用于挤塑热塑性薄膜的修饰辊辊套 本申请要求来自美国临时专利申请系列号№60/065697的优先权，其申请日为1997年11月14日，现将该申请作为本发明的参考文献而编入于此。
本发明一般涉及一种改进的用于挤塑工艺、特别是用于挤塑热塑性片或薄膜的辊。更具体地说，本发明涉及一种改进的修饰辊，它可被用于挤塑具有受控的纹理的热塑性物件。最确切地说，本发明涉及一种包括被弹性中间层和热塑性外套包覆的内辊的修饰辊，该修饰辊可被用于生产适用于包括光学介质用途的各种应用的具有低表面粗糙度和低光学双折射率的挤塑的热塑性片或薄膜。
注塑的聚碳酸酯被广泛地用于光学介质的应用，如CD-ROM。例如，在美国专利№4790893、4836874、5466319、4836874、4968370、546666319和5579296已提出，在某些光学介质应用中使用挤塑的聚碳酸酯薄膜。这些专利一般都建议使用连续或半连续的聚碳酸酯片或薄膜制造层压的光学介质制品如CD-ROM的装置和/或方法。这些专利指出，聚碳酸酯的光学性能是至关重要的。尤其是，这些专利指出，薄膜的表面粗糙度和光学双折射率应该接近注塑的光学介质制品地光学特性。
挤塑的聚碳酸酯薄膜一般具有对于光学应用来说可接受的透明度和强度，但双折射性能、耐磨性、耐化学品性和表面粗糙度不足。光学双折射率是在热塑性材料内对光程长度差异的一种量度。已知在聚碳酸酯中光学双折射率直接与材料中的内应力有关。在某些光学介质应用中需要在两侧都具有抛光表面(即，低表面粗糙度)和双折射率小于25nm、优选为小于10nm的基材。对光学介质应用的其它要求包括耐磨耗、耐化学品和紫外线(UV)性。还有，光学介质应用需要一致的基材厚度和在层压后立即模切成固化制品的能力。另外，该基材应该能够阻挡水蒸气。
常规的挤塑设备通常包括挤出机、缝口模头、和用于控制挤塑薄膜最终厚度的镀铬的修饰辊的双辊(即，相对的上辊和下辊)组。已经知道用这样的设备来生产具有在光学介质应用中不可接受的高光学双折射率的聚碳酸酯。
美国专利№5242742(以下称作“’742专利”)介绍了许多种用于生产具有降低的光学双折射率的热塑性挤塑薄膜的已有技术方法；并提出一种用于生产其中光学双折射程差不超过50nm的热塑性片或薄膜的方法。’742专利还提出，其中所描述的方法可被用于将表面粗糙度或平整度在一个表面上控制到小于300nm。然而，与’742专利中的所述的要求相比，一些光学介质应用对光学双折射率和表面粗糙度有更加严格的要求。还有，’742专利中所描述的挤出热塑性薄膜的方法在某种程度上是不切实际的，因为它使用一条光滑的精制环状带，该环状带绕过双辊组的下辊并被引向平面冷却板和偏转辊的上方。
现已作出种种努力以改进用于控制挤出物厚度的修饰辊。例如，美国专利№3756760公开了一种抛光辊，它具有钢芯、弹性(橡胶)层、和薄而韧的镀铬的镍外层。在操作过程中，当在第一辊隙中遇到挤塑制品的均匀厚度发生变化时，据报道这种韧性辊可提供连续的接触，而不是试图弄平厚部位或越过相邻的低部位。这种结构的主要问题在于金属外层不耐久并且已知它容易破裂。
因此，在挤塑热塑性材料中，获得要比已有技术所报道的低的表面粗糙度和光学双折射率是想望的。还希望使用常规的(如，标准双辊组)挤塑工艺获得这样的改进性能。
按照本发明，提供了一种改进的修饰辊，它包括刚性芯、连接到刚性芯上的弹性覆层、和置于弹性覆层上的热塑性辊套。该刚性芯优选包含硅氧烷或其它的耐热弹性体。该弹性覆层优选包含聚四氟乙烯(以下被称为“PTFE”)。
本发明可用于常规的热塑性挤塑工艺以生产出显示出受控的纹理或表面粗糙度和低光学双折射率的热塑性薄膜。使用本文中所描述的辊制成的带纹理的薄膜还可用可固化涂料来涂敷以形成低表面粗糙度、低双折射率的热塑性薄膜。
这将在下面作更充分的说明，使用常规的具有双辊修饰组的缝口模头挤出机来挤塑带纹理的薄膜，所述双辊组包括本发明的上辊。该上辊具有一层平均表面粗糙度(Ra)为0.3-0.8μm的PTFE外层。下辊是一个标准的镀铬钢辊。使用这种装置生产出来的某些未涂覆的带纹理薄膜具有以下性能：按照ASTM D523测得的八十五度(85°)的光泽度；90％-100％的雾度、20-40nm的Ra(平均表面粗糙度)；和小于10nm的光学双折射程差。使用所述装置生产出来的未涂覆的带纹理的薄膜可通过将可固化涂料涂于纹理表面而被弄平而得到Ra为3-10nm的薄膜。
图1描绘了用于挤塑热塑性材料的常规装置的示意图，特别是挤出机、模具、修饰组(第一辊隙)和第二辊隙。
图2描绘了如图1所示的修饰组的局部放大示意图。
图3描绘了如图1和2所示的上辊的示意剖面图。
图4描绘了如图1和2所示的上辊的第二具体例的示意剖面图。
现参考图1和2，包括，但并不限于聚碳酸酯、聚碳酸酯共混物和聚碳酸酯共聚物的热塑性材料的挤出片或薄膜通常是通过如下的一种方法而制成的，该方法包括：将热塑性树脂2从树脂料斗3加入到挤出机4中，挤出机将树脂加热至其玻璃化温度(Tg)之上，由此形成热塑性材料的粘性熔体。术语“片或薄膜”在在此是可以互换的，并被用于指最终厚度为0.005-0.030英寸的热塑性塑料。在由挤出机4提供的压力下，粘性熔体穿过模具6中的一个口，该口通常具有细长的矩形或缝状。该粘性熔体呈现出模具缝的形状，由此而形成熔融挤出物的连续片或薄膜8。然后，熔融挤出物的连续片或薄膜8通过修饰装置，形成修饰片或薄膜制品。
常规的修饰装置是双辊修饰或抛光组10，它包括相对的上辊12和下辊14，它们之间通常被相应于所需的热塑性修饰片或薄膜15之厚度的一段距离所隔开。这些辊有时也被称为压延辊，并将它们之间的间隙称作修饰组的辊隙11。典型的修饰组包括相对的上钢辊12和下钢辊14，它们具有约12-20英寸的直径并具有表面粗糙度为约0.05μm的镀铬表面。这些辊一般通过使用用于冷却的已知装置和方法使流体流过辊的内部而被内冷却的。辊表面的温度可用这种方法来控制。在修饰片或薄从修饰组10的辊隙11出来之后，它通常进入空转辊19的第二辊隙21，通过非强制的罩面装置23，经过引出辊17，然后绕到收卷机25上。
将辊的温度控制在低于正被加工的热塑性塑料的Tg下的某个温度。在辊间的辊隙中，片或薄膜的表面通过与压延辊接触而突然被玻璃化。因此，当与辊接触时，只有薄膜的内部仍保持热塑性或熔融状态。
现参考图3，本发明的改进的辊16可用于替代常规修饰组中的上辊12或下辊14。改进辊16包括刚性芯18、连接到刚性芯18外表面的弹性覆层20、和可拆地连接到弹性覆层20上的热塑性辊套。刚性芯18可以是任何材料，只要它具有足够刚性和具有足以形成可用于压缩和精压熔融热塑性材料的辊的其它机械性能。弹性覆层20优选由硅橡胶或另外的耐热弹性体制成。据信，弹性覆层20的合适厚度为约0.3-1.0英寸，其中0.3-0.5英寸被优选。弹性覆层20可用任何合适的连接的方式连接到刚性芯18上。热塑性辊套22可以是任何合适的热塑性材料如，聚氟乙烯、聚(1,1-二氟乙烯)、聚氯-三氟乙烯和聚四氟乙烯(PTFE)。最优选的是PTFE，例如，TEFLON(340级)PTFE。热塑性辊套22的厚度可以在约0.020-0.200英寸的范围内。0.060英寸的厚度被优选。热塑性辊套22应该具有Ra为0.3-0.8μm的光滑的外表面。就本公开而言，Ra值指辊套外表面的中线以上或以下的表面开头形状的平均高度。辊套22的较光滑表面会在被辊16加工的热塑性材料上产生光滑表面。相反，辊套22的较粗糙表面会在该热塑性材料上产生较粗糙的饰面。因此，小于5μm的Ra被优选，而小于2.5μm的Ra是被特别优选的。使用PTFE作辊套22是有好处的，因为它具有低磨擦系数(COF)和低的压缩强度。COF取决于几个变量，如材料、表面光洁度、温度。此外，在PTFE的情况下，辊套的热传导率在0.01-0.1Btu/fthr°F的范围内。据认为，辊套的热传导率最好为小于0.2Btu/ft hr°F。
现参看图4，据信，本发明的另一具体例子是一个包括刚性芯28的辊26，所述刚性芯具有一个直接包覆在刚性芯28上的辊套30。刚性芯28如上所述，而辊套30则兼备弹性覆层20的功能，热塑性辊套22被示于图3中。辊套30包含弹性体/热塑性材料共混料、共聚物、或者可能包含弹性体和热塑性材料的复合材料或层压制品。
现参考图3，据认为，与已有技术的辊相比弹性覆层20改变了辊16的总柔量，而热塑性辊套22则为还具有低表面粗糙度的弹性材料提供了柔软而耐久的包覆层。总的来说，在挤出物通过辊间的辊隙11时，改进辊的材料可影响作用于挤出物上的剪切应力。此外，改进辊16具有较低的热容量，不能迅速去除挤出物中的热量，导致在薄膜离开辊隙11时其温度较高。据信，这两种因素可降低修饰薄膜中的内应力/双折射率，因为该薄膜在修饰操作之后更易于从应力中复原。
本发明的辊使得如上加工的聚碳酸酯具有在约150-350psi范围内的剪切应力。已观察到，挤塑产品的双折射率直接与这种压缩剪切应力有关，以可使用本发明的辊将光学双折射率控制和降低到小于10nm。当然，在挤塑和退火无定形热塑性薄膜如聚碳酸酯的领域中的熟练人员知道，挤出物随着其冷却而收缩。施加的任何应力(压缩的或拉伸的)都表现出收缩作用。收缩的程度取决于材料的熔融温度、玻璃化转变温度和辊温度。当热塑性材料被冷却到Tg(对聚碳酸酯为约280°F)以下时，据信不再发生收缩，因此任何所加的应力就会被滞留在玻璃化材料中。在玻璃化过程中，薄膜对变形力特别敏感。即使小的变形力也会在已玻璃化区域与仍就熔融的区域之间产生剪切力。在这些区域的边界处，剪切应力被认为能引起分子取向，这种取向作用随着内应力而保留在玻璃化材料之中。一束通过这些取向区域的光表现出不可接受的光学双折射率。
实施例
按照本发明，使用常规的挤塑技术来生产低双折射率的、一面起纹理而另一面抛光的聚碳酸酯薄膜。总的挤塑装置被示于图1中。这种常规方法采用了一个双辊修饰组10，其中用图3所示的本发明的辊代替常规的标准的镀铬钢的上辊12。具体地说，本发明的辊包括一个直径大约为12英寸的刚性钢芯、0.375英寸厚的硅橡胶覆层和具有0.060英寸厚度和0.3-0.8μm的Ra的PTFE修饰辊套。
在一典型的实施例中，一面抛光而另一面起纹理的聚碳酸酯薄膜(0.005″-0.030″)是通过使用上述装置进行挤塑而形成的。被挤塑的聚碳酸酯树脂是一种挤塑级树脂(LEXANML9735)，它在300℃下的熔融流动速率为6～9克/10分钟，平均分子量为25000。然而，可以使用本发明来挤塑其它的无定形热塑性材料，因此本发明并不限于聚碳酸酯的挤塑。
熔体被迫入到两个辊间的辊隙中。辊间间隙决定了薄膜的厚度。对0.010″薄膜来说，厚度的一致性大约为+/-5％。带纹理的薄膜还被包覆以降低其表面粗糙度和提高耐磨性、耐化学品性和耐雾性。按照ASTM D1003测定，包覆薄膜的最终雾度为0.1-0.5％和表面光泽度为92％。这种低雾度值使有可能提高光学分辨率。将涂料涂于带纹理的一面并固化而产生3-10nm的Ra。在涂料的固化过程中，加热可进一步使薄膜退火并降低其应力值。
在间隙或辊隙中，在上辊区域中挤出物的剪切应力(SS)可由上辊的压缩强度(CS)和磨擦系数(COF)计算出来。SS=CS×COF。测出0.001″偏移时的压缩强度。如表1所示，PTFE的SS为约150-350psi，硅橡胶辊的SS为约600-1600psi。而铬辊的SS为大于60000psi。
表1-辊材料的物理和热性能 性能 材料 PTFE 硅橡胶 铬 密度(lb/ft2) 134 109 493拉伸模量(psi) 50000 700-900 12000000压缩应力(psi) 1700 1000-2000 90000 K(Btu/ft hr°F) 0.14 0.02 21.3 COF/抛光钢 0.1-0.2 0.6-0.8 0.7-1.0
由于剪切力作为能产生双折射的残留应力被保留在薄膜中，所以对PTFE辊套来说，产生较小的剪切力是其一个明显的优点，因为它产生低双折射率的热塑性薄膜。因此，一般希望使用低COF值的材料作为外套。
光学介质基材(涂覆的薄膜)需要兼备低双折射率(小于25nm)、高光泽度(低表面粗糙度)和由％雾度值测定的高透明度。对光学介质基材来说，％雾度值必须为0.1(最大)以避免散射激光。在涂覆薄膜中的低％雾度，最好是通过使用光泽度为85-100％的未涂覆的薄膜获得的。未涂覆薄膜的光泽度与薄膜的表面粗糙度成反比。光泽受辊材料的剪切力(SS=CS*COF)的强大的影响。从表2中可清楚地看出，只有PTFE材料才能满足这些要求。
现在再次参考图1，对使用所述的双辊修饰组中的三个不同上辊制成的厚度为0.010英寸的典型聚碳酸酯薄膜来说，表2中的对比数据包括加工条件和所制成的薄膜的特性。表2中所列的硅橡胶辊和铬辊12是已有技术的。PTFE辊是指本发明的辊，它包括一个直径约为12英寸的刚性钢芯、0.375英寸厚的硅橡胶覆层和具有0.060英寸厚度和0.3-0.8μm的Ra的PTFE修饰辊套。所有试验中的下辊14都是标准的镀铬辊。引出辊是用于热塑性薄膜的引出装置。在本发明中，该引出辊的特征在于用于驱动发动机的功率，它直接与为辊所设定的安培数有关。随着安培数的增加，作用在薄膜上的张力也增加。在下表2中所列的数据是在几次试验中收集的，其中：离开挤出机的材料的熔融温度为约536-597°F，挤出机中的螺杆是以约20-60RPM操作的，线速度为19.5-20英尺/分钟，和空转辊19的温度为260-300°F。
表2 薄膜性能 上辊材料 PTFE PTFE PTFE PTFE PTFE硅橡胶 铬双折射率(nm) 80-100 10-25 10-25 0-5 0.10150-200 700-900 Ra(μm) 0.3-0.8 0.4-0.7 0.4-0.7 0.47-0.7 0.4-0.7 4-5 0.05引出辊(安培数) 8 4 3 2 2 2 4上辊温度(°F) 89 94 92 90 95 100 225下辊温度(°F) 290 157 180 180 160 245 220 批号№ SQJ518 SOL002 SOU782 SOU567 SOX882SOE049 SOJ94485％光泽度的未包覆 薄膜 100-110 91-96 75-85 80-90 80-90 5-10 85-100％雾度的包覆薄膜 0.1-0.2 0.0-0.1 0.0-0.1 0.0-0.1 0.0-0.1＞2.0 0.0-0.1
表2中所示的数据表明，本发明的辊可用于生产具有低双折射率和低表面粗糙度的热塑性薄膜。它还表明，钢的下辊14的温度和由引出辊17所施加的力也影响所得薄膜的双折射率，所述的力与用于驱动辊的发动机的安培数直接有关。申请人已经确认，这种影响主要取决于薄膜在离开辊隙11之前是否已冷却至Tg以下。特别重要的是，与标准钢辊接触的薄膜表面已冷却至Tg以下。否则，薄膜被继续取向，并将辊17或空转辊19所施加的力保留成内应力。
在本发明的操作中，薄膜的下表面(即，与下辊接触的表面)被冷却至Tg以下，而上表面(即，与上辊接触的表面)和薄膜的内部区域的主要部分被保持在热塑性状态。小的变形力可能会在这些已玻璃化的区域与仍熔融的区域之间产生剪切力。在这些区域的边界处，剪切力引起分子取向。当光束通过这些取向区域时，发生双折射。因此，为了制造低双折射率的薄膜，必须避免剪切力。本发明的辊有助于消除剪切力。
通过所述方法制备的用于光学介质的涂覆薄膜也是有利的，因为它表现出被提高的模切适应性。这种性能是由用户评估的，用户需要立即有效地模切CD-ROM(参见美国专利№4836874)，而不是等待到结构冷却和收缩后。此薄膜的这种改进的模切性能归因于其低的双折射率，它赋予了热稳定性并有助于聚焦激光拾取束。
常规的CD机使用以4百万比特/秒的速率从CD-Rom盘中读取数据的激光拾取束。为了有助于读取难读数据，使用电子-机械回路以聚焦光束和将其保持在路径上。基材必须显示优异的热稳定性以保持聚焦的光束。
此外，本发明的薄膜尤其适合于要求低收缩率(在280°F下为小于0.1％)的任何最终用途。在热循环(如，印刷、模切、和注塑之类的操作)之后，高收缩率的薄膜会产生不可接受的结果。按照本发明制成的双折射率为小于25nm的薄膜可避免通常的高收缩率薄膜常遇到的这种问题。如表2中所示，使用本发明辊制成的未涂覆薄膜表现出低双折射率。
尽管已经详细在说明了本发明，但应该理解，在不背离由权利要求书所限定的范围的情况下，可以对本发明进行各种改进、替换、或改变。