JP5336766B2 - 物品に色付けし、および／またはその機能を増強するために、物品を処理する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は物品、好ましくはポリマー材料を色付けし、および／または機能増強するために処理する、好ましくは噴霧によって処理する、装置および方法に関するものである。

材料の、特にプラスチックスの染色において、時には、コーティングされたガラス板、プラスチック板、家具、大容量の水用ボトル、および自動車のウインドウなどのような非常に大きくて重い物品を着色することが望ましいことがある。これらの物品の幾つかは、例えば５フィート（１．５２ｍ）巾で１０フィート（３．０５ｍ）長に至ほど大きく、重さは３００ポンド（１３６ｋｇ）を越えることもある。これらの例においては、噴霧プロセスは着色溶液の必要容量を著しく減らすことができること、および大容量浸漬タンクの必要性が無くなることから、大きな物品を噴霧プロセスによって着色することがより経済的であり、および環境的にも魅力がある。このため、ポンプやヒーターなどの付帯部品と同様に、染料溶液を貯蔵する容器も小さくすることができ、したがってより安価にすることができる。また、彩色変化に伴って排出される染料含有溶液の量もより少なくすることができ、その再利用がより効率的にできる。

より少量の溶液を使用する点に加えて、噴霧プロセスは簡単なコンベアー経由で大きな物品を、着色と引き続いてのリンスとが同時に生ずる閉鎖系噴霧装置の中へ容易に移送されることを許容する。一端、着色とリンスが完成すると、その物品は乾燥と包装のために噴霧装置から簡単にコンベアーで搬出される。一方、もし同じような大きさの物品を着色溶液に浸すとすると、重い物品を熱い溶液の巨大な槽に搬送し、そこから持ち上げるために、高い仕切り空間をもった建屋を必要とする高価なクレーンを使わざるを得ない。更に、これらの槽は開放されているから、外部環境に蒸気を放出する可能性を作っている。また、物品の移動に伴い溶液を滴らせて物品が槽から槽へと持ち上げられるから、溶液を相互汚染する問題がある。浸漬法に対する他の反論は、物品はその大きさの故に、色相のまだらを避けるほど十分に早くは槽に出し入れできないと言う点である。

米国特許第６，９９４，７３５号は物品に色を加えるために染料溶液をプラスチック物品に噴霧する方法を開示している。しかしながら、そのような操作を実行するための装置については何ら開示されていない。

比較的大きな物品に染料溶液とそれに関連したリンス溶液とを噴霧する効率のよい装置があれば望ましことであろう。

「発明の概要」
従って、本発明は大きな物品を（1）染料を含有する着色システムおよび／または機能増強材料を含有する溶液、（2）水、ならびに（3）エチレングリコールモノブチルエーテルやジエチレングリコールのような溶媒で、好ましくは噴霧により処理する、装置および方法を提供するものである。本発明の装置は、着色される物品上に（ノズルを通しての噴霧によって）連続的に着色用および／または機能増強用の溶液を分注する手段、処理されるべき物品を固定する手段、および処理されるべき物品を囲いに出し入れする手段によって処理されるべき物品を収容できる大きさに合わせた囲いまたは槽を有して成る。処理システムは処理されるべき物品に次のような順序で適用される：最初に、染料を含有する熱い溶液および／または機能増強材料を含有する熱い溶液；二番目に無染料の熱溶液；そして三番目に熱水を直接物品表面に。処理されるべき物品を固定し移送する好ましい手段は、大きくて重い物品を安全に保持し噴霧槽に移送し、引き続いて着色および／または機能増強溶液およびリンス溶液で処理するために設計されたトロリーシステムである。着色システムを分注する手段は３個以上の密閉した槽に接続している。各々の密閉した槽は、着色される物品を着色し、増強し、またはリンスするために充分な量で、小さな液滴が分配手段から放出されるために十分な圧力で、熱い処理システムの成分を分配できなければならない。本発明の装置は、飽和した染料溶液または機能増強添加剤含有溶液を含む少なくとも一つの密閉された槽、無染料の熱いリンス溶液用の少なくとも一つの密閉された槽、および脱イオンした熱水用の少なくとも一つの密閉された槽を有しなければならない。廃液回収のための予備槽を本発明の装置中に含めてもよい。

処理システムの成分を分配する各手段（ここでは「ノズル」とも称する）は、処理されるべき物品を着色しまたは処理するために充分な温度で溶液を散布するように設計されている。そのノズルは、着色されるべきまたは機能増強添加剤を含有する溶液で被覆されるべき物品の全表面が、分配された処理システムの成分を受け取れるように、処理システムが分配されるべき囲いまたは槽中に配置されている。囲いは、そこを通って、染料を含有しおよび／または機能を増強する溶液が、囲いから取り除かれ、および供給槽にリサイクルされてもよい出口を含む。供給槽では、処理されるべき物品が含まれる噴霧囲いにリサイクルされる前に、回収溶液が再加熱され、および染料または機能増強添加剤によって再飽和される。リサイクルは物品が所望の色または所望の機能増強度を達成するまで続けられる。処理された物品は次に、最初に無染料の溶媒で、続いて水でリンスされる。色または添加剤の変更が必要なときは、廃棄される染料含有または機能増強添加剤含有溶液を、回収溶液の再生のために槽に移してもよい。無染料のリンス溶液は噴霧囲いの出口に落ちてきて、次にその出口から回収液の再生のために回収溶液槽に送られる。リンス廃水もまた噴霧囲いの囲い出口を通って排出され、低レベルの残留有機化合物が除去処理され、廃水処理設備に廃棄される。

本発明のこれらの、または他の側面が、以下の記述、詳細な説明、および特許請求の範囲からより容易に明らかになるであろう。

「好ましい実施態様の説明」
本明細書および請求項で使用される全ての数字は、実施例で使用される数字および他に明記して特定されない限りも含めて、例えその用語が明瞭に現われなくても、あたかも「およそ」の用語で前置きされた如くに読んでよい。また、ここで引用されるいかなる数的範囲も、そこに含まれる全ての従属範囲を包含することが意図される。

本発明は、少なくとも１つの着色剤もしくは染料含有溶液、ならびに／または機能増強添加剤もしくは少なくとも１つの機能増強添加剤含有溶液、ならびに関連するリンス溶液を含む着色または機能増強システムを製造し、処理されるべき物品上へ、好ましくは噴霧によって適用する方法および装置を提供するものであって、該物品は好ましくは、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエステル（好ましくは、グリコール化ポリエステル）、ポリメチルメタクリレート（アクリル系）、ナイロン、熱可塑性ポリウレタン、ポリビニルクロライド、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）ブレンド、ポリカーボネート／ポリエステルブレンド、またはＡＢＳのようなポリマー材料である。

本発明の方法および装置での使用に適した着色剤または染料は、例えば、当該分野でポリカーボネートのようなポリマー材料を色味付けするのに適したとして知られる染料と同様に、繊維染料および分散染料のような通常の染料を含んで成る。適合する分散染料の特別な例は、分散青（Disperse Blue）３番、分散青１４番、分散黄（Disperse Yellow）３番、分散赤（Disperse Red）３番、分散赤１３番、および分散赤１７番である。染料は所望の色に依存して、単独染料構成成分として、または染料混合物の１成分のいずれかとして通常用いられる。ここで用いる用語「染料」は、「染料混合物」を含む。溶媒染料もまた本発明方法により本発明の容器中で実施される染色操作において用いられる。適当な溶媒染料の幾つかの例には、溶媒青（Solvent Blue）３５、溶媒緑（Solvent Green）３およびアクリジン橙塩基を含む。水不溶性アゾ、ジフェニルアミンおよびアントラキノン化合物；アセテート染料、分散アセテート染料、ディスパージョン染料（dispersion dyes）およびディスパーゾル染料（dispersol dyes）、それらの特別の例はダイスター（Dystar）のパラニル青（Palanil Blue）Ｅ−Ｒ１５９（アントラキノン／分散青）およびダイアニックス（DIANIX）橙Ｅ−３ＲＮ（アゾ染料／ＣＩ分散橙２５）もまた本発明の実施に用い得る。ナイロンの染色に用いられるような酸性染料もまた、ポリウレタンおよびポリウレタンブレンドに用いられる、リアクティント（Reactint）の商品名で市販されている反応性染料と同様に、本発明の実施に用いるために適している。

本発明の装置はまた、処理されるべき物品の機能特性を増強する添加剤を含む溶液を噴霧するのに適している。適当な機能増強添加剤には、フォトクロミック染料、ＵＶ安定剤、帯電防止剤、防炎剤、離型剤、抗菌剤および他の機能向上添加剤を含有する。

本発明の装置はまた、着色剤および着色されるべき材料の機能を増強する添加剤の双方を含有する溶液を、好ましくは噴霧によって、適用するのに適している。本発明の装置はまた、着色剤を含有する１以上の溶液、および機能増強添加剤を含有する１以上の他の溶液を別々に適用するのにも適している。

本発明の装置はまた、清浄で、いつでも売れる物品を製造するのに必要な関連する洗浄液を、好ましくは噴霧によって、適用するのに適している。

処理されるべき物品が配置される囲いは、操作条件および処理されるべき物品に適用される溶液への暴露に耐える如何なる材料から作成さしてよい。囲いの壁は、処理経過、特に物品に色付けする処理、が観察できるように、強化ガラスのような透明な材料で作成し得る。しかしながら、処理の進行はビデオカメラによって、もしくは囲いのドアまたは側面の小さな覗き窓から視覚によってもモニターし得る。

容器、ノズル、および連結管は全て、溶液から染料または添加剤を吸収しない材料で作成される。適当な材料は、ステンレススチール、アルミニウム、ガラスおよび結晶性ポリエステルまたはポリオレフィンのようなプラスチックである。ここで用いるように、「溶液から染料または添加剤を吸収しない材料」の用語は、これらのどの材料をも指すために用いられる。好ましくは、装置の部品はステンレススチールで作成される。

ここで図１を説明する。図１は、処理されるべき物品が、その物品に色付けするために処理される本発明の一実施形態を示す。無染料の溶液は、水と以下のような有機溶媒とから典型的に形成される：エチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ならびに、トリプロピレングリコールプロピルエーテルおよびジエチレングリコール。米国特許第６，７３３，５４３号、第６，７４９，６４６号、第６，９２９，６６６号、第６，９４９，１２７号、第６，９９４，７３５号、および第７，０９４，２６３号が、そのような無染料の溶液を製造するのに特に有利な処方を開示しており、その内容は引用することによって本願に含まれる。無染料の溶液成分は密閉した絶縁容器５中で混合され、最高９５℃まで加熱される。この溶液は無染料のリンス溶液として直接に、および下記されるように、密閉された容器１０中での染料含有溶液の処方に有益な溶媒供給源として用いられる。

染料含有溶液を処方するために、容器５に収容された無染料の溶液をポンプ１５によって容器１０に移送する。該容器は第２のポンプ２０、ヒーター２５およびバッグフィルター３０と配管で接続し、該配管は容器１０中の溶液を容器１０の底からヒーター２５とバッグフィルター３０をそれぞれ通って連続的に循環させ、溶液を容器１０に戻す。フィルターバッグ３５は染料を含有し、数分の経過後、循環している無染料の溶液を飽和し、および本発明を実施するのに必要な熱い染料含有溶液を製造する。米国特許第６，７３３，５４３号、第６，７４９，６４６号、第６，９２９，６６６号、第６，９４９，１２７号、第６，９９４，７３５号、および第７，０９４，２６３号のそれぞれはそのような、染料を含有しおよび機能増強添加剤を含有している溶液を製造する詳細な方法を記述しており、その内容は引用することにより本発明に含まれる。染料含有溶液はポンプ２０を用いて容器１０から噴霧囲い入口４０を通って移送される。

溶媒蒸気を凝縮し、得られる液を再生槽５５に戻すような大きさであって、一方、空気が屋根の排気口を通って導かれることを許容する凝縮システム５０へ、噴霧囲い４５は排気される。必要に応じ、噴霧囲い４５は二重に絶縁され、および噴霧操作中に染料含有溶液の温度を維持する助けとして、囲いの壁に付設された補助のパッドヒーター（pad heaters）を有する。加えて、染料含有溶液が物品６０に適用される前に、空気および噴霧囲い４５内部にある着色されるべき物品６０を予定された温度へと同時に加熱するために、必要に応じてヒーターおよび扇風機を噴霧囲い４５に取り付けてもよい。

物品６０はトロリー（trolley）６５に取り付けた固定具に載せられる。トロリー６５は、物品６０が取り付いたまま、ドア７０を通って噴霧囲い４５中へ移動する。連続ゴムシール７５が、囲い４５の封止を保ちながらトロリーの進入と退出を許容する。ドア７０はしっかり密閉され、および熱い染料含有溶液が容器１０からポンプ２０によって、入口マニホルド４０およびヘッダー系８０を経由して噴霧囲い４５へと移送される。ポンプ２０は、染料含有溶液を溶液容器１０から噴霧囲い４５へと移送するのに使われたが、配管を通しての溶液の流れを制御し、その結果としてヘッダー８０に入りノズル８５から出る際の溶液の圧力を制御する。物品６０は、物品６０の一方または両方の面全体がノズル８５から出てくる着色溶液で覆われるように、ノズル８５の前に配置される。

ノズル８５に入る溶液の温度は、５〜５０ｐｓｉ（３．４５〜３４．５×１０ ^４ Ｐａ）の圧力において３０〜１００℃である。溶液温度は着色される材料、特に着色されるプラスチック材料に依存する。例えば、ポリカーボネートのような硬くて熱変形の大きな材料は、９０℃超で着色され、一方、より可撓性の、ゴム状材料はおよそ４５〜６０℃で着色される。ノズル８５の好ましい圧力は１５〜２５ｐｓｉ（１０．３〜１７．２×１０ ^４ Ｐａ）である。

工程の次の段階で、溶液は出口１００を通って噴霧容器４５を出る。出てくる溶液は連続的にポンプ１０５を経由して、再加熱されおよび染料で再飽和されるために染料含有溶液容器１０へとリサイクルされ戻される。

物品６０が所望の色を達成した後に、染料含有溶液の流れを止め、および熱い無染料のリンス溶液を、加熱された容器５からノズル８５を通ってポンプ噴射し、いかなる過剰の染料をも除去するために、無染料の溶媒リンス液を物品６０の表面に適用する。無染料の溶液は、洗浄効率を高めるために、および全ての物品表面の染料を完全に除去するために、典型的には加熱される。更に、無染料のリンス溶液は染料含有溶液とは独立とすることができる。着色操作中に連続的に原料（容器１０）へ循環戻しされる染料含有溶液とは異なり、無染料の溶液は原料容器に循環戻しされることは無く、むしろ噴霧囲い４５を一回通過した後にポンプ１０５を経由して直接再生容器５５へと再生のために送り込まれる。染料の完全な除去によって示唆される、物品の完全なリンス後に、無染料の溶液の流れは止められ、および蒸留され、または脱イオン化された水が加熱された容器１１０からノズル８５を通して物品６０の表面上へと微量な残余の無染料の溶液を除去するために送り込まれて、物品６０は有機溶媒が無く、しかし水で湿潤した状態となる。残余の水は柔い布で拭き取るか、または圧縮空気により物品６０から吹き飛ばす。他の手段は、拭き取りや圧縮空気の噴き付けよりは遅くはあるが、物品６０の表面から残余の水を蒸発させる赤外線ヒーターの使用である。

ノズル８５は、噴霧囲い４５内で物品６０の表面の溶液被覆率を最大にするように設計され、および間隔をあけられる。物品６０の最大被覆率は、それが平らなシートのときには、全円錐形（full-cone）ノズル８５を用いて達成される。ノズル８５は、シート表面から５〜８インチ（１２．７〜２０．３ｃｍ）（最適には６ ７／８インチ（１７．５ｃｍ））の距離に置かれるが、最適距離において、直径でおよそ２１〜２６インチ（５３．３〜６６．０ｃｍ）（最適には２３ ５／８インチ（６０．０ｃｍ））の円形パターンの溶液を噴霧する。従って、これらノズル８５の９個が、中心で１５〜２０インチ（３８．１〜５０．８ｃｍ）（最適には１７ １／４インチ（４３．８ｃｍ））間隔を空けて置かれた４フィート（１．２２ｍ）巾で４フィート（１．２２ｍ）長さのシート片の片側を、噴霧された溶液で完全に被覆する。両面着色に対しては、ノズル８５の同様な構造が噴霧容器中のシートの裏側に配置されなければならず、その結果、必要なノズル８５の全数は１８個となる。噴霧囲い４５が十分な巾を有すると仮定すると、通常のヘッダー上のノズルであるが反対方向を向いているノズルを備えた数個のノズルヘッダーを、複数のシート片を単一操作で溶液で被覆することができるために、必要に応じて搭載することができる。

噴霧ノズル８５の間には一般に、２個のノズル８５が単位時間当たりシート表面上に噴霧された着色溶液を２倍量とするような、かなりの重複領域がある。更に、熱い着色溶液の液滴が物品６０の平らなシート表面に衝突することから、液滴が凝集して重力で引っ張られて、平らなシートの底面へ向けて小さな細流が形成される。これらの領域は究極的には欠陥（暗い縞）となるであろうと予期されるところ、しかしながら、本発明の噴霧法は色が非常に均一なシート物品を製造することが見出された。

どのような既知染料を含有する、および無染料の溶液も本発明方法では用い得る。

本発明の好ましい実施態様において、本システムは、清浄な溶媒組成を決定するためのライン組み込みプローブまたは検出計を有する。プローブは近赤外分析計、または他の純度決定用の計器であり得る。清浄な溶媒組成を決定するための他の分析手法、例えばガスクロマトグラフィのような手法が使用できるが、近赤外（ＮＩＲ）がこの分析をするために最も信頼でき、および費用効果のよい手段である。

本発明方法を手動で実施することも可能ではあるが、本発明の着色方法は、好ましくは電子的に制御されること、最も好ましくは、バルブ機能をシーケンス制御するようにプログラムされたマンマシーンインターフェイス（ＨＭＩ）により制御されることである。

本発明の特別の実施態様が説明のために上記で記述されたが、本分野の当業者にとっては、本発明の詳細の多くの変形が、本発明の特許請求の範囲から外れずに為されるであろうことは、明白であろう。

図１は本発明の範囲内の装置を説明するものである。

Claims (18)

1. 物品に色付けし、および／またはその物品の物理的特性を増強するために物品を処理する装置であって、
   ａ）処理すべき物品を囲い込むように十分大きな加熱された囲いまたは容器と、
   ｂ）（ｉ）着色溶液および／または機能増強添加剤含有溶液、
   （ｉｉ）有機溶媒、ならびに
   （ｉｉｉ）脱イオン水を含む水
   を含む、処理システムの成分を、処理すべき物品の表面を完全に覆うように直接に、順次、物品の表面に適用する手段と、
   ｃ）処理すべき物品を安全に保持する手段と、
   ｄ）処理すべき物品を加熱された囲い中に移送し、および処理後に物品を囲いから取り出す手段と、
   ｅ）十分に熱い飽和した着色溶液および／または機能増強添加剤含有溶液を、物品の表面に適用した時に小さな液滴を形成するように十分な圧力で配送することができる、密閉され、加熱された容器と、
   ｆ）前記有機溶媒および前記水を含む十分に熱い無染料のリンス溶液を、物品の表面に適用された時に小さな液滴を形成するように十分な圧力で配送することができる、密閉され、加熱された容器と、
   ｇ）十分に熱い前記脱イオン水を、物品の表面に適用された時に小さな液滴を形成するように十分な圧力で配送することができる、密閉され、加熱された容器と、
   を有して成る装置。
2. 成分がプログラム制御可能なマン−マシーンインターフェース（ＨＭＩ）で制御される、請求項１に記載の装置。
3. 加熱された囲いａ）が、蒸気を凝縮し、および得られるいかなる液体も再生容器に戻す排気凝縮器を備えている、請求項１に記載の装置。
4. 加熱された囲いａ）が絶縁され、およびヒーターが設置された側面を有する、請求項１に記載の装置。
5. 物品を加熱し、および囲いの内部に空気を流すために、加熱された囲いａ）にヒーターとブロワーとの組合せが備え付けられている、請求項１に記載の装置。
6. 適用手段ｂ）が物品上にパターンを噴霧する、請求項１に記載の装置。
7. 適用手段ｂ）が物品表面から５〜８インチ（１２．７〜２０．３ｃｍ）に配置された、請求項１に記載の装置。
8. 適用手段ｂ）が、直径２１〜２７インチ（５３．３〜６８．６ｃｍ）の噴霧パターンを施す、請求項１に記載の装置。
9. 適用手段ｂ）が中心上に１５〜２０インチ（３８．１〜５０．８ｃｍ）の間隔を空けて配置される、請求項１に記載の装置。
10. 適用手段ｂ）が可撓性のあるホースに取り付けられている、請求項１に記載の装置。
11. 物品に色付けし、および／またはその物品の特徴的な機能を増強するために、請求項１に記載の装置を用いて物品を処理する方法であって：
    ａ）処理されるべき物品を囲い込むように十分大きな加熱された囲いまたは容器内に、処理されるべき物品を配置することと、
    ｂ）物品の全表面が、着色溶液および／または機能増強添加剤含有溶液で覆われるように、着色溶液および／または機能増強添加剤含有溶液を物品表面に噴霧することと、
    ｃ）物品の全表面が有機溶液で覆われるように、有機溶媒を物品表面に噴霧することと、
    ｄ）物品の全表面が水で覆われるように、物品表面に水を噴霧することと、
    ｅ）物品を囲いから取り出すことと、
    を含んで成る方法。
12. 再生のためにいかなる廃液も収集するための容器を更に有して成る、請求項１に記載の装置。
13. 囲い、噴霧手段、および密閉され加熱された容器が、染料を吸収しない材料からできている、請求項１に記載の装置。
14. 機能増強添加剤含有溶液が物品表面を処理するために使われる、請求項１１に記載の方法。
15. 機能増強添加剤含有溶液から成る溶液がＵＶ安定剤を含有する、請求項１４に記載の方法。
16. 機能増強添加剤含有溶液から成る溶液が帯電防止剤を含有する、請求項１４に記載の方法。
17. 噴霧囲いが、処理されるべき物品を吹きつけ囲い中へトロリーが移送することができるように配置された連続ゴムシールを有して成る、請求項１に記載の装置。
18. ゴムシールがＥＰＤＭから作られている請求項１７に記載の装置。

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