多涂层模具涂布的方法及设备 【发明领域】
本发明涉及模具涂布，更具体地说，涉及一种在底层物上同时涂布两种或更多种薄层液体的多层膜模具涂布方法及设备。
【发明背景】
存在着对其上涂有液体薄层或“膜”，特别是例如压敏胶粘剂(PSA)这样的聚合物液体膜的片材或其他底层物的巨大需求。这种PSA液体至少可以分成三大类，包括：乳剂、热熔体及溶剂基溶液；但是在上述及其他类别中又有种类繁多的PSA，表现出多种多样的流体特性。也存在着种类繁多的其他类液体，需要涂布到某种类型的底层物上去。
典型地说，将这种其上带有薄膜涂层的底层物做成卷材的形式，然后再令其通过“转化”加工，在这种加工中经过印刷、冲切以及其他方法将其制成多种多样的最终成品，包括标签、识别系统、胶带等等。这种成卷的涂层材料常常具有夹层构造，意思是说，该底层物上涂布了多层液态PSA胶粘剂或其他液体，再在涂层上蒙上一层包含某种面层浆料的片材。存在着种类几乎无穷无尽地、用多种多样不同的背衬片材、涂层及面层浆料制成的这类多层产品。
目前，在生产这类多层产品的过程中典型的做法是，每一层各自单程地通过一种涂布设备完成涂布。可以将涂层涂敷到任何一种类型的底层物上，包括一种隔离衬层，或者甚至加在面层浆料上。然后，该涂层按照典型的做法经烘炉干燥，或者在热熔融PSA的情况下，经冷却而固化。如果打算在其上加上另外的涂层，则该卷材带着原来已有的涂层，再进行另外的涂布操作。最终，其上各自带有任意数目涂层的背衬和面层浆料通常被层合在一起而制成最终的多层产品。有许多涂布技术可以使用；但是互抵涂布或接近涂布通常被用于上述这一类型的单层涂布。在使用上述任何一种涂布技术的情况下，以单层涂布到底层物上的液体经过模具中的狭长缝隙进料(因此，这种技术有时也叫做“缝型涂布”)。该狭缝布置成与成卷的、通常称作带材的底层物运动方向成近似直角。该模具是不动的，而该模具的头，包括两片决定了该狭缝开口的“唇”，位于靠近带材的地方。当带材从这两片唇面前经过时，绕着一个背辊(支撑辊)运动。由模唇构成的狭缝具有与带材基本相等的宽度，这样，随着流体不断从模具流出到运动的带材上，沿带材整个横向的带材幅宽便一次通过地涂上了这种流体。
如果设计和调整得当，该模具将把液体均匀一致地沿着带材分布成一个薄层。典型地说，该模具可以很方便地进行调整以朝着带材前进或后退，从而确定了模唇与带材之间的间隙，也叫做“涂布间隙”。另外，模唇表面与带材之间的夹角，或称“迎角”，也可以进行调整。针对给定的涂层厚度，可以确定包括流率在内的各种液体流动参数。一旦这些参数确定，并且模具在涂布机内安排停当之后，操作期间通常只有涂布间隙和迎角需要调整。然而，由于涂布的层厚极薄，进行任何这样的调整往往会给加工带来某种程度的不精确性。
例如，这种单涂层一般在2～50微米范围内。而且，要精确地进行如此薄层的涂布，由于其粘度较高，通常在50～50,000毫帕-秒(mPa-sec)之间，就变得越发困难。另外，在涂布过程中所经受的压力和剪切速率常常会在几个数量级范围内变化。例如，某些种类的PSA液体要经历幅度达900磅/平方英寸的压力变化。该模具必须能够将具有这样参数的液体以比较高的生产速度进行涂布，例如带材速度在每分钟50～350米范围内或者更高。
对于模具本身的精确度也存在若干物理限制。例如，要使模具的唇部几何形状保持极小的公差是非常困难的，特别是沿着狭缝的整个宽度，而其数值又在几英寸到几百英寸或更高的范围内变化，情况更是如此。因此，为了做到尽可能精确，在互抵涂布的情况下，实际上是让模唇压入到带材中去，而后者支承在一个背辊上，该背辊典型地由硬橡胶材料制成，因此由于模具推进的压力它又会产生变形。下游唇以及上游唇的大部分由于是在薄层液体上做水面滑行，因此不接触带材，尽管在某些情况下上游唇的一部分可能接触到带材。因此，这样的变形补偿了模唇构型上可能存在的不精确性。从另一方面说，这种技术存在使模唇(特别是上游唇)的磨耗速率加剧的缺点，进而给加工带来不精确性。加之，在这样的环境下，背辊存在的任何不完美之处(例如偏心，或“径向跳动”)将会扩大。互抵涂布的另一个缺点是，带材中的接头可能难以通过。
另一种涂布，即接近涂布中，模唇安置在自带材后退一段精确距离的位置。其背辊典型地由不锈钢材料制成，这使得背辊圆周的形状可以做得精确。因此，与互抵涂布不同，接近涂布中的背辊在转动时不大会有偏心(也称作辊的径向跳动)。
为了进一步做到精确的单层涂布，发展出了许多技术。例如众所周知，模唇相对于带材的构型可以进行调整，以便改进涂层的精确和一致性。同样众所周知的是让模具的下游唇摆成一定角度或倾斜，以使其相对于带材呈一定的收敛态势。这样做的优点是为涂层提供了平滑的表面并防止在涂层中出现“条纹”及其他缺陷。达到这种模唇收敛的典型做法是调整模具迎角，使模唇与(迎面)过来的带材面交成一定的倾角(按这里的定义，迎角是一个负角度)。
然而模具迎角的调整会影响到整个液“珠”的流体力学状态。液珠被定义为模唇与带材之间截留的这部分液体，而沿其两条纵向侧边，液珠两端之间的这部分则定义为上游弯月面和下游弯月面或成膜区。这样，如果收敛过大，液流会遇到很大的压力梯度，它倾向于迫使液体朝上游逃逸。如果液珠朝上游推进，它往往会破裂，因为压力梯度在这一区域呈二次方规律变化。这将造成液体“上游泄漏”，显然将导致涂层性能的恶化。为此，另一种单层涂布技术是把上游唇调整得使沿着该模唇的压力降加大。这样做的效果是保证让液珠停留在模唇之下，或者说将其“封住”。
上述较大压力梯度的另一个缺点是它使液体受到剪切作用。在粘度唯一由一种液体的性质决定的单层涂布的过程中，这种高剪变速率的负面影响局限于如下的液膜质量恶化：即此时高剪切应力使液膜沿带材的横方向再分布，或者它们导致在剪切敏感液体中出现材料破坏的情况。除此之外，对于多层涂布，其中粘度可能因多种液体的存在而变化，尽管尚未完全理解但据观察，这种高剪切速率(甚至在给定的时间内经历的较低剪切速率)也会使得流体从稳定的二维流动转而采取三维流动模式。换句话说，当面临剪切应力时，液流将倾向于重排变成三维流型以便减少流动阻力。由于三维流动的结果，液体发生一定程度的涂层之间对流混合。
在单层涂布中存在着其他一些导致不精确的根源。例如，可能难以恰当地控制液体粘度或带材速度。带材本身可能表面有相对起伏或不规则，从而增加了在其上涂上厚意均匀涂层的难度。外来的颗粒或其他物质可能沉积在带材的表面或夹杂到液体内部。而且，就连周围压力的轻微变化也会影响到涂布的精确性。上述各项中的任何一项出现都可能引起扰动或偏离稳态涂布。
尽管存在上述种种困难，一般地仍然可以利用本发明的单层涂布技术获得好的结果。这种方法的要求可能是相当宽松的。就是说，扰动或其他不稳定因素常常对最终产品的性能没有实质的影响。另外，如果流动稳定，扰动的影响很可能会迅速地被衰减掉，结果使缺陷的严重性减少到极小的程度。
然而，对降低生产成本和开发出较高质量产品的要求却是永远存在的。在上述的单层涂布方法中，要生产出最终的多层产品，还必须进行包括涂布、干燥和层合在内的许多步骤。因此，设备及劳动成本就比较高。还有，据发现某些多层产品的机械和流变特性可能依涂层是单独或同时涂布而有所不同。就是说，如果将两个湿涂层同时涂布到底层物上，据发现最终多层产品的可转化性及性能都可得到改善。然而，为了做到两个或更多个涂层同时涂布，模具则必须具有两条或更多条狭缝，而不再只是一条。因此，除了上游唇和下游唇(用于单层涂布)之外，多涂层模具还必须有居间的或“中”唇，以便构成适当数目的狭缝或供料间隙。
然而，这种“双料”模具迄今尚未产生出成功的多层的涂层。这是由于单层涂布的原理不能很好地移植到多层涂布上去的缘故。同时将两个或更多个湿的涂层彼此重叠涂布的流体力学规律与单层中所经历的相距甚远。从另一方面，在某些工业中，例如摄影胶片工业，多层涂布已在许多涂布技术中得到采用，包括滑动涂布、模具/滑动联合涂布或者完全的模具涂布。然而，胶片工业对液体的要求与PSA工业迥然不同，后者大多是高粘度液体。
因此，在先有技术中存在着对多涂层模具涂布能力的如下需要：它能以工业生产的速度生产出成品，它能利用多种多样不同的液体，包括表现出较高粘度从而导致高压涂布条件的液体。
发明概述
本发明是这样填补了现有技术中的这一需求空白的：采用操作在正规生产速率下的缝型涂布方法将两种或更多种比较粘稠的PSA液体基本上同时涂布到底层物上，从而得以制造出多层PSA产品。该缝型涂布方法优选地包括互抵涂布方法或接近涂布方法。
更具体地说，本发明方法优选地将介于两个或更多个正在涂布到底层物上去的液体层之间界面或分离流线的位置控制在稳定的状态。与单层涂布不同，流动的稳定性(即其唯一地表现出稳定、二维流动的倾向)，尤其是在两层之间的界面处，是极其重要的。
分离流线形成在每当任意两个邻接的涂层在它们刚刚变得彼此邻接的那一点形成一条分离线的地方。因此，本发明的方法优选地包括调整涂层的压力梯度的步骤，目的在于使之不致超过将会在该模具下方的邻接层中引起回流的数值。
按照本发明的设备，一种被制成能将任何数目的层涂布到运动的底层物上去的模具，其中所述模具优选地包括在该模具的末端形成的至少一个第一模唇和在该模具的末端形成的至少一个第二模唇。该第二模唇从底层物运动方向看位于该第一模唇的下游，而且该第二模唇设置在沿基本上垂直于底层物的方向相对于第一模唇缩进的位置。这样，在本发明的模具中，所述的模唇彼此间就呈现出相对于底层物平面的梯级(台阶)构型，沿着底层物的运动方向与底层物的距离逐级增加。
借此，本发明的方法和设备保证了邻接涂层中的稳定流动。不稳定的流动，其流线随时间变化。这会造成流型中出现无规的波动或有规的振荡，进而造成膜构型断面中的不规则性。此外，在不稳定条件下涂布过程中轻微的扰动会蔓延，而不是象稳定流动那样很快地被衰减到稳定状态。同样，三维流动会造成两层之间的混合，或者造成沿带材幅宽方向涂层厚度不均匀，以及其他缺陷，例如涂层不连续或漏涂等等。在稳定的二维流动中，每一涂层都很均匀，因此生产出的产品完整性和性能也较好。不仅如此，如果流动受到扰动，这种流动形式将会迅速地自动恢复其稳定的二维流动特性，从而使成品中可能出现的缺陷降低到最小的程度。
进一步说，本发明能保证界面处的稳定二维流动，这是通过控制位于其最上游位置的流动界面实现的，该界面在这里称作分离流线或分离线。从带材运动的角度出发，该分离线的定义是：下流动层的最靠上的流线与上流动层的最靠下的流线刚刚交汇的那条沿带材幅宽方向的线。反过来说，分离线可以被看作这两股流与模唇分离的位置。虽然该分离线是横贯带材的整个幅宽的，但是，当从侧面来看模具/带材界面时，它是一个点。上面提到，该分离线将出现在下游狭缝开口区或供料间隙内的下层与上层流股合流的地方。为了叫起来方便，这一区域在本文中将称之为“界面区”。应当知道，如果两层合并的流动在该界面区，更具体地说在该分离线处，是稳定和二维的，则它将很可能在整个涂布过程中一直保持这样的流动特性，从而生产出改进的最终产品。
为了在分离线处达到这样一种有利的流动特性，本发明有助于使该条线位于模具中唇的下游转角处。这一转角代表沿模具横向的一条二维的直线。这样，如果分离线与该转角重合，则可以保证达到稳定的二维流动。由于这样的原因，本文把该转角叫做“稳定点”。从另一方面说，应当理解，不稳定或三维流动状态可能使分离线出现在界面区内的几个位置。例如，下层液流中的“回流”可能造成上层液流被拉向上游，致使它从紧靠中唇正下方的位置分离。同样，在双层中出现漩涡或其他滞流也可能使它在该液流的供料间隙内的某一位置与中唇分离。
按照本发明的方法，有若干基本步骤，而其顺序则并不特别重要。这些步骤包括对涂布的某些液体参数的分析、模唇几何形状的具体而精确的设计以及模具相对于运动带材的组装或安装。遵循这些步骤，可以进行若干实验性涂布，以便确定达到成功的多层涂布的操作范围。甚至在这个范围内，还可以确定出适合于大规模涂布操作的较高质量范围。这些步骤有助于提供稳定的二维流动。
界面区内的稳定、二维流动特性在本发明方法中是这样达到的：调节压力梯度，使得分离线位于稳定点处。按照本发明方法的一个方面，该压力梯度可以通过设计并组装一种带有特定中唇几何形状的模具来达到。这有助于使分离线刚好锁定在稳定点。在本发明的方法中这可以优选地通过调整界面区内的压力梯度达到。正象众所周知，该区内的压力梯度取决于涂布间隙及其同下游膜厚度的关系。根据复杂然而已透彻理解的流体力学原理，液珠内部沿着某一特定纵向部分造成的压力梯度与该点处的涂布间隙以及对应液流的下游厚度有关。然而在这里，分析时必须小心。的确，对于单层涂布，这种分析是比较直接了当的，因为只有一股流动和一种下游膜厚度。然而对于多层涂布过程来说，存在着两股或更多股流动。就是说，在液流中给定点的压力梯度分析必须包括该点处涂布间隙的确定以及由该液流形成的一个或多个液层的下游膜厚度。
本发明中的每一涂层优选地为约2～50微米，该缝型涂布方法优选地包括互抵涂布或接近涂布。精确地进行这种层的涂布所遇到的困难由于其粘度较高而增加，该粘度优选地在50～50,000毫帕-秒。另外，涂布中经受的压力及剪切速率经常会在几个数量级范围内变化。例如，某些类型PSA液体会经历达900磅/平方英寸范围的压力变化。该模具必须能够以较高的生产速率，例如带材速度优选地在50～350米/分钟或更高范围内，涂布具有上述参数的液体。所以说，对特定液流中的压力梯度，特别是对界面区处合并流的压力梯度进行分析是相当复杂的。
本发明的方法能设计中、下游模唇的几何形状，使得混合液流中的压力梯度将分离线固定在稳定点。在一个实施方案中，按照本发明方法设计的压力梯度调节要素包括中唇朝着带材的延伸。因而，由中、下游膜唇构成的轮廓呈现出顺带材运动方向逐级远离带材的梯级。这种梯级构型可以是平头的或平行于带材或者与之成一定角度的。它甚至可以呈现出其他的式样。唯一重要的是，在界面区，尤其是沿着从稳定点到中唇的上游转角的中间涂布间隙这一区域，要维持一定的压力梯度。对于平头的模唇式样(例如在模唇上没有形成倾斜或斜切面)，中、下游唇位于互相平行的平面内。然而对于斜切或其他模唇式样，这两个唇所在平面则可能相交。
就本发明的方法而言应当理解，模唇的这种梯级(台阶)式样会影响到界面区内中及下游唇下方的涂布间隙。因为中唇朝着带材突出，故该唇下方的涂布间隙小于下游唇下方的间隙。结果，如果模具相对于带材的位置摆放正确，中唇下方的压力梯度将近似于零，而下游唇下方的压力梯度将为负值。同样，这种关系至少存在于靠近下游供料间隙开口的界面区内。由于采用其他的模唇式样(例如斜切的)及模具迎角调整，中唇下方与下游唇下方压力梯度之间的关系可能会按照不同规律变化。然而，在界面区内，重要的是恰好位于该区或紧邻其上游附近的沿带材运动方向的压力梯度不得为过大的正值。
如果在这一区域的压力梯度过高，则会出现某种不稳定流动，从而导致涂层缺陷。例如，当没有一个适当的压力梯度调节时，中唇下方的下层液流可能出现“回流”。例如，它可能出现在当中唇的下游台阶不存在时，在这一区域造成较大的涂布间隙。涂布间隙较大会造成下层液流中出现较高的正压力梯度，使下层实际上朝上游流动一段短距离，然后再调过头来朝下游流动。这样的速度特性叫做液流的“回流”。
下层液流中出现这种回流的最严重缺点之一是它倾向于把中唇下方的上层液流朝上游方向拉离稳定点。就是说，分离线朝上游移动，而且不能保证形成一条直的并稳定的分离线。继而界面处两层之间混合及扩散可能加剧。此外，该液流还可能出现斑点或疙瘩。回流还可能引起一些其他缺陷。回流有两类：开路的和闭路的。开路回流造成的损害较小，因为任何进入其中的液体经过短时间(停留时间短)以后会离开，然后继续朝下游流去。而闭路回流造成的停留时间长，因为液体被陷在其中了。而且所有的回流据知都往往具有三维流动的特征。对于例如热熔融PSA这样温度较高的液体，这可能造成降解，继而焦煳，并因此而出现条纹。对于PSA乳剂，长时间的剪切形变可能导致乳液结构破坏，并导致颗粒的形成，又会出现条纹。
从另一方面说，中唇下方的压力梯度同样不能过大(出现这种现象的可能情况例如有，当这一区域的涂布间隙过小时)。这种过大的压力梯度还可能造成流体上游泄漏。还是象上面所提到的，这种高压力梯度可能造成高剪切应力，给涂层的性能带来其他的不利影响。
按照本发明，还会观察到，要设计成自中唇缩进的台阶可以通过将中唇设置在适当的涂布间隙处，并将下游唇设置到进一步远离带材的位置来实现。然而在这样设定参数的同时也带来一些不利之处。如果下游唇下方的涂布间隙因此而变得过大时，上层液流中会产生回流或旋涡。可能产生的又一种缺陷叫做“颤痕”，或者说液珠的二维振荡。
本发明方法，除了正确的模唇几何形状设计和模具相对于带材的组装和配置以便达到恰当的涂布间隙之外，还包括对准备涂到带材上去的液体进行某些流体参数的详细分析。特别是，本发明的方法涉及两种液体之间相对粘度的分析。优选的是，上层液体的粘度应大于下层液体的粘度。更具体地说，上层粘度比下层粘度优选地高出30％为最佳；但是，当上层粘度优选地介乎于比下层粘度小约50％到高出100％(或甚至更高)的范围内可做到成功的多层涂布。然而，一般专业人员将会认识到，这些范围对于一组给定的涂布参数来说甚至可以变动到超出上述的界限。
粘度之间的平衡对于促使达到稳定的二维流动是重要的。然而，由于液流受到如此高的剪切速率，在进行粘度分析时必须把粘度因如此高的剪切速率而发生的变化也考虑进去。例如，由于剪切变稀作用，任何正在被涂布液体的粘度都可能发生达几个数量级的毫帕-秒的变化。与此同时，考虑到本发明方法所涉及的薄膜涂布参数，剪切速率可能发生达4个或更高数量级的变化。特别是，在这样的涂布条件下剪切速率有可能经历达1,000秒-1以上的改变。因此，正在涂布的液体之间的相对粘度应当参照上述较高的剪切速率来考虑。
另外，按照本发明方法的另一个方面，优选地应该对各个液体的表面张力分析，上层液体的表面张力优选地比下层液体低。这一条件有助于避免因脱湿现象在上层形成相对于下层的漏涂。
在模唇的几何形状设计完成并相对于模具设置停当而且对液体参数作了分析之后，本发明的另一个重要方面是就可以实现成功涂布的操作参数区域进行实验确定。这一区域常常称作为“涂布范围”，它可以利用涂布间隙对模具迎角作图加以确定。比如，为了确定涂布范围，用两种液体试样在各种不同的涂布间隙和迎角条件下进行实验涂布，然后观察涂层的质量。找出能达到适当涂布的区域，包括能达到非常高质量涂布的区域(通常是总涂布范围的一个子域)。优选的是，该涂布范围尽可能大，以便在涂布间隙和/或迎角中出现的不精确性不致造成涂层缺陷或产品降等级。为了给涂布范围增加另一个维度，将实验过的同一组试样再放到各种不同的粘度条件下进行试验。
在涂布范围确定之后，可以按照本发明方法进行生产规模的涂布，优选在迎角区间的中部及靠近最大涂布间隙及迎角的一点进行。
在本发明的设备中，另一个优选的特征是，多层涂布模具优选地包括一种压力梯度调节要素，它能提供一个位于界面区前方的合适压力梯度。然而如上面所解释的，当本发明的模具被相对于带材正确地设置以便表现出恰当的涂布间隙特性时，就优选地获得了这一优点。优选的是，据发现该模具应设置成使得中唇下方(特别是在界面区)的涂布间隙大致等于模具下游(干燥以前)下层湿膜厚度的两倍。然而应当反复强调的是，这一厚度仅指来自中层下方这一特定液流的、正在被涂布的下层厚度。从另一方面说，下游唇下方(特别是界面区内)的涂布间隙应当大于下游湿膜厚度的一倍但不大于其两倍。在后一种情况下，该厚度是这两层以及此前的任何数目的层的复合厚度。所以说，应当理解，上述的原则适用于任何数目涂层的多层涂布，其中“下层”和“上层”指的是任何两个相邻的层。还应当理解，上述的关系由于液体的非牛顿特性以及其他可变因素，会少许有所变化。
另一方面，本发明设备允许对多层涂布过程进行优化。在按照本发明制作的模具的一个优选实施方案中，中及下游唇是平头的，或者说彼此平行。因此，如果需要下游唇呈收敛姿态，可以调整迎角来实现。然而在另一个实施方案中，涂布过程的优化是通过将下游唇切成倾斜的，使之在即使不进行迎角调整的条件下也能呈现一定的收敛之势。借助这样的改进，模具的“操作范围”可以得到扩大。这意味着，即使做不到对某些涂布参数的精确控制也可以实现成功的涂布。另一方面，操作范围扩大了，获得生产出最佳涂层的较高产品质量操作范围的可能性就增加了。而且，操作范围大，使得较不熟练或经验较少的操作人员也能成功地完成涂布操作。另外，可以生产出由范围更广的液体制作的、品种更多的产品，甚至包括单层产品。
在本发明模具的另一个方面中，上游唇位于比中唇更贴近带材的地方。这也造成一种沿上游方向不断增加的压力梯度，从而有助于将该模唇下方的液珠封住并避免上游泄漏。上游唇下方的下层中总是存在回流的。但是，典型地讲，此种回流是开路的，因此不会对下层的质量产生负面影响。该上游唇可以是“平头”或平行于带材的，或者它可以是斜切的或相对于带材倾斜的。优选的是，这种倾斜从带材运动方向看表现出一种发散的态势。这样一种轮廓造成一种朝向上游的正压力梯度，这又有助于封住液珠。
当本发明的设备的上游和下游唇为倾斜时，中唇优选地保持为近似水平的(不考虑带材曲率时，它近似平行于带材的意思)。这一点即使在操作期间也可以做到，因为有了上述模唇的倾斜，迎角需要调整的范围就很小了。由于中唇是平的，再配合恰当的涂布间隙，这就造成了一个等于零的压力梯度，正如上面讨论过的，它有利于避免回流并进而降低剪切速率和剪切应力。平的中唇还可以减少上游泄漏的危险。况且，这种中唇制造起来最为昂贵，而不要倾斜有利于降低成本。
应当指出，要达到本发明设备的各项优点，其他的模唇几何形状也是可能的。同样，其他的压力调节形式也是可能的。
进而，就本发明设备的模唇几何形状的另一方面而言，压力梯度的调整也可以通过将模唇设计成具有特定的长度，特别是中、下游唇的长度来实现。就是说，应当理解，模唇的长度在模具迎角调整好以后将会影响到涂布间隙。就典型而言，对于负迎角(模具与带材沿顺流方向呈收敛状)来说，每个模唇上游部分处的涂布间隙大于该唇下游部分处的涂布间隙。考虑到背辊的曲率时尤其如此。上面已经提到，如果涂布间隙过大，由于压力梯度不合适，将发生回流，从而使分离线位置失控并造成涂层质量的恶化。
另外，如同前面指出的，液珠内的液流主要由于带材的快速运动致使受到剪切应力。即使当剪切速率对流体性质来说是可以允许的，长时间剪切作用也会对液体的质量产生损伤作用。模唇越长，则液体经受剪切应力的时间就越长。因此，重要的是，当设计模唇几何形状时，模唇长度的选择不仅要照顾到剪切应力而且要考虑涂布间隙。
因此，本发明模具设备的一个重要的方面是，模唇长度应尽量短，而同时其长度又需提供足以形成稳定的直线流。可能，模唇长度中最重要的是下游唇长度。该唇必须足够长，以便使这种流型逐渐形成。该唇的长度可介于0.1～3毫米之间，而以约0.8～1.2毫米长为优选的。中唇长度也可在约0.1～3毫米之间，不过以在约0.3～0.7为优选。另一方面，上游唇可以长一些而不致在液体中造成剪切应力之虞，因为流体经过的长度是不大的。而且，上游唇长一些，有利于将液珠封住。因此，该唇在1～3毫米范围内是有利的，而以约1.5～2.5毫米为最佳。
本发明的另一个方面是上、下游供料间隙之间的夹角。由于中唇的长度被缩到极短，故构成中唇的该模具中心件必须足够宽，以便具备为支撑精密加工过的模唇所需的强度。据发现，这两条供料间隙之间的角度最佳为约30°；虽然应当指出，这一角度对本文所描述的流动特性并无影响。
于是，本发明多涂层模具涂布设备的下游供料间隙区特征在于，能在下层(包括前面提到的任何涂层)与上层之间的界面处产生稳定的流动的压力梯度调节要素。该压力梯度是由于中唇与下游唇的几何特性共同造成的，它在界面区形成恰当的压力梯度，其正值不大到足以引起回流的程度。
因此，本发明的设备还优选地包括一种在底层物上涂布上多层薄膜的模具，其中该模具带有在其模唇上形成的压力梯度调节要素，所述的调节要素被做成使模具与带材的对当位置能够避免在紧靠界面区上游出现正值过大的压力梯度。本发明进一步包括一种模具，其中所述压力梯度调节要素包括从中唇的下游转角及下游唇的上游转角来看呈台阶的几何形状，所述台阶的缩进量优选地为约0～0.102毫米(0～0.004英寸)。本发明还包括长度优选在约0.1～3毫米之间的中及下游模唇，以及可以是倾斜的上游及下游唇。该上游唇呈倾斜，以便从带材运动方向看相对于带材呈发散之势，该倾斜的角度优选地介于约零到2度之间。该下游唇呈倾斜，以便从带材运动方向看相对于带材呈收敛之势，该倾斜的角度优选地介于约零到5度之间。
优选的是，按照本发明制作的模具包括在模具末端上形成的第一和第二模唇平面，这两个平面决定了沿底层物运动方向自底层物缩进的台阶功能。而且，第一与第二模唇的二平面处于彼此相交的平面之内。最优选的是，该模具包括在模具末端上形成的第三模唇，该第三模唇位于从底层物运动方向看第二模唇的下游，并沿基本上垂直于底层物方向相对于第二模唇缩进。
概括地说，本发明的多涂层模具涂布方法及设备有利于涂布过程的优化。在本发明的该方法中，二相邻层的压力梯度调整步骤优选地包括调整分离线与模具相对位置的步骤，使得上层的液流不致侵入到下层液流中去。更优选的是，上层的粘度大于下层的粘度，进一步优选的是，上层的粘度在较高的底层物运动速率条件下大于下层的粘度。本发明的方法优选地使用具有下游唇和上游唇的模具，而且该方法包括将分离线调整在上游唇的下游边缘处的步骤。
这样，一般的专业人员，或甚至程度低于一般专业人员的人就能够调整涂布间隙、迎角、供料间隙、流率以及带材参数，以便做到成功的涂布。本发明可以应用在多种多样涂层及底层物上，以较低的成本生产出许多现有的产品或较新的产品。采用本发明，可以以较低的成本生产出新涂布机，也可以将旧涂布机改造得更加灵活多用。
附图简述
图1是可用于本发明的多涂层模具的透视图，其中模具位于靠近围绕着背辊运动的带材。
图2是准备按照本发明涂到底层物上的三种试样液体的粘度随剪切速率变化的图。
图3是不同待涂液体的粘度随剪切速率变化的第二幅图。
图4是一种单涂层模具与运动着的带材之间形成的涂布间隙断面放大图，用以说明本发明中利用的某些流体动力学原理。
图5a～5d是一定条件下图4所示涂布间隙内形成的速度分布示意性图解。
图6是图1所示多涂层模具涂布间隙断面放大视图，它进一步说明按照本发明的各涂布参数的调整情况。
图7是图6所示涂布间隙的界面区断面放大图，其中较详细地表示出本发明的模唇几何形状与涂布间隙调节步骤之间的关系。
图8是假定不按照本发明的步骤就可能在下层液体中出现的回流的示意性图示。
图9是假定不按照本发明的步骤就可能在下层液体中形成的漩涡的示意性图示。
图10是图7的多涂层模具断面放大图，说明将模具调整成相对于带材呈负迎角的步骤。
图11是当图10所示迎角调整造成模唇的上游部分涂布间隙过大时，在模唇下方可能出现的回流示意图示。
图12是一幅断面视图，说明将上游及下游模唇斜置的本发明步骤。
图13是假定供料间隙大小没有按本发明恰当设定时可能在供料间隙内出现的回流情况示意图。
图14是一幅涂布间隙对迎角的作图，用以说明就一组特定参数而言的成功涂布范围以及高质量范围的实验确定。
发明详述
在开始本发明的详细说明之前应当指出，本发明不局限于两层的涂布，而是进一步包括任意层数的多层涂布，包括多层中单一液体的同时涂布。因此，本文的附图及说明不应被视为对本发明范围的界定；而且，除非明确指出之外，本发明的方法不限于就其步骤而言的任何特定的顺序。
模具涂布概述
看图1，其中画出了一种多少带示意性的典型模具涂布操作。模具20被表示成靠近一个沿着箭头24方向运动的移动底层物或带材22。该带材22在越过多涂层模具20的末端时绕着背辊26前进。正如图1所示，应当理解，模具20与带材22具有基本上相等的宽度，因此底层物或带材整个宽度的大部分一次通过便被涂上了自该模具流出并分布到带材上的流体。
模具20是模块式的，就是说，它可以由许多单个的元件组装起来然后再作为一个完整部件被安装到涂布机中去。每个模具元件典型地由分布腔19和稍远的模具段21组成。该模具段的最远部分叫做模唇29，该部分将结合图4做进一步的说明。由于模具20是模块式的，因此可以组.装成各种各样的模唇29的组合式样，而不需要修改其他的模具段和模唇29。
如同图1中水平箭头28所示，模具20可以方便地朝向背辊26推进或离开，以便调整涂布间隙30，该间隙被定义为模唇29与带材22之间的距离。另外，模具20的迎角(α)也可以调整，如同图1中箭头所示。
模具20的各元件由缝隙或供料间隙彼此稍稍隔开，它使来自模具20内部分布腔的涂料得以流经模具20内部的这些供料间隙，然后流到运动着的带材22上。在图6的多涂层模具中，表示出两个供料间隙，52、54。但是，前面已经提到，应当懂得，除适用于两层的情况之外，本发明的原理也同样适用于多层。
多涂层模具涂布方法
就本发明方法的一个方面而言，沿带材幅宽方向均匀成层的膜是在针对准备涂到带材上以形成多层产品的液体粘度及其他物理参数的细致分析的基础上获得的。这种均一性使得产品具有高质量。除这种分析之外，本发明的方法还涉及根据流体力学的重要原理来设计模唇以及模唇与带材的相对摆放，以便调节操作期间液流的压力梯度。上述模唇设计及模具摆放的步骤保证将两个相邻液层之间的分离线控制在稳定点，从而保证液流维持在稳定的二维流动状态。为了保证操作成功，可以找出涂布范围(包括高质量范围)并确定最佳的操作点。
涂布液体的分析
前面提到，就本发明方法的一个重要方面而言，应当就准备按多层涂到底层物或带材上去的液体的某些物理参数，与沿带材幅宽方向膜厚均匀的可能性之间的关系进行分析。在这些参数当中，也许最重要的就是液体的粘度。更具体地说，应当懂得，必须对待涂的两种相邻液层间粘度比值进行细致的分析，如果可能而又可行，将其调整到最佳范围内的某一数值。
例如，据观察，上层液体的粘度介于比下层液体的粘度小50％到大100％的范围内，就可能会获得较好的涂布结果，尽管若其他参数已做了优化，则其他的比值也可能提供好的涂布结果。最好，上层粘度优选地比下层高出约30％。介于这一范围的粘度比能够提供较稳定的流动。更具体地说，上层粘度较高，所谓“层间条纹”的带材横向缺陷的危险就减少，当出现这种缺陷时，上、下层沿带材横向彼此交换位置，而不是形成两层均匀的膜，一层在另一层的上面。
应当理解，待涂液体之间相对的粘度在很大程度上取决于要生产的多层产品的性质。就是说，基于成本、原料、运输或其他可变因素的考虑，对一种或另一种液体粘度作出调整也许不可能或者不现实。然而，可以使液体的粘度在一定程度上“匹配”，以便达到有利的涂布条件。例如，如果希望流动更为稳定，就可以加入增稠剂来提高上层液体的粘度。同样，下层液体的粘度可以通过加入稀释剂，例如水、溶剂等，来降低。另一方面，这种稀释剂，尤其是溶剂，会带来其他的问题，例如环境问题、干燥时间拖长等。
但是在分析粘度时，必须考虑在典型涂布条件下特定液体所经受的剪切速率。这种剪切速率的变化幅度可达几个数量级，不过典型地说，在沿着液珠的大部分部位其值超过1000秒-1。因此，在这样的剪切速率作用下，液体间相对的粘度关系会有很大的变化。
图2表示一幅剪切速率/粘度图，其中画出将上层A涂到配制成两种不同粘度(B与B’)的第二层液体上，其中B’大于B。在该图中，剪切速率是在0.1～100,000秒-1的范围内表示的；不过分析的区域位于大约1000秒-1以上的剪切速率条件范围。应当注意到，较高剪切速率下的层A与层B之间的粘度比，与较低剪切速率下相比，有显著的变化。而且，基于上述的分析认为，液体A覆盖在液体B上这样一种组合将会获得好的涂布效果，因为A的粘度大于B。确实，在实验中的确达到了成功的涂布，然而起初仅仅限于较低的带材速度范围内。在带材速度较高时，发生了液珠上游泄漏，不正常的情况将在下面详细说明。之所以在本实例中出现这样状况的原因在于液流的流体力学机理，并与粘度较低液体(本实例中为液体B)难以在上游唇下面产生将液珠封住的足够压力梯度有关，因为液珠的下游部分地由较为粘稠的液体(A)组成。这种情况就说明了在该液体粘度分析中需要考虑的几个原理的相互作用。举例说，这种上游泄漏的情况可以通过几种可能的途径予以纠正。一种途径涉及按照下面将要详细说明的本发明方法的几个原则来设计模唇的几何形状。另一种途径涉及两种液体之间相对粘度关系的调整。
例如，当实验中采用液体A/B’进行涂布时，则在一个很宽的带材速度区间上获得了良好的涂布效果。这是由于，正象图2中图表所示，在较高的剪切速率下两种液体的粘度彼此平衡或匹配较好之故。例如，液体B’的粘度为B的两倍以上。但是必须注意，B’的粘度并未显著超过上层A的粘度。
这种情况表示在图3中，该图给出了两种试样液体，C和D，的粘度对剪切速率的作图。在该实例中，液体C准备涂到液体D的上面。在该图中，只需要分析高剪切速率粘度。比如，从图3可以看出，就典型的剪切速率范围的大部分而言，下层D的粘度超过上层C的粘度。在这些粘度关系颠倒的情况下发现，要达到稳定的涂布，而且尽管多层涂布也是可能的，但要达到高质量却是困难的。在恰当的粘度条件下，就特定操作而言的涂布范围将是比较大的，因此稳定流动的可能性也很大。
一般专业人员应当理解，在生产特定的多层产品的过程中将会遇到多种多样的粘度关系。故而上面举出的例子不应被视为涵盖了本发明方法各步骤中所遇到的液体分析范围的全部。
液体分析的另一个方面涉及待涂液体之间相对的表面张力。据发现，某些缺陷，例如脱湿或漏涂，或者说在一个特定层中的漏涂的危险，当上层表面张力小于下层表面张力时会减少。在这些条件下，该局部表面张力(包括成膜区内的动态表面张力)会倾向于使这些漏涂闭合。要使上层中的表面张力降低到一定程度，可以采用有效的表面活性剂或其他可溶的有机液体(醇、酮等)。
因此，本发明方法的液体分析方面对达到有利的涂布条件是重要的。该方法的模唇设计及模具的安装方面将在后面一并讨论；但是，有关单层涂布的以下信息将解释本发明的上述方面是如何帮助实现稳定流动的。
单涂层的流体力学
为了帮助理解本发明的优点，先弄清涂布间隙30、下游湿膜厚度及液体压力梯度之间的相互关系是重要的。这最好是结合单层涂布过程来加以说明和解释。
于是，来看图4，其中表示出贯通位于靠近运动着的带材22从而形成涂布间隙30(“c.g.”)的一对模唇36的断面放大示意图。对图1应当注意到，模具20已被顺时针转过了大约90°，以表示得更清楚。另外，带材22被表示成平的或水平的，然而实际上为了同背辊(未画出)相吻合，它应当显示出一定的曲率。但是，图4中所示的构型已经是对模唇36与运动着的带材32之间涂布间隙30中形成的液珠42内所发生的流体力学现象的很好近似了。
为了便于参照，“(朝)下游”将指带材22的运动方向，而“(朝)上游”是指相反的方向或朝左。这样，上游唇36a就构成上游模具段38a的最远的尖端，而下游唇36b构成下游模具段38b的最远尖端。这两个模具段38a、38b，二者中间形成涂布缝隙或供料间隙40，液体从这个间隙流到运动着的带材22上。如图4中所示，在液珠42内，液体先是朝上游流，然后折返流向下游，形成一个开路回流。液珠42在其上游边缘这边与上游弯月面44相邻接，在其下游边缘这边与下游弯月面46或成膜区相邻接。如果由于条件极端的缘故流体将逃出液珠42并朝上游流出去，这种现象叫做上游泄漏。
涂布间隙30在图4中表示为尺寸A。应当理解，尤其是在看后面的附图时，涂布间隙30沿着模唇36的长度方向可能会随这样一些因素而变化：不同的模唇几何形状、模唇的加工缺陷、模唇倾斜或斜切、模具迎角及其调整等等。
液流的湿膜厚度(h)被表示在液珠42的下游处。它的定义是干燥前的液流厚度。液流在各种不同纵向位置处的压力梯度与湿膜厚度(f.t.)以及在该位置处的涂布间隙30相关联，应当理解，对给定的液流速率(Q)而言，膜厚及带材速度成反比。比如，对于稳态牛顿型液体流动，速度由下式给定：u=u-ya+a22μ(dpdx)[(ya)2-(ya)]]]>
其中：
u＝液流朝下游的速度；
u＝带材速度；
a＝涂布间隙(c.g.)；
h＝湿膜厚度(f.t.)；
u＝液体粘度；
x＝沿下游方向的水平坐标；
y＝从模唇到带材的垂直坐标；以及
dp/dx＝沿下游方向的压力梯度。
从这一方程式可以看出，流动速度(u)是由两个分量构成的。第一分量可以由“拖曳”分量来表征，其中该流动速度与带材速度成正比。第二分量可称之为“压力推动”分量，所以在给定点处的该流动速度与此处的压力梯度(dp/dx)成正比。利用流动速率(Q)的定义，将上式积分，以求解压力梯度，得到：dpdx=12μa3(ua-2-Q)]]>
因为Q＝hu，该压力梯度可以用涂布间隙(a)和湿膜厚度(h)表示如下：dpdx=12μu-a3(a2-h)]]>
于是，在h＝(1/2)a(或者换句话说，涂布间隙为湿膜厚度的两倍)之处，dp/dx＝0。这样，根据上述众所周知的关系式就可以确定就某一给定涂布间隙/膜厚度关系而言，液珠中任意特定点的流速及对应的压力梯度。可以将该速度画成一种速度分布图，例如包括图5在内的一系列示意图中所画出的曲线。在下面描述的所有情况中，应当注意，在y＝0处(模唇处)，流速(u)等于零；而在y＝a(带材处)处，流速等于带材速度( u)。
图5a表示这样一种涂布情况，其中涂布间隙30恰好等于膜厚度的两倍。在这种条件下，液体内的压力为常数，相应地压力梯度为零。
但是如上面所述，涂布间隙条件可以根据多个变量进行调整。比如，图5b表示出这样一种情况，其中涂布间隙30小于下游膜厚度的两倍。在这种情况下，速度分布沿下游方向为中凹的，因此显示出负压力梯度。这种负压力梯度沿下游唇36b产生朝下游方向的压力梯度。上游区的压力较高，因此叠加到液体的速度特性上，将液体向前推或如图5b所示令速度分布中凸。
另一方面，图5c画出的情况是其中涂布间隙30等于膜厚度(h)的3倍。在这种条件下，沿下游的压力梯度大于零，意即液流在朝下游移动时遇到不断增高的压力。这种压力的升高倾向于减慢速度，使速度分布沿下游方向呈中凸。
最后，图5d表示的是当涂布间隙30大于膜厚度(h)的3倍时的情况。同样，压力梯度是正的，但是比图5c正值的程度更大。因此，看到了更大的下游压力，实际上导致液体朝上游流动一段短的距离，然后调转方向朝下游流去。这种情况说明了导致液体中出现回流的主要原因。该回流可能发生在上游唇36a的下方，如同图4所示，但是如果涂布间隙30过大，则有可能出现在下游唇36b的下方，如同图5d所示。
这种回流虽然对单层涂布中的涂膜重量不是特别有害，但对多层涂布却可能造成灾难性的后果。据发现，这种情况基本上可以通过正确的模唇设计和恰当的模具组装及安装避免。由于本发明方法的上述诸方面是相互关联的，故下面将就它们一起讨论。
模唇设计及模具安装
本发明的方法能控制各种各样条件下液体中的压力梯度，从而达到稳定的流动。这主要是通过模唇几何形状设计、模具组装、安装及调整达到的。
在针对一组给定的涂布及液体参数来设计模唇几何形状时，任何一种分析或计算的顺序都是可能的。一种方法是自下游唇开始然后向上游推进来计算过程中每一涂布间隙和模唇长度。
开始之前，首先要决定各层的湿膜厚度。典型地说，每层的干膜厚度可以从产品规格中获得，以涂层重量(例如每平方米克数)表示，而待涂液体制剂的固体含量(固体在液体中占的百分率)及密度和粘度是已知的。这样就可求出湿膜厚度，即将涂层重量除以固体含量与密度的乘积。随后，可以结合上面规定的尺寸范围由该得数计算出模具中全部的涂布及供料间隙。模唇长度及迎角也可以按照本发明的方法来计算，以优化涂布操作。
从下游唇的下游边缘开始，涂布间隙可以设定为总湿膜厚度的1倍。在该设定值的条件下，就可获得平滑膜表面特性所需要的、从带材运动方向看足够负的压力梯度。如上面所讨论的，接着设计该模唇的长度。不论模唇是否倾斜，或者是否使模具具有一个负迎角，模唇都应当沿带材运动方向呈收敛之势。在知道了下游唇的迎角及长度之后，就可以计算模唇的上游部分的涂布间隙，以保证该值位于合格的范围内。
在设计下游唇时，有关采用迎角或是倾斜模唇的问题应做一番权衡。前面说过，倾斜或斜切一般是有利的，因为它实际上能消除迎角所带来的负面影响。然而，斜切的模唇加工起来要比平头的模唇困难；因此在精确度上有一定的损失。成本增高也是要考虑的因素。
现在转移到中唇的讨论，其下游区的涂布间隙，如上面解释的，是重要的。它应当维持在下层膜厚的大约2倍，且不应超出过大，因为过分过大，会造成该模唇下方出现回流。该模唇的长度应尽量短，以减少一旦给模具加一个迎角时造成过分正的涂布间隙的可能性，然而也不应短到不能形成直线流动的程度。
上游唇的设计由沿液珠的压力降考虑来决定。任何能够将液珠封住的式样就足够了。优选沿带材运动方向呈发散的倾斜式，因为其压力降随沿液珠走过的距离呈二次方变化。这意味着在扰动的情况下液珠的上游弯月面位置比较容易控制。
确定了模唇的长度和角度并计算出有利的涂布间隙以后，可以将模具的各个部分组装在一起。这是按照众所周知的技术利用填隙片等完成的。然而，在这期间重要的是，各模唇间形成的台阶必须位置正确。供料间隙也必须由各模具棱面的正确摆放形成。为了避免出现回流，供料间隙不应过宽。最后，可根据上面的计算结果或如下述找出的涂布范围将模具设定成一个初始迎角。
涂布范围
如果认为必要或希望这样做，可以针对如此设计并安装起来的模具确定各种操作参数的范围。其典型的做法是采用准备在生产中使用的各种液体的试样在带材上进行实验涂布，并逐个地调整成各种各样的迎角和涂布间隙。还可以试验几种粘度不同的液体的涂布情况。获得的数据可以画成图表，其中找出“涂布范围”，表明在这个范围内能获得好的涂布结果。
图14表示一个适用于以给定的带材速度进行多层结构涂布的典型涂布范围。如图所示，上面画出了大量对应于涂布间隙和迎角的点，从而给出涂布范围的边界。从图中可以看出，超出这一范围，便会出现各种缺陷。因此很清楚，最好是将操作保持在该涂布范围之内。
将会发现，迎角负得越大，一般下游涂布间隙就越小，这是由于模具相对于带材转过一定角度所致。就图14的曲线图而言，较大的下游涂布间隙对应于负得较少的迎角(沿带材运动方向收敛得较缓)。因此，按照本发明的另一个方面，理想的是尽量将涂布操作保持在涂布范围内的下游唇涂布间隙较大、迎角刚好足以避免出现条纹缺陷的区域。在这些区域操作能够降低会导致涂层质量恶化的强烈剪切应力。然而与此同时，涂布间隙必须大到足以避免在中唇下方出现回流。
这些区域包括被称为“高质量范围”的涂布范围子域，该子域代表涂布质量最佳的区域。另外，从另一种意义上说，希望有较大的涂布间隙(但不是那些会造成过分正的压力梯度的)，因为这样可以减少沿液珠的压力降，容易将其在上游弯月面处封住。
这样做的不足之处是较容易受到扰动。就是说，在高质量范围，特别是采用较小的迎角时，操作处于接近出现缺陷的边缘(在图14的例子中所指“条纹”)。扰动可能使涂布状态，至少在一段时间内，落到涂布范围之外，从而导致有缺陷产品的出现。因此，最好是挑选一个操作点，既处于高质量范围内又与缺陷边界保持足够的距离，以便一般的扰动不致使操作点落到涂布范围之外。
一般专业人员应当理解，包括其他参数的图表的涂布范围是可能的。例如，将带材速度对涂层厚度比作图是常见的。可以画出两种或三种相关涂布参数的任意组合，以便确定出一个涂布范围和一个位于其内部的高质量范围。
故障原因的查找
如同刚刚讲过的，在操作期间可能出现给膜的质量造成缺陷的扰动或其他异常。因此按照本发明有利的是，能够尽早纠正这种缺陷，以便尽量降低其程度和缩短其持续时间。可能的话，就在涂布的期间进行“故障查找”，以便不必被迫中断生产。
前面已经说过，较常见的缺陷状态是上游泄漏。如果泄漏发生在操作期间，可以加大涂布间隙以减少沿液珠的压力降。替代地，可以通过改变迎角，使下游涂布间隙加大，同时使上游涂布间隙减小(即变成负得较少的迎角)来消除上游泄漏。其他的措施，例如液体粘度的调整也可以用来控制上游泄漏。
另一种缺陷是“脱湿”。假如在成膜区，一种扰动影响到该膜的表面，则一个或多个涂层可能发生相对于其下面的涂层或底层物的收缩，从而发生漏涂。要纠正这种情况可以降低上层的表面张力，通过例如提高这些涂层中表面活性剂的含量。同样，也可以降低涂布速度，以便将成膜区液体的动态表面张力维持在刚好或低于稳定限的数值。
多涂层模具涂布设备
看图6，其中表示出一种本发明多涂层模具20的优选实施方案断面放大视图。要知道，本发明的模具设备可以被用来按照模具涂布或本领域一般技术人员所熟悉的其他涂布技术来生产成功的多涂层产品。
虽然类似于图4，但这种模具20是由上游及下游模具段50a和50c，以及将二者分开的中间段50b所组成的。在这些不同段之间形成了上游供料间隙52及下游供料间隙54。来自上游供料间隙52的液体流到带材22上形成下层58，而来自下游供料间隙54的液体流到该下层上形成上层56。应当注意，这两个供料间隙52和54之间形成的角度大约为30度，这对于在中棱面50b的末端形成中唇60b的机械加工有利地提供了一种好的结构。从图6还应当注意到，上游及下游模具段50a、50c的唇部60a及60c相对于中唇60b构成了一种梯级或阶梯的构型，以便调节这一区域的压力梯度。这种关系的重要性将结合图7作更详细的描述和说明。
在图6中应当注意到，这种阶梯式模唇构型造成各种不同的涂布间隙。为了便于参照，下标b将指下层58，而下标t将指上层56。于是，下层涂布间隙(c.g.b)由两个不同的数值表征，一个在上游唇60a下方，一个在中唇60b下方。上层的涂布间隙(c.g.t)的特征是数值较大。上面已经提到，这些涂布间隙与它所形成的对应液层下游膜厚度之间存在重要的关系。例如，下涂布间隙从压力梯度的角度看与下层58的下游膜厚度(f.t.b)之间存在重要关系，而上层56的涂布间隙与下游膜总厚度(f.t.t)之间存在重要关系(注意到下标t不仅可以指上层，而且还可以指下游膜“总”厚度也许是有帮助的)，该总厚度包括下层与上层之和。这是由于，在确定压力梯度过程中的涂布间隙分析必须根据在该间隙处的全部液流进行，包括刚好在该部位朝带材22流淌着的液流，也包括所有以前的液流及由其形成的涂层。
从图6还可以看出，下涂布间隙小于上涂布间隙，以便形成前面所描述的“阶梯”。中唇60b相对于下游唇60c所形成的阶梯出现在一个非常重要的界面区，在此，两股流汇合于下游供料间隙54的地方。因此，本发明的一个重要的方面是一种设计方法，它尤其是给出中唇60b和下游唇60c的几何形状，包括在这一区内每一模唇的长度。这些还将结合图7作更详细的说明。
最后，在图6中应当注意，各个模唇60均互相平行，换句话说，位于平行的平面内。但是，本发明的原则并不局限于这种设计构思。例如，模唇60可以彼此间交一个角度或倾斜，正如下面所说明并结合图7作更详细的例说。另外，有多种多样的其他模唇几何形状和其他影响压力梯度的方法仍属于本发明原则的范围内。
现在看图7，其中表示的是图6中较全面画出的界面区的放大视图。该图表示出上层液流56与下层液流58之间的整个界面。每层的流动及各自的方向由一系列箭头表示。可见，这两层被表示成稳定的二维流动，其中分离线恰好位于稳定点。这就使得液层在带材横方向及纵方向的断面厚度均匀。这种类型的稳定二维流动生产出性能良好的多层产品。
正如前面提到的，为了达到这种稳定的流动，避免两层之间的混合是重要的。这可以通过，在本发明的一个方面，精确地控制两种流体的分离线来实现。如图7所示，最佳的涂布结果是当该分离线被调节到与中唇60b的下游转角62，被称为稳定点，重合时得到的。在本发明中，调节液流中的压力梯度将上层液流的分离线固定或锁定在该稳定点62上。优选的是，中唇60b(且尤其是中唇60b的下游转角62)下方的压力梯度不大于可能在中唇下方引起回流的压力梯度。这样，上层的液流就不具有沿上游方向侵入到下涂布间隙中去的倾向。这样的压力格局倾向于把分离线固定在下游唇下方的稳定点62处。
如同上面提到的，这一优点在本发明模具设备的一个方面中是通过将模唇沿下游方向逐级背离带材22缩进成阶梯状达到的。台阶的缩进量在图7中被表示为尺寸A。该台阶的大小可在宽广的尺寸范围内变化，对给定的一组涂布条件，可以对其进行优化。然而，优选的是，该距离A介于0～0.102毫米(0～0.004英寸)之间。
但是与此同时，正如上面所提到的，为了达到本发明的优点，这些模唇必须相对于带材22适当地摆放，以便达到恰当的涂布间隙。例如，如果下层涂布间隙(c.g.b)大于膜厚度(f.t.b)的三倍，在紧靠界面区的上游将会造成大的压力梯度，正如图5d所示。于是，将可能出现负的速度分布，从而在中唇60b下方的下层中引起回流。这种回流可能具有将上层朝上游拖曳从而偏离稳定点62的作用。这种情况被表示在图8中，它具有上面描述的所有缺点。另一方面，如果下涂布间隙比其膜厚度(f.t.b)的两倍小很多，尽管将产生较理想的负压力梯度，但它可能过大了，因而造成上游泄漏、高剪切速率等等。所以优选的是，下层涂布间隙应维持在膜厚度的两倍左右。
此外，下游唇60c下方的涂布间隙(c.g.t)应该在总膜厚(f.t.t)的1～2倍之间。同样，如同图9所示，如果该值过大，下游唇下方的压力梯度可能大到足以使分离线上移，进入下游供料间隙内并在该供料间隙的上游壁上的一点与中唇分离。这种流动情况会在下层液流中引起闭路回流，并造成涂膜缺陷。所以，在这些参数之间有许多利弊需要权衡，以便做到精确的压力梯度控制。
再看图7，将会注意到，上游唇60a相对于中唇60b也朝带材22伸进一个台阶。这也会造成该涂布间隙的减小和朝上游的压力梯度上升。这种情况将有助于将液珠42封在模唇下面。实际上，该涂布间隙服从于如下的理论。沿这一区域产生的压力降必须与通过沿该液流下游部分的液体时发生的压力降相匹配，其中还应把包围着下游及上游界面处液体的周围空气所施加的压力差一并考虑进去。所以，上游唇60a下方的涂布间隙可以用来使这些压力保持平衡。据发现，数量级在约0～0.102毫米(0～0.004英寸)之间的少许缩进(图7中表示的尺寸B)是合适的。
而且，由于该过程的敏感性，应当理解，上游唇60a与下游唇60c之间的总缩进量(即A+B)也应小心地调整。对此，据发现，总缩进量在约0～0.203毫米(0～0.008英寸)是有利的。另外，供料间隙的尺寸也应小心地保持在不超过流过该间隙的液膜湿膜厚度的大约5倍。如同图13所画，如果该间隙过大，供料间隙内将可能出现回流。而这些尺寸(图7中的C和D)各自可在约0.0254～0.381毫米(0.001～0.015英寸)的范围内变动。
本发明模具设备的另一个有助于保持适当涂布间隙和尽量减少剪切速率的重要方面是模唇的长度。如图7所示，下游唇60c的长度(Ld)可以在约0.1～3毫米范围内，而优选约0.8～1.2毫米。但是，该模唇的长度应当尽量地短，以便降低多层膜受到的剪切作用，这种作用会导致三维流动和液膜成形不匀。中唇60b的长度(Lm)也可以在0.1～3毫米范围内，而以约0.3～0.7毫米为优选。该模唇的长度应尽量短，以便减少，当模具迎角变更时，该上游部分的涂布间隙接近膜厚度3倍的可能性。然而该模唇必须足够长，以便使下层液流形成直线流。最后，上游唇60a长度的重要性较小，因为流过该唇的液体极少。但是，增加该区域的长度有助于封住液流。
前面提到过，众所周知的是，模具20与带材22之间设有一个很小的负迎角，以便形成一个收敛的下游唇60c。因此，图10画出的本发明多涂层模具20相对于带材22顺时针地转过了一个负迎角(α)。比如，据发现为此目的将迎角设置在约0～-5°是合适的。还应当理解到，由于有了这样一个迎角，所有模唇的上游边缘处的涂布间隙都将发生改变，从而影响到本发明压力梯度调节要素的性能。因此，即使当下游边缘处的涂布间隙保持在其合适的尺寸，依照模唇长度并考虑到背辊26的曲率，模唇上游边缘处的涂布间隙也可能超出了希望的数值，从而把操作带到涂布范围之外。所以，模唇越长以及负迎角越大，则涂布条件落到操作范围以外的可能性就越大。这种情况表示在图11中，该图画出了发生在中唇及下游唇下方的回流。
据此，在本发明模具设备的另一个方面，模具20的上游唇及下游唇可以是倾斜的，以便尽量减小这类效应。例如，如果下游唇60c被斜置了一个角γ，如图12所示，就可能不需要把模具20转过一个负迎角了。这使得沿该下游膜唇60c的涂布间隙(c.g.t)有一个较大的控制余地。同样，有了收敛、斜置的下游唇60c，中唇60b就可以优选地保持为平的，正如图上所示。同样，可以在不进行迎角调整的情况下小心地控制此重要的中唇60b下方的涂布间隙(c.g.b)。这就是说，涂布间隙(c.g.b)极少可能超过膜厚度(f.t.b)的3倍，尤其是在中唇60b的上游边缘处。然而，还应当注意，中唇与下游唇之间形成的台阶，如同上面结合图7所讨论的，仍旧存在。
同样地，某些优点可以通过将上游唇60a按照发散的方式斜置：如同图12所示偏转一个角度β。这种发散角可以用来封住液珠42并调节通过液珠的压力降。比如，据发现下游唇60c偏斜约0～5°是合适的，而上游唇60a偏斜约0～2°为优选的。如同提到的，这种斜置能改善涂布过程的优化、扩大操作范围并降低否则在涂布中将要求的精度。
结论是，本发明的方法和设备代表多层涂布技术领域内的显著进步。应当理解，本发明的范围不局限于所举的例子和以上的说明，相反，它乃由所附权利要求界定，本发明的某些变换及修改对一个本领域的技术人员来说是不言而喻的。