道123如圖1所示具有Y型分支以將反應混合物流傳送至左和右，但可以理解其它的通道網(wǎng)絡也可以用于本發(fā)明的方法和設備，只要出口通道126的直徑小于線性入口部分122的直徑即可。另外，本領域技術人員可以理解，在盡可能短的時間內(nèi)排出物流會導致每個通道壓降升高。該特征趨向平衡模中反應混合物流間的流量。因此，必須選擇出口通道126和線性入口部分122的直徑以使反應混合物流通過流動達到平穩(wěn)。另外，必須選擇的流量使反應混合物流不凝膠，因為凝膠會造成堵塞出口通道126。
在盡可能短的時間內(nèi)分配和排出物流也是重要的，從而為反應混合物流間提供所需的間隔。這有助于進一步保證凝固材料的聚集保持最少，這種聚集的最終結果是需要清洗設備。
現(xiàn)在參照圖3，模100與計量混合頭30相連，在該混合頭中聚氨酯反應混合物的組分進行混合。然后該反應混合物在壓力下作為物流被送至模的入口121，以經(jīng)過模的通道網(wǎng)絡120分布至涂布器表面112上。反應混合物由涂布器表面112以流體形式被施涂于旋轉的圓柱形基材10的表面11上，和隨后固化形成固體涂層20。模和混合頭連在固定裝置35上，固定裝置35連在元件36上。設置模100以使涂布器表面112與基材10的表面11成α角，其中α角優(yōu)選為約5°-40°，和最優(yōu)選約8°-25°。
基材10和/或固定裝置35可相對運動以使模沿平行于基材10的轉軸Z的方向相對基材10線性移動。在一實施方案中，基材10被固定于輥上從而可沿箭頭X所示的方向移動。在另一實施方案中，元件36可以是軌道，其中固定裝置35沿元件36按箭頭Y所示的平行于基材軸Z的方向線性滑動。
模和基材間的相對線性移動可通過使模和/或基材以平行于基材軸Z的線性方向移動來實現(xiàn)。因此，基材的每次轉動產(chǎn)生螺旋狀的涂料旋圈，其稍微偏移先前的旋圈，但與先前的旋圈重疊接觸。按這種方式，涂層可以隨模的相對移動沿基材的表面線性增加。選擇并混合聚氨酯反應混合物使反應速率低至足以使所施涂的涂料的連續(xù)旋圈可無縫并在一起，但又快至足以使該涂層隨后不久就硬化。該聚氨酯反應混合物的組成和混合條件可被調(diào)節(jié)以提供澆鑄時間(即反應試劑混合物在混合后保持為流體的時間)為約0.1秒至約5分鐘和優(yōu)選約0.3-60秒。
雖然圖3說明了向圓柱形基材的外表面施涂涂層，還可以向該基材的內(nèi)表面施涂涂層。例如，其中基材是帶軸孔的管子，則可用本發(fā)明的方法和設備向該管的內(nèi)表面即確定孔的內(nèi)表面施涂涂層。
參照圖4，本發(fā)明方法的控制系統(tǒng)包括控制反應混合物流量M、基材轉速R和模的相對移動速度T的控制器C，這些運動參數(shù)M、R和T在涂布操作過程中必須同步，以使反應混合物的連續(xù)旋圈最佳融合，從而提供無縫的固體連續(xù)涂層。順便說明，反應混合物流量M一般為約0.5-20磅/分鐘和優(yōu)選約1-10磅/分鐘；基材轉速R一般為約2-60rpm和優(yōu)選約3-30rpm；和模的相對移動速度一般為約1-60英寸/分鐘和優(yōu)選約3-25英寸/分鐘。這些范圍僅是為了舉例，這些范圍以外的參數(shù)只要合適也可以使用。旋轉基材、線性移動模和/或基材和向反應混合物施壓以使其流過模的設備是本領域公知的?？刂破鰿可以是本領域已知的微處理機控制裝置，如從State Industries(Winnepeg，加拿大)、Max Machineries(Healdsburg，CA)和Edge Sweets Co.(GrandRapids，MI)得到的那些。
與現(xiàn)有技術中的片模系統(tǒng)相比本發(fā)明有許多優(yōu)點。首先由于施涂分散獨立的物流，可使各物流提供相同的流量，和沒有物流會有片模涉及的或多或少的“邊緣效應”。其次，由于經(jīng)分配的物流沒有如此高的長寬比，溝流的可能性大大減少。如果材料在模中變稠，該系統(tǒng)趨向于迫使其通過不在其周圍的通道。這帶來了另一重要益處-能夠運行更長的時間而無需停車。
該新系統(tǒng)的一個有關方面是各物流可能比片模系統(tǒng)產(chǎn)生更多的空氣夾帶。但發(fā)現(xiàn)在各物流接觸點產(chǎn)生的小氣泡有反面效果更易于無氣泡運行。這似乎是有益的，因為小氣泡阻止空氣太多地進入基材和涂布材料間的縫隙。
獨立物流的另一益處在于不受其它物流的影響，因此不會形成片模中所產(chǎn)生的波紋流。另外，無需使模保持非常接近形成的涂層或與之成一角度以配合涂料的施涂角度。這使操作更有靈活。
通過使分流的直徑大于片模的寬度(這是獲得相同流量的常規(guī)情形)，該新的系統(tǒng)還適合使用填料和纖維。這類系統(tǒng)添加劑不可能引起堵塞或溝流，因此可以大量地或以較長長度和直徑使用。
該新的系統(tǒng)還具有較大的設計彈性，以適合施涂涂層的需要。例如，材料的施涂厚度在模的不同點可不同調(diào)節(jié)，僅通過改變各物流的間隔即可。因此，可以首先施涂較厚的涂層，和在最后施涂較薄的涂層，或涂層的厚度可隨輥厚度的增加而增加，由此利用了基材的較大直徑和較熱基材的較快反應性。而用片模這是不可能的，因為一端比另一端寬的模會立即產(chǎn)生溝流問題，這將造成材料在相當短的時間內(nèi)在較窄部分固化。
反應混合物被分成的物流個數(shù)可有較大變化，但實踐限制為約2-32，優(yōu)選約3-16。物流個數(shù)較多需要較復雜的機器來適當平衡流量，和還需要使物流較細，由此導致較高的壓力。但這些較大的物流個數(shù)還可使分布的區(qū)域最寬和在最短的時間內(nèi)形成最厚的涂層。如果所需的厚度不是太大，和如果需要頭部的壓降最小，則可利用少至2的物流個數(shù)。
本發(fā)明的模的一個實例可參見圖1，如上所述。該物流被分成8股獨立的流，形成的施涂寬度約75mm。該獨立物流的直徑在各出口附近最小。這些小的出口區(qū)域接受最大的壓降并因此非常有效地平衡物流之間的流量。還習慣于以平行方式來引導物流，以致材料以適當?shù)拈g隔沉積在基材上，而不必考慮模與基材之間的高度。
本領域技術人員可以領會到通過彎曲和機械加工以使任何交叉點都光滑，可進一步改進該模具。這樣在角落更少有弱流，而弱流可導致固化材料聚集。雖然以所示方式加工該模是容易的，但此處未顯示出有進一步改進的必要。
通過以下非限制性實施例描述本發(fā)明。
實施例將商購的“Ribbon Flow”材料裝至用于離心澆鑄的Spritztechnik計量-混合機的“A”和“B”槽。將Adiprene RFA1004(得自Crompton公司的一種MDI聚酯聚氨酯預聚物)加至“A”槽并在氮下加熱至52℃，和將Adiprene RFB 4170(得自Crompton公司的酯/胺基固化劑，其使得到的聚氨酯反應混合物的肖氏A硬度為70)加至“B”槽并在氮下加熱至30℃。然后將兩種材料真空脫氣，隨后添加氮至壓力為約20psig。將直徑為約20cm的輥心入位。A+B的總流量為約2.0Kg/分鐘?；旌掀髟O置為6000rpm及頭部的移動速率設置為3mm/秒。
在上述條件下，首先測試圖1所示的模。所有物流平行流動并表現(xiàn)出相同的流量。在這種條件下得到厚度為約2.3cm的高質(zhì)量無氣泡的輥涂層。輥涂過程中的線壓為42巴。
為了對比，用片模(如US5,601,881中所述的片模)重復該實驗，其中片開口的尺寸為2mm×75mm(通常應用)。在該相對短的運行期間，片流動相對一致，及至輥的距離保持約1-5mm以避免波紋流。結果輥的厚度均勻，但有一些氣泡，這些氣泡在運行期間通過調(diào)節(jié)高度或其它調(diào)節(jié)不能完全去除。片模明顯更難操作。另外，壓力較高，為52巴。
在完成這些實驗后，打開模并作檢查?？梢钥闯霰景l(fā)明的多物流模沒有聚集，而在片模的兩端存在聚集，此片模不屬于本發(fā)明的范圍。
與片模運行中的線壓為52巴相比，觀察到另一益處是多物流模在較低壓力約42巴下運行。在運行過程中未發(fā)現(xiàn)壓力升高。由于這一點以及沒有明顯的聚集，可以預料該模在這些條件下可運行相當長的時間。
雖然上述描述包含了許多具體特征，但這些具體特征不構成對本發(fā)明范圍的限制，僅僅是對優(yōu)選實施方案的例舉。本領域技術人員可以預料的許多其它可能的改變均落入由所附權利要求定義的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
權利要求
1.一種涂布基材的方法，包括(a)使基材以選定的轉速繞軸旋轉，(b)通過將聚合反應混合物以選定的流量經(jīng)模擠出，而將所述聚合反應混合物施涂于旋轉基材的表面，所述模將聚合反應混合物的入口物流分成多股出口物流，所述出口物流被施涂于基材上，且所述出口物流相互隔開以致在被施涂于所述基材后無縫流到一起，(c)以選定的相對線速使所述旋轉基材與所述模之間平行于轉軸方向相對線性運動；和(d)使所述反應混合物流量、所述相對線速和轉速同步，以致使聚合反應混合物出口物流的連續(xù)旋圈重疊并無縫并在一起。
2.權利要求1的方法，其中所述聚合反應混合物的澆注時間為約0.3-60秒。
3.權利要求1的方法，其中所述聚合反應混合物被分成的出口物流個數(shù)為約2-32股物流。
4.權利要求1的方法，其中所述聚合反應混合物是聚氨酯反應混合物。
5.權利要求1的方法，其中所述反應混合物的流量為約0.5-20磅/分鐘。
6.權利要求1的方法，其中所述基材的轉速為約2-60rpm。
7.權利要求1的方法，其中所述模的相對線速為約1-60英寸/分鐘。
8.權利要求1的方法，其中所述聚合反應混合物被施涂于所述基材的外表面。
9.權利要求1的方法，其中所述聚合反應混合物被施涂于所述基材的內(nèi)表面。
10.一種涂布基材表面的設備，包括(a)用于使基材以選定的轉速繞軸旋轉的轉動裝置；(b)用于使聚合反應混合物流計量混合和以選定的流量通過模分配的混合裝置；(c)具有涂布器表面及內(nèi)部支路網(wǎng)絡的模，所述內(nèi)部支路網(wǎng)絡將聚合反應混合物流分成多個支流，這些支流經(jīng)各自的出口通道被傳送至涂布器表面；(d)用于使所述模和/或基材以選定的相對線速沿平行于基材轉軸的線性方向相對移動的轉移裝置；和(e)使轉速、流量和相對線速同步的控制系統(tǒng)。
11.權利要求10的設備，其中出口通道的個數(shù)約為2-32。
12.權利要求10的設備，其中所述模包括用于接收來自混合裝置的聚合反應混合物流的入口通道，其中每個出口通道的直徑小于各自的入口通道。
13.權利要求10的設備，進一步包括連接所述模和混合裝置的安裝固定裝置，所述安裝固定裝置將所述模保持在使涂布器表面與基材表面成一定角度的位置，所述角度為約5°-40°。
14.權利要求13的設備，其中所述角度為約8°-25°。
15.權利要求13的設備，其中所述安裝固定裝置被可滑動地置于軌道上并可以沿平行于所述基材軸的方向移動。
16.權利要求10的設備，其中所述聚合反應混合物是聚氨酯反應混合物。
全文摘要
涂布基材的方法，包括使基材繞軸旋轉，和通過使聚合反應混合物經(jīng)模擠出將所述聚合反應混合物施涂于旋轉基材的表面。所述模具有支路系統(tǒng)以將聚合反應混合物的入口物流分成多個出口物流。出口物流互相隔開以至在被施涂于所述基材后可無縫流到一起。模和旋轉基材縱向相對移動。以及混合物的出料速率、模的相對移動與基材的旋轉速率同步，致使聚合反應混合物的連續(xù)旋圈重疊并無縫連接在一起。
文檔編號B05D1/00GK1729089SQ200380106736
公開日2006年2月1日 申請日期2003年11月10日 優(yōu)先權日2002年11月11日
發(fā)明者T·H·皮特, V·J·加耶夫斯基, C·F·馬倫 申請人:克魯普頓公司