SE452264B - Forfarande for bestralning med elektroner forse ett substrat med vidheftande mycket tunt lager - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 452 264 2 b) avgången av lösningsmedel från aggregatet beläggning-substrat; c) en utdragen period för härdning, vilken period sträcker sig från sekunder till timmar; och 0 d) avgivningen av värmeenergi till substratet och följaktligen en ökning i dess vätningsförmåga.

Samtliga dessa faktorer resulterar i en väsentlig inträngning av belägg- ningen i substratet och medför en förvrängning av beläggningsytan både i mikroskopisk och makroskopisk skala. Detta resulterar i att en stor mängd av beläggningen erfordras för att bygga upp en yta med "kontrollerade" egenska- per på både porösa och icke-porösa substrat, och stora mängder termisk ener- gi måste avges för att åstadkomma härdning. Den senare verkan i cellulosa- material eller material med ett väsentligt fuktinnehåll, såsom naturfibrer, är dimensionsförvrängning av substratet under härdningsförloppet. Detta har medfört att på ovan nämnt vis belagda substrat ej är lämpliga ett förses med ytterligare skikt som har höga krav vad avser yt- och dimensionslikformighet och stabilitet.

Konventíonella beläggningar på basis av lera, vilka utnyttjas vid pap- perstillverkning, har t ex visat sig helt otillräckliga för dessa tillämp- ningar. Till följd av dessa beläggningars porositet och ojämnhet ger använd- ningen av på lösningsmedel baserade beläggningar på dessa beläggningar på basis av lera ej substrat med önskad likformighet. Före uppfinningens till- komst har det t ex ej funnits något metalliserat papper, vid vilket mycket tunna skikt av aluminium eller andra material har möjliggjort framgångsrik ångpâläggning på pappersark som en billig ersättning för foliepapperslaminat.

I enlighet med uppfinningen och den till grund för denna liggande upp- täckten har man emellertid förvånansvärt nog funnit det möjligt att applicera en medelst ett elektronstrâleknippe härdbar, mycket tunn, relativt låg visko- sitet uppvisande, solid (fri från lösningsmedel) beläggning (såsom vinyl, akrylat och andra kända beläggningsmaterial av detta slag) på sådana, ojämn yta uppvisande substrat, inklusive papper. Vidare göres medelst ett nytt för- faringssätt för tidsstyrning och energiinställning det ojämn yta uppvisande papperet eller något annat substrat ytterst jämnt (rentav glasliknande) med en säkert vidhäftande, medelst elektronstråleknippe härdad beläggning, som fixerats till styvhet innan den haft någon möjlighet för att åtminstone dess yttre yta skall utjämnas eller sjunka sammnan och bringas till likformighet med substratets ojämna, oregelbundna eller textur uppvisande yta.

Förfarandet enligt uppfinningen gör det dessutom möjligt att utnyttja små mängder av beläggningen för att effektivt jämna substratets yta under anpassning av denna för användning som en glasliknande yta, eller för efter- följande behandling såsom metallisering eller applicering av någon annan film 10 15 20 25 30 35 40 452 264 3 eller slutbehandling. Den tämligen kritiska relativa tidsinställningen för påläggningen och härdníngen av beläggningen resp beläggningarna anpassas så att företrädesvis också beläggningens bottenyta angränsande till substratet vid tidpunkten för härdningen ej i någon större grad deformeras eller sjunker samman för att strikt följa konturen hos substratets ojämna eller textur upp- visande yta, utan i motsats därtill vidhäftas oftast med porer eller hålig- heter mellan beläggningen och substratet, vilka inte endast bidrar till ter- misk isolering av substratets övre yta men dessutom isolerar beläggningen från fysisk deformation eva substratet, vilket kan ske under uppvärmningen, eller förlust eller upptagning av fuktighet eller liknande fenomen. Enligt uppfinningen tillhandahålles således ett förfarande för applicering och elektronhärdning av tunna beläggningar på porösa material (såsom papper) med kontrollerad inträngning i substratet och med kontrollerad ytjämnhet, vilket förfarande i första hand grundar sig på förmågan att medelst elektronhärdning snabbt bringa beläggningarna att stelna.

Syftet med uppfinningen är följaktligen att åstadkomma ett nytt för- farande för att åstadkomma mycket jämna, tunna beläggningar på ojämna eller textur uppvisande substrat och liknande.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett nytt förfarande för att ge substrat, såsom papper med annars ojämn yta en vidhäftande, mycket jämn beläggningsyta, som är särskilt lämplig för metallisering. Ännu ett syf- te med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande, som möjliggör kontroll av beläggningens inträngning i substratet samt kontrollerad ytjämnhet.

Uppfinningen beskrives närmare nedan med hänvisning till bifogade enda avbildníng, som är en fotografisk mikrobild i sektion av ett substrat med en beläggning, som erhållits i enlighet med uppfinningen.

Eftersom de apparater, vilka användes för själva beläggningen, härdning- en, och i de fall detta utnyttjas, påläggningen medelst ånga eller annan metallisering eller annan slutlig ytbehandling är välkända samt uppfinningen hänför sig till den kritiska dimensioneringen, tidsinställningen eller tids- styrningen och de till grund för förfarandet liggande parametrarna, anses det ej erforderligt att här åskådliggöra formningsapparaterna.

Nedan avhandlas först tillämpningen av uppfinningen med hänsyn till framställningen av en pappersyta med en extremt jämn beläggning, varvid som exempel tas medelst lera belagt papper med en ytvikt av 5,44 kg (12 pound) per ris, vilket papper visat sig ha ytojämnheter av storleksordningen 3 - 5 m. Denna textur gör sådant papper olämpligt för påläggning av metall eller andra slutbehandlingsskikt. I enlighet med uppfinningen appliceras en mycket tunn beläggning, t ex en låg viskositet uppvisande vinylbeläggning (Mobil 41&A) på papperet medelst offsetpåföringsförfarande samt genom ytterligare 10 15 20 25 30 35 40 452 264 4 användning av en avjämningsrulle omedelbart efter appliceringen, varvid det belagda papperet matas direkt till bestrålningszonen för bestrålning medelst elektronknippe, vilken zon företrädesvis innehåller en apparat för avgivning av elektroner med låg energi som ett elektronstråleknippe i form av en linje eller en ridå, t ex en apparat av det slag, som beskríves i de amerikanska patentskrifterna 3 702 412, 3 745 396 och 3 769 600.

Med en rörelsesträcka mellan punkten för applicering av beläggningen och elektronhärdningazonen inställd till ungefär 1,5 m, och en hastighet av stor- leksordningen 150 m/min hos pappersbanan begränsas beläggningens sättningstid eller utbredníngstid innan den härdas medelst elektronhärdningsförfarandet till storleksordningen 1-600 ms. Med en dylik tidsstyrning och lägesinställ- ning samt användningen av en ridå eller linje av elektronstrâlning, som är inställd till storleksordningen 0,25-5 Mrad likformigt i en behandlingszon med en bredd av ungefär 5 cm, t ex åstadkommen medelst en energi av 150-250 keV hos elektronstrâleknippet, uppnås en momenten härdning av beläggningen innan åtminstone de yttre skíkten hos densamma kan sjunka samman tillräckligt mycket för att anpassas till formen hos ojämnheterna i papperets yttextur.

Härigenom åstadkommas adekvat vidhäftning till papperssubstratet med minimal inträngning och åstadkommas en glasliknande, jämn yttre beläggning hos pap- perssubstratet. Inte ens undersökning av denna beläggning med ett svepelek- tronmikroskop med en förstoring av 50000 ggr avslöjade någon ytstruktur stör- re än 1/19¿¿m. Härigenom visade sig papperet vara lämpligt för konventionell ångpåläggning av aluminium eller någon annan metall, varjämte åstadkoms en kraftigt reflekterande yta och andra föredragna skyddande egenskaper medelst minimal påläggning av metall, av storleksordningen 250 AO eller 0,025 .

Med en papperstjocklek av storleksordningen 1l;¿¿m och en resulterande jämn beläggning med en tjocklek av storleksordningen 5 m möjliggjorde härdningen medelst elektronstråleknippe ej endast adekvat inträngning för beläggningen, utan absorberades delvis i papperssubstratet, och utan någon variation av fukthalten, temperaturen eller substratets dimensions- eller kemiska stabili- tet. Såsom tidigare angivits har fördelaktiga porer eller öppningar mellan skiktet av lera och beläggningen verifierats medelst mikrofotografísk under- sökning.

I den händelse endast en jämn yta önskas, behöver naturligtvis det metalliserade eller ytterligare slutbehandlingsskiktet inte komma ifråga.

Det kan vidare observeras att med de kritiska inställningarna enligt uppfinningen endast en bearbetningscykel erfordras, till skillnad från andra laminerings- eller beläggningsförfaranden, som utnyttjara termisk härdníng av på lösningsmedel baserade aggregat. Förmågan att åstadkomma en felfri yta på substrat med sådan textur som ovan omnämnts, l0 15 20 25 30 35 40 452 264 åstadkommer ett direkt underlag för ytterligare avsättning av skyddsbeläggningar, som erfordrar ett sådant jämnt underlag; t.ex. pbdc, "Saran", eller liknande skikt av plast eller metall i syfte att åstadkomma t.ex. gentemot vattenånga och gas ogenomträngliga skyddsegenskaper för tillämpningar som förpackning av mat, farma- ceutiska preparat, liksom för aseptiska tillämpningar och under ett minimalt utnytt-' jande av det material, som användes som den skyddande filmen.

Inom föredragna tillämpningsområden för uppfinningen kan beläggningar med viskositet i ett intervall från ungefär 200 till 2000 cp användas med sättningstider mellan påläggningen av beläggningen och elektronhärdningen av mindre än l sek (såsom från ungefär 50 till 600 ms), och med elektronstrålespänningar inställda från unge- fär l50 till 250 keV för tunna beläggningar av storleksordningen från ungefär l ßm till 25)un. Den största fördelen föreligger naturligtvis vid användning av belägg- ningar av storleksordningen l till ett par,um, eftersom det representerar en minimal mängd material och minsta möjliga kostnader för produkten. _ Apparater som framgångsrikt provats i enlighet med uppfinningen har utnyttjats elektronstrålhärdningsperioder av 0,3 - l sek. efter påläggningen av beläggningen på porösa substratet, under användning av elektronenergier i intervallet l50-250 keV för att momentant härda pigmenterade eller klara, låg viskositet uppvisande och till l00 % solida beläggningar (dvs. utan lösningsmedel), med en tjocklek i inter- vallet från l till 250 gm/m2, likformig i djupled och i tvärled, som ett resultat av en bestrålningsgeometri av linje- eller ridåtyp.

Substratprodukten, -såsom papper, organiska eller oorganiska filmer eller folier kan rullas av från en rulle och beläggas vid en konventionell station beståené de av en beläggningsbehållare, den etsade djuptryckscylindern, samt offset- och 'samverkande valsar för tunn påläggning av icke viskösa beläggningar på substraten.

Det belagda substratet överföres sedan snabbt från beläggningsstationen till elektron- behandlingsanordningen, vilken är utformad för att åstadkomma en kontrollerad inert omgivning för härdning av beläggningar med fria radikaler, i elektronbehandlingsan- ordningens huvud, såsom t.ex. beskrives i ovan nämnda patentskrifter. Efter passage genom elektronhärdningsstationen kan banan sedan lindas upp på nytt.Ett sådant system kan arbeta med hastigheter av storleksordningen 300 m/min och kan användas för att åstadkomma den önskade elektronbehandlingsnivån (eller dosen) för beläggningen vid den valda banhastigheten, och med en på förhand vald härdningsdos automatiskt erhållen vid varje tillämpningshastighet upp till de effektnivâer, vilka är möjliga medelst elektronbehandlingsanordningen. 'V Vid de matningshastigheter, som är av intresse vid industriella tillämpningar (av storleksordningen l50 m/min) göres beläggningens sättningstid på substratet mycket liten mellan själva påläggningen eller appliceringen och härdningen medelst elektronstråle av beläggningen.

Med ett avstånd av storleksordningen ungefär l,5 m mellan beläggningsstationen l0 l5 20 25 30 35 40 452 264 och elektronbehandlingsstationen är sättningstiden av storleksordningen 0,6 sek innan beläggningen påverkas av elektronstrâlen. Uttrycket "härdning“ utnyttjas för att utvisa skillnaden mellan det tillstànd, i vilket beläggningen flyter, och det tillstànd, i vilket den har gelat. I det senare fallet är viskositeter av den tidigare nämnda storleksordningen l500 cp typiska för denna tillämpning (såsom i fallet med pappersbeläggningar). I det senare fallet är emellertid omedelbart efter. bestrâlningen viskositeter av storleksordningen l000 000 cp typiska under det att den medelst strålning injicerade ytterligare polymeriseringen fortskrider för att fullständigt härda materialet inom nâgra sekunder till följd av den fortsatta akti- viteten hos de lánglivade radikalerna i beläggningen på substratet.

Beläggningar med en viskositet i intervallet 500 - 5000 cp har med framgång använts i samband med offset-páföringsförfarande, varvid liten utflytning av belägg- ningen sker före härdningen. Under dessa betingelser kommer, till följd av frán- varon av utflytning paläggningscylinderns gravering att bevaras medelst den härdade ' beläggningen. En tidigare nämnd utjämningsskena utnyttjas således efter beläggnings- stationen endast om en plan yta erfordras hos beläggningen. För de här beskrivna exemplen pá med beläggning försett papper utnyttjades en gravyrcylinder med 60 celler per cm, varvid varje cell har ett djup av 62,5,um. Under dessa förhållanden erfordra- des endast en beläggningstjocklek av nägra kg per ris (3 gm/m2) under utnyttjande av till l00 % solida beläggningar (utan lösningsmedel) med låg viskositet (till exempel l500 cp). Eftersom kostnaden för merparten beläggnings- och behandlingsför- faranden domineras av kostnaden för beläggningen,~är det önskvärt att till ett mini- .mum reducera mängden använd beläggning för att åstadkomma den önskade ytbehandlingen.

Kombinationen av till l00 % reaktiv beläggning (lösningsfri) och den momentana härd- ning som ästadkommes medelst elektronbehandlingsanordningen, tillsammans med minimal inträngning av beläggningen i substratet, när beläggningen pâlägges med tillämflig viskositet och vid rumstemperatur, ger således ett förfarande för àstadkommande av en maximal täckning med minsta möjliga kostnader för beläggningen, Den på ritningen visade medelst svepelektronmikroskop erhållna avbildningen avser ett prov av medelst lera överdraget massapapper med ytviktenlkg/ris, vilket papper är överdraget medelst en beläggning av det ovan nämnda beläggningsmaterialet Mobil 4l4A. Denna avbildningsvy vid 250 och med fiörstoringen l000 ggr visar den _ underliggande ytan eller substratet pá beläggningen, som löper diagonalt över figu-v ren. Den med en jämn utsida försedda beläggningen har en tjocklek av ungefär 2-4 )um (visad vid A), och den ojämna gränsytan med beläggningen av lera B visar ej nägra tecken på inträngning i själva leran. Den medelst elektroner härdade beläggningen visar sig säkert anbringad på det porösa (pappers-) substratet, i stort sett pà samma sätt som en gjutfilm, som ej varit i stånd att tränga in i mellanrummen eller oregel- bundenheter hos substratytan. De stora ojämna fibrerna C hos själva papperet visas vid höger sida av mikroavbildningen. Beläggningens bakyta (åt höger) följer endast i stort substratets topografi, sásom vid omrâdetgb, under uppvisande av en jämn främ- 10 l5 20 25 30 35 40 452 264 re yta (åt vänster). Väldefinierade porer eller hälrum E från flera till ett tiotalftm är synliga i det övre centrala gränsytomrâdet mellan beläggningens bakre' yta och papperets beläggning med lera. Om en skyddsfilm såsom ovan beskrivits skall avsättas pà den visade yttre glasliknande jämna ytan hos beläggningen, kan det belagda substratet matas till en station för påläggning genom laminering av t.ex. ett för gas ogenomtränglig plastark eller till en station för avsättning av _ ett metallmaterial (t.ex. aluminium) under vakuum.

En liknande uppsättning mikroavbildningar togs på liknande prov belagda med beläggningsmaterialet (Celanese RR 0137, vilket pálades vid en hastighet av l50 m/min och med utnyttjande av den ovan nämnda gravyrcylindern med 60 celler/cm samt under användning av en utjämningsskena. Dessa mikroavbildningar visade liknande struktu- rer.

Som ett annat exempel pä uppfinningensfflekibilitet att härda en med våt be- läggning överdragen yta innan beläggningen sjunker samman eller sätter sig pâfördes med framgång flockbindemedel pa ett vinylbelagt textilmaterial samt nylonflockfib- rer i enlighet med det ovan beskrivna förfarandet. Uppfinningen kan också tillämpas när man erfordrar mycket tunna jämna filmer eller beläggningar såsom vid framställ- ningen av släppapper, gjutning under förflyttning (eng. transfer casting) av be- läggningar och vid framställning av fotografiska filmer. Om så önskas kan dessutom för att ytterligare plana ut den medelst elektronstrâle härdbara beläggningen, en tunn aluminiumfolie eller annan utjämnande ytbeläggning, som är genomtränglig för elektronstråleknippet, läggas på den applicerade beläggningen, varvid beläggningen _ sedan härdas genom nämnda ytbeläggning, varpå denna ytbeläggning därefter drages av; Ytterligare modifieringar kan också föreslås av fackmän inom omrâdet, och dessa modifieringar anses falla inom ramen för uppfinningen, såsom denna är angiven i de följande patentkraven.

Med den fördragna apparat för alstring av lågenergetiskauelektroner, som be- skrives i nämnda patentskrifter är det möjligt att reglera härdningsenergins in- trängningsdjup över intervallet l - 250 gm/m av behandlad tjocklek. Det är också uppenbart för fackmän inom omrâdet att elektronbehandlingsapparater för alstring av elektroner med högre energier och av både svepande, icke svepande eller pulsad typ kan användas för dessa ändamål, eller att svepande eller pulsade elektronbe- handlingsanordningar med motsvarande energi kan utnyttjas, dock ej med lika effek-; tiv täckningsförnågasom de fördragna elektronbeñandlingsanordningarna av ridátyp.

Enligt uppfinningen astadkommes härdning under hög hastighet av till l00 % solida beläggningar (utan lösningsmedel) under användning av elektronbehandlings- anordningar, vilka har utgángsenergier i intervallet från l50 keV till 250 keV och avger doser i intervallet frân 0,25 till 5 M rad, varvid den behandlade be- läggningen föres förbi behandlingsanordningen med eihastighet frân l0 till 300 m/min.

Medelst ett.förfarande på basis av dessa särdrag åstadkommes felfria beläggnings ytor, vilka ej kan åstadkommas genom termisk härdning av belagda substrat eller èj 10 l5 20 25 30 35 452 264 kan åstadkommas med förfaranden för relativt "långsam" härdning, såsom genom g utnyttjande av mikrovågor, ultraviolett och infraröd strålning osv. För förfarandet enligt uppfinningen är tidšintervallet mellan påläggningen av beläggningen fram till härdningsförloppet typiskt mindre än l sek. Detta förfarande gör det möjligt att utnyttja en till ett minimum reducerad beläggningstjocklek vid överdragning av“ en hel yta hos ett poröst substrat, såsom vid tillämpningar för framställning av släppbeläggningar, skyddsbeläggningar, dekorativa beläggningar eller på annat vis skyddande beläggningar. Detta åstadkommes medelst förfarandet genom begränsning av beläggningens inträngning i substratet eller i gränsytan till detta och genom den i det närmaste momenta tillstândsändringen för beläggningen från en vätska till ett fastämne genom elektronhärdning. Medelst förfarandet alstras en geometriskt jämn yta efter påläggning av beläggningen på ett jämnt, ojämnt eller poröst subst- rat av organiskt eller oorganiskt material. Förfarandet har ett stort antal till- lämpningar, inklusive överdragning av papper, film och.liknande material med ett skikt för ástadkommande av maximal ytjämnhet, såsom erfordras för metallisering av papper eller annat poröst material, och där maximal reflektionsförmåga eller glans hos den härdade beläggningen önskas för slutprodukten. Användningen av för- farandet gör det också möjligt att med hög överensstänmelse eller återgivnings- trohet relativt förlagan bevara konturer eller bilder, som påförts eller införts i beläggningen, när denna är i sitt vätsketillstånd, genom påföring av deforme- rande eller bilder åstadkommande energi under utnyttjande av mekaniska, elektriska, på basis av ljud eller magnetism grundade tekniker. Det är också möjligt att åstad- - komma gjutning av fria polymerer uppvisande filmer, som har felfria ytor med kont- rollerad ytojämnhet. Förfarandet gör det också möjligt att ta fram felfria filmer för framställning av skyddsbeläggningar för förpackningsfilmer, vilka uppvisar liten genomträngningsförmåga för gas och vattenånga. Genom användning av lågenerge~ tiska elektroner med energier mindre än 200 keV reduceras eventuell skada på substratet till ett minimum, vilket särskilt är en fördel vid tillämpningar med instabila substrat, eller för papper och textilmaterial där kvarhållning av fukt under härdningen är önskvärd för att åstadkomma maximal dimensionsstabilitet hos substratet. Användningen av förfarandet med olika sättningstider, från l ms till 600 ms, mellan paläggningen av beläggningen och-elektronstrålehärdningen gör det slutligen möjligt att styra beläggningens inträngning i och vidhäftning till det porösa eller ej likformiga substratet.

Claims (10)

°i 452 264 PATENTKRAV

1. Förfarande för att förse ett substrat med ett vidhäftande mycket jämnt lager innefattande: att substratet belägges med ett flytande, härdbart harts som har låg viskositet och är fritt från lösningsmedel; och att sub- stratet bestrâlas med ett elektronstråleknippe för snabb härdning av hartset till nämnda lager, k ä n n e t e c k n a t av att tiden mellan belägg- ningen av det flytande hartset och dess härdning under inverkan av elektron- bestrålningen är mellan en sekund och bråkdelen av en sekund, att elektron- bestrâlningen utföres i energiintervallet 150-250 keV och med en dos i inter- vallet 0,25-5 MRad, att beläggningen av hartset sker sålunda att lagrets tjocklek är mellan 1-25 pm, och att viskosíteten hos hartset är mellan 100 och 5000 centipois så att någon nämndvärd inträngning av hartset i substratet inte uppkommer och lagret således hindras från att sjunka samman till lik- formighet med substratets yta så att ett stort antal hålrum (E) föreligger mellan substratet och lagret.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att hartsets viskositet före elektronbestrålningen är från ca 100 till ca 2000 centípois.

3. Förfarande enligt något av Föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att hartset anbringas på substratet medelst offsetgravyr och efter- följande utjämning för erhållande av en synnerligen jämn yttre yta.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att hartset är beläget på ett släppskikt, som efter härdningen av elektronstråleknippet avlägsnas.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att sättninge- tiden är mellan 1 ms och 600 ms.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att substratet har en ojämn, porös yttextur.

7. Förfarande enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att substratet utgöres av papper, medelst lera belagt papper, cellulosaytor, icke-vävda eller på basis av plast framställda textilmaterial eller polymerfilmer.

8. B. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att ytterligare en ytbeläggning som erfordrar ett jämnt underlag pâlägges nämnda lager.

9. Förfarande enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att den ytterligare ytbeläggningen utgöres av en mot vattenånga och gas skyddande film, såsom ett ogenomträngligt plastskikt, ett metalliserat skikt, eller vakuum-förångad aluminium.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att hartset är ett under elektronbestålning härdbart polymermaterial, såsom vinyl eller akrylat.