在绕轴旋转主体上施涂厚的反应性涂层的方法和设备

摘要

涂布基材的方法，包括使基材绕轴旋转，和通过使聚合反应混合物经模挤出将所述聚合反应混合物施涂于旋转基材的表面。所述模具有支路系统以将聚合反应混合物的入口物流分成多个出口物流。出口物流互相隔开以至在被施涂于所述基材后可无缝流到一起。模和旋转基材纵向相对移动。以及混合物的出料速率、模的相对移动与基材的旋转速率同步，致使聚合反应混合物的连续旋圈重叠并无缝连接在一起。

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种涂布绕轴旋转的基材的离心浇铸方法及设备以及由此得到的涂覆制品。更具体地，本发明涉及一种离心浇铸方法和设备，其中通过将打算施涂于基材的反应性物流分成多股并将它们以螺旋状重叠的方式施涂于基材上，从而可施涂厚的涂层。

背景技术

涂布各种基材的方法是已知的，如常规浇铸技术、喷涂技术等。目前，离心浇铸技术已用于向刚性基材上涂布聚氨酯弹性体组合物。与其它已知的涂布方法相比，这种方法有一些益处。如与常规浇铸方法相比，离心浇铸方法使生产时间更短且不需要铸模，同时与通常会产生过度喷涂的喷涂方法相比，其用料较少。

Ruprecht等，“Roll Covering by Rotational Casting withFast-reacting PUR Systems”，Polyurethanes World Congress 1991(9月24-26)第478-481页，描述了利用快速反应的聚氨酯弹性体体系产生辊涂层的离心浇铸技术。在这些体系中，聚氨酯反应混合物经计量通过可移动的混合头，该混合头以恒速沿旋转辊心的轴向在该辊表面上短距离移动。该聚氨酯反应混合物很快(数秒)固化，产生厚度为4-5mm的聚氨酯涂层。施涂额外的聚氨酯反应混合物涂层直至达到所需的聚氨酯涂层厚度。

US5,895,806公开了一种含有双触变剂的聚氨酯组合物，和US5,895,609公开了一种离心浇铸方法，该方法用US5,895,806专利的聚氨酯组合物来涂布圆柱形物体。通过使用含双触变剂的聚氨酯组合物，每次通过均产生较厚的涂层并且没有任何滴流或峰脊。这些聚氨酯涂层组合物可被广泛用于刚性基材，如金属、塑料和复合材料，其应用领域如造纸厂和钢厂的辊、工业辊和印刷辊。

Grimm等的US5,601,881和EP0636467公开了使用“片状模”可得到甚至更厚的涂层，在此将它们引入作为参考。该模具与主体的旋转轴平行成α角放置，由此反应混合物的反应速率和相对移动与旋转主体的圆周速度同步，以使连续旋圈呈鳞状重叠并无缝连接在一起。

但使用这种片状模存在一些问题。问题之一是这种片状模产生长宽比为10-300的材料膜，难以保持均匀的出口流量。流动差异来自边缘效应，因为模的边缘对流动的阻力较大，或来自各区域的沟流。沟流来自模的某一区域的部分堵塞或粘度升高，导致较低粘度的新料取道该区域周围阻力最小的通道。

结果，当流动变得不均匀时，生产必须停止以清洗所述模具。这是一个严重问题，例如当制备质量要求非常高的大型辊如造纸厂的辊时。另外，启动和停止辊的涂布操作会在辊表面的生产停止位置产生可见的缺陷，进而导致辊涂层报废。

该片状模操作的另一个问题是片本身在出模后会形成波纹形移动，导致在基材上的施涂不均匀。为避免这种情况，喷嘴必须非常接近辊，并且其角度要保持离型辊涂层的距离绝对最小。但操作接近成型涂层的喷嘴会产生其它问题，这是由于模本身或是垂自该模的完全反应的材料有与辊接触的危险，从而会形成钟乳石状突起。这种钟乳石状凝固材料的形成在这种涂布操作中是常见的。

因此希望提供一种离心浇铸方法和设备，以产生用先有技术体系可能制备的厚涂层，但具有更宽的加工范围、更长的运行时间、更低的废品率和更高的产品质量。

发明内容

按照本发明，提供一种涂布基材的方法，该方法包括如下步骤：

(a)使基材以选定的转速绕轴旋转；

(b)通过使聚合反应混合物以选定的流量经模挤出将所述聚合反应混合物施涂于旋转基材的表面，所述模将聚合反应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开以致在被施涂于所述基材后无缝流到一起；

(c)以选定的相对线速使所述旋转基材与模之间平行于转轴方向相对线性运动；和

(d)使聚合反应混合物流量、所述相对线速和基材的转速同步，以使聚合反应混合物出口物流的连续旋圈重叠并无缝并在一起。

进而，按照本发明，提供一种涂布基材表面的设备，该设备包括：

(a)用于使基材以选定的转速绕轴旋转的转动装置；

(b)用于使聚合反应混合物流计量混合和以选定的流量通过模分配的混合装置；

(c)具有涂布器表面及内部支路网络的模，所述内部支路网络将聚合反应混合物流分成多个支流，这些支流经各自的出口通道被传送至涂布器表面；

(d)用于使模和/或基材以选定的相对线速沿平行于基材转轴的线性方向相对移动的转移装置；和

(e)使转速、流量和相对线速同步的控制系统。

附图说明

从以下详细描述及参照下述附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点将更明显。

图1是本发明的模的局剖视图；

图2为该模的底视图；

图3是使用本发明的模向基材施涂涂层的侧视图；和

图4是该涂布过程的控制系统图。

具体实施方式

虽然用聚氨酯反应混合物描述本发明，但任何其它可固化的聚合反应混合物也在本发明的范围内。例如，可用于此的其它可固化聚合反应混合物包括但不限于环氧类、聚脲类和含硅氧烷的材料。

这种新的方法和设备特别适合于辊、管、带、模切设备和各种其它圆柱形基材的涂布。该基材可由金属、塑料、陶瓷、玻璃或任何其它适合的材料制成。这包括沿圆柱体长度具有相同直径的基材，以及沿圆柱体的不同位置具有不同直径的那些。还可用于制备管子或涂布管子内部。还适合在制备涂层过程中使用加强织物或绳。

这种新的方法和设备的操作令人惊讶地好，因为它们出色地利用了聚氨酯反应混合物粘度升高图线。当材料第一次从模中排出时，粘度低且混合物流动良好，即粘度(Brookfield)为约100-5,000cps。在此低粘度下流动只能在施涂相对薄的厚度(如Ruprecht等公开的4-5mm)时没有下滴。在本发明中，还使分开的且适当间隔的物流容易地流到一起并立即遍布基材的较宽区域上。然后，在接下来的基材旋转中，粘度已经明显提高如提高至约5,000-500,000cps，从而使第二组聚氨酯物流重叠，这些物流再次容易地流到一起并与先前的材料无缝组合。

现在参照图1-4描述本发明的方法和设备。现参照图1和2，本发明的模100包括主体110，该主体110具有邻柄111和延伸的末端面为平面的涂布器表面112。该主体110可任选具有侧螺孔114以接纳螺旋紧固件。例如，该模可被分成两半来制造，将这两半机械加工成所需形式，然后连接以形成完整的模。连接可任选通过螺旋紧固件、螺栓或任何其它本领域中适合的连接方法来完成。可选择的开口116是销钉的位置以便于定位。该模包括内部支路网络120以将反应混合物从邻近入口121传送至涂布器表面112。

支路网120包括线性入口部分122，其通过柄111延伸以使聚氨酯反应混合物流流过并进入通道123。Y型通道123进一步分成Y型通道124，其直径小于Y型通道123。各Y型通道124进一步分成Y型通道125，其直径小于Y型通道124。各Y型通道125通向各自的出口通道126，所述出口通道大体上相互平行并且与涂布器表面112连通。出口通道126的直径小于Y型通道125。可以看出，各支路使通道数加倍以提供线性排列的平行出口通道126。

虽然通道123如图1所示具有Y型分支以将反应混合物流传送至左和右，但可以理解其它的通道网络也可以用于本发明的方法和设备，只要出口通道126的直径小于线性入口部分122的直径即可。另外，本领域技术人员可以理解，在尽可能短的时间内排出物流会导致每个通道压降升高。该特征趋向平衡模中反应混合物流间的流量。因此，必须选择出口通道126和线性入口部分122的直径以使反应混合物流通过流动达到平稳。另外，必须选择的流量使反应混合物流不凝胶，因为凝胶会造成堵塞出口通道126。

在尽可能短的时间内分配和排出物流也是重要的，从而为反应混合物流间提供所需的间隔。这有助于进一步保证凝固材料的聚集保持最少，这种聚集的最终结果是需要清洗设备。

现在参照图3，模100与计量混合头30相连，在该混合头中聚氨酯反应混合物的组分进行混合。然后该反应混合物在压力下作为物流被送至模的入口121，以经过模的通道网络120分布至涂布器表面112上。反应混合物由涂布器表面112以流体形式被施涂于旋转的圆柱形基材10的表面11上，和随后固化形成固体涂层20。模和混合头连在固定装置35上，固定装置35连在元件36上。设置模100以使涂布器表面112与基材10的表面11成α角，其中α角优选为约5°-40°，和最优选约8°-25°。

基材10和/或固定装置35可相对运动以使模沿平行于基材10的转轴Z的方向相对基材10线性移动。在一实施方案中，基材10被固定于辊上从而可沿箭头X所示的方向移动。在另一实施方案中，元件36可以是轨道，其中固定装置35沿元件36按箭头Y所示的平行于基材轴Z的方向线性滑动。

模和基材间的相对线性移动可通过使模和/或基材以平行于基材轴Z的线性方向移动来实现。因此，基材的每次转动产生螺旋状的涂料旋圈，其稍微偏移先前的旋圈，但与先前的旋圈重叠接触。按这种方式，涂层可以随模的相对移动沿基材的表面线性增加。选择并混合聚氨酯反应混合物使反应速率低至足以使所施涂的涂料的连续旋圈可无缝并在一起，但又快至足以使该涂层随后不久就硬化。该聚氨酯反应混合物的组成和混合条件可被调节以提供浇铸时间(即反应试剂混合物在混合后保持为流体的时间)为约0.1秒至约5分钟和优选约0.3-60秒。

虽然图3说明了向圆柱形基材的外表面施涂涂层，还可以向该基材的内表面施涂涂层。例如，其中基材是带轴孔的管子，则可用本发明的方法和设备向该管的内表面即确定孔的内表面施涂涂层。

参照图4，本发明方法的控制系统包括控制反应混合物流量M、基材转速R和模的相对移动速度T的控制器C，这些运动参数M、R和T在涂布操作过程中必须同步，以使反应混合物的连续旋圈最佳融合，从而提供无缝的固体连续涂层。顺便说明，反应混合物流量M一般为约0.5-20磅/分钟和优选约1-10磅/分钟；基材转速R一般为约2-60rpm和优选约3-30rpm；和模的相对移动速度一般为约1-60英寸/分钟和优选约3-25英寸/分钟。这些范围仅是为了举例，这些范围以外的参数只要合适也可以使用。旋转基材、线性移动模和/或基材和向反应混合物施压以使其流过模的设备是本领域公知的。控制器C可以是本领域已知的微处理机控制装置，如从State Industries(Winnepeg，加拿大)、Max Machineries(Healdsburg，CA)和Edge Sweets Co.(GrandRapids，MI)得到的那些。

与现有技术中的片模系统相比本发明有许多优点。首先由于施涂分散独立的物流，可使各物流提供相同的流量，和没有物流会有片模涉及的或多或少的“边缘效应”。其次，由于经分配的物流没有如此高的长宽比，沟流的可能性大大减少。如果材料在模中变稠，该系统趋向于迫使其通过不在其周围的通道。这带来了另一重要益处-能够运行更长的时间而无需停车。

该新系统的一个有关方面是各物流可能比片模系统产生更多的空气夹带。但发现在各物流接触点产生的小气泡有反面效果：更易于无气泡运行。这似乎是有益的，因为小气泡阻止空气太多地进入基材和涂布材料间的缝隙。

独立物流的另一益处在于不受其它物流的影响，因此不会形成片模中所产生的波纹流。另外，无需使模保持非常接近形成的涂层或与之成一角度以配合涂料的施涂角度。这使操作更有灵活。

通过使分流的直径大于片模的宽度(这是获得相同流量的常规情形)，该新的系统还适合使用填料和纤维。这类系统添加剂不可能引起堵塞或沟流，因此可以大量地或以较长长度和直径使用。

该新的系统还具有较大的设计弹性，以适合施涂涂层的需要。例如，材料的施涂厚度在模的不同点可不同调节，仅通过改变各物流的间隔即可。因此，可以首先施涂较厚的涂层，和在最后施涂较薄的涂层，或涂层的厚度可随辊厚度的增加而增加，由此利用了基材的较大直径和较热基材的较快反应性。而用片模这是不可能的，因为一端比另一端宽的模会立即产生沟流问题，这将造成材料在相当短的时间内在较窄部分固化。

反应混合物被分成的物流个数可有较大变化，但实践限制为约2-32，优选约3-16。物流个数较多需要较复杂的机器来适当平衡流量，和还需要使物流较细，由此导致较高的压力。但这些较大的物流个数还可使分布的区域最宽和在最短的时间内形成最厚的涂层。如果所需的厚度不是太大，和如果需要头部的压降最小，则可利用少至2的物流个数。

本发明的模的一个实例可参见图1，如上所述。该物流被分成8股独立的流，形成的施涂宽度约75mm。该独立物流的直径在各出口附近最小。这些小的出口区域接受最大的压降并因此非常有效地平衡物流之间的流量。还习惯于以平行方式来引导物流，以致材料以适当的间隔沉积在基材上，而不必考虑模与基材之间的高度。

本领域技术人员可以领会到通过弯曲和机械加工以使任何交叉点都光滑，可进一步改进该模具。这样在角落更少有弱流，而弱流可导致固化材料聚集。虽然以所示方式加工该模是容易的，但此处未显示出有进一步改进的必要。

通过以下非限制性实施例描述本发明。

                           实施例

将商购的“Ribbon Flow”材料装至用于离心浇铸的Spritztechnik计量-混合机的“A”和“B”槽。将Adiprene RFA1004(得自Crompton公司的一种MDI聚酯聚氨酯预聚物)加至“A”槽并在氮下加热至52℃，和将Adiprene RFB 4170(得自Crompton公司的酯/胺基固化剂，其使得到的聚氨酯反应混合物的肖氏A硬度为70)加至“B”槽并在氮下加热至30℃。然后将两种材料真空脱气，随后添加氮至压力为约20psig。将直径为约20cm的辊心入位。A+B的总流量为约2.0Kg/分钟。混合器设置为6000rpm及头部的移动速率设置为3mm/秒。

在上述条件下，首先测试图1所示的模。所有物流平行流动并表现出相同的流量。在这种条件下得到厚度为约2.3cm的高质量无气泡的辊涂层。辊涂过程中的线压为42巴。

为了对比，用片模(如US5,601,881中所述的片模)重复该实验，其中片开口的尺寸为2mm×75mm(通常应用)。在该相对短的运行期间，片流动相对一致，及至辊的距离保持约1-5mm以避免波纹流。结果辊的厚度均匀，但有一些气泡，这些气泡在运行期间通过调节高度或其它调节不能完全去除。片模明显更难操作。另外，压力较高，为52巴。

在完成这些实验后，打开模并作检查。可以看出本发明的多物流模没有聚集，而在片模的两端存在聚集，此片模不属于本发明的范围。

与片模运行中的线压为52巴相比，观察到另一益处是多物流模在较低压力约42巴下运行。在运行过程中未发现压力升高。由于这一点以及没有明显的聚集，可以预料该模在这些条件下可运行相当长的时间。

虽然上述描述包含了许多具体特征，但这些具体特征不构成对本发明范围的限制，仅仅是对优选实施方案的例举。本领域技术人员可以预料的许多其它可能的改变均落入由所附权利要求定义的本发明的范围和精神内。