CN101307574B - 处理制件以赋予其颜色和/或提高其性质的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种处理大制件以赋予制件颜色或提高制件性能的方法和设备，其中向制件施加的处理体系包含：(i)着色溶液和/或含有至少一种性能增强添加剂的溶液；(ii)水和(iii)溶剂，例如乙二醇单丁醚和二甘醇。所述设备由以下部件构成：(a)尺寸适合容纳待处理制件的喷射外壳；(b)分配装置，例如喷嘴，该分配装置的构造可以依次将热溶液(i)、热溶液(ii)和热水(iii)直接施加到制件表面上；(c)用于固定和运输待处理制件到喷射外壳和从喷射外壳中移出的装置(例如推车系统)；至少三个封闭的容器，这三个容器能够分别以足够的压力从喷嘴中递送出足够的热的饱和着色和/或性能增强溶液、热的无染料洗涤溶液和去离子水，以形成小液滴，从而完全覆盖和洗涤外壳中含有的制件。

Description

处理制件以赋予其颜色和/或提高其性质的设备和方法
发明领域
本发明涉及一种处理，优选通过喷射处理一种制件以赋予其颜色和/或提高该制件性质的方法和设备，所述制件优选是聚合物材料。
发明背景
在对材料，特别是塑料染色的过程中，有时需要对非常庞大且笨重的制件进行着色，例如经涂布的玻璃板、塑料板、家具、大体积水瓶和汽车车窗。这些制件中的一些是非常大的，例如最大约为5英尺宽×10英尺长，重量超过300磅。在这些情况中，使用喷射方法为大制件上色是更为经济且环保的，这是因为喷射法可明显减少所需着色溶液的量，并且不需要大体积浸渍槽。因此，装染料溶液的容器以及泵和加热器之类的辅助设备可以小型化，从而降低花费。而且，由于颜色改变而废弃的含染料的溶液的量减少，可以更有效地回收利用。
除了使用的溶液较少外，喷射方法还使大制件容易通过简单的输送设备运输到封闭的喷射设备中，在该设备中进行着色和随后的洗涤过程。在着色和洗涤步骤完成后，可简单地将制件输送出喷射设备，进行干燥和封装。相反，如果将类似尺寸的制件浸入着色溶液中，必须使用昂贵的起重机将重制件转移到巨大的盛有热溶液的槽中或者从其中吊出，而起重机要求建筑物具有高顶棚区。而且，这些槽向大气敞开，有可能将蒸气引入环境中。而且，还存在溶液交叉污染的问题，因为制件从一个槽被转移到另一个槽，在它们移动的时候溶液滴落。浸渍技术的另一个问题是由于它们的尺寸，制件不能非常快地移入槽中或从槽中移出，颜色不均匀的现象无法避免。
美国专利6994735描述了一种将染料溶液喷射到塑料制件上以对该制件上色的方法。但是，没有描述进行该操作的设备。
希望找到一种有效的设备将含染料的溶液和相关的洗涤溶液喷射到较大的基板上。
发明内容
因此，本发明提供一种用(1)含染料的着色体系和/或含增强性能的材料的溶液、(2)水和(3)溶剂如乙二醇单丁醚和二甘醇处理，优选通过喷射处理大制件的方法和设备。本发明的设备包括尺寸适合容纳待处理的制件的外壳或容器，以及用于将着色和/或性能增强溶液依次分配(例如，通过喷嘴喷射来分配)到待着色制件上的装置，用于固定待处理制件的装置，用于将待处理制件运输到外壳中和从外壳中运输出来的装置。将该处理体系按照以下次序施加于待处理的制件：首先是热的含染料溶液和/或热的含性能增强剂的溶液；然后是热的无染料溶液；接着是热水，将它们直接施加于制件表面。用于固定和运输待处理制件的最佳装置是推车系统，该推车系统经过设计可以固定和运输较大且较重的制件到喷射容器中，之后用着色和/或性能增强溶液和洗涤溶液处理。用于分配着色体系的装置与三个或更多个封闭的容器相连。各个封闭的容器必须能够在足够的压力下输送足够的热处理体系组分，使得小液滴以足以上色、增强或洗涤正在着色的基板的量从分配装置中释放。本发明的设备必须包括：至少一个用来装饱和的含染料溶液或含性能增强添加剂的溶液的封闭容器；至少一个用于热的无染料洗涤溶液的封闭容器；和至少一个用于热的去离子水的封闭容器。本发明的设备中还可以任选地包括用于收集废弃的溶液以进行再生(reclamation)的容器。
将用于分配处理体系的组分的各个装置(在本文中也称为“喷嘴”)设计为在足以上色或处理待处理制件的温度下分散溶液。将喷嘴设置在外壳或容器内部，其中处理体系以这样的方式分配，等待上色或被含性能增强添加剂的溶液覆盖的制件的全部表面将会接受分配的处理体系的组分。外壳包括一个出口，含染料和/或性能增强剂的溶液可以通过该出口从外壳中流出，循环回到供应容器中，溶液在供应容器中再次加热，再次用染料或性能增强添加剂饱和，然后返回到包含待处理制件的喷射外壳(spray enclosure)中。循环一直继续，直到制件达到所需的颜色，或者性能增强的程度达到所需的效果。然后对经过上述处理的制件进行洗涤，首先用无染料溶剂进行洗涤，然后用水洗涤。当需要改变颜色或添加剂时，可以将废弃的含染料或含性能增强添加剂的溶液转移到用于将废弃溶液进行再生的容器中。无染料溶剂洗涤溶液到达喷射外壳的出口，经过该出口，该溶液转移到废弃溶液容器中，用于再生。废弃的洗涤水也是从喷射外壳出口离开该外壳，经过处理除去低含量的残余有机化合物，排放到废水处理设施中。
通过以下附图、详细说明和所附权利要求可以更清楚地理解本发明的这些和其它方面。
附图说明
图1显示了本发明范围内的设备。
最佳实施方式
除非另有说明，包括实施例在内的说明书和权利要求书中使用的所有数字都应理解为前有“约”修饰，即使“约”没有明确显示出来。而且，文中所述的任何数字范围都旨在包括其所包括的所有子范围。
本发明提供一种制备着色或性能增强体系以及将该体系施加(优选通过喷射进行)到待处理的材料上的方法和设备，所述着色或性能增强体系包含至少一种着色剂或含染料的溶液和/或性能增强添加剂或含有至少一种性能增强添加剂的溶液和相关的树脂溶液，所述待处理的材料优选是聚合物材料，例如聚碳酸酯、聚氨酯、聚酯(优选是二醇化的聚酯(glycolized polyester)、聚甲基丙烯酸甲酯(丙烯酸树脂)、尼龙、热塑性聚氨酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)混合物、聚碳酸酯/聚酯混合物或ABS。
适用于本发明的方法和设备的着色剂或染料包括例如常用的染料如织布染料和分散染料，以及本领域已知的适用于对聚碳酸酯之类的聚合物材料上色的染料。合适的分散染料的具体例子包括分散蓝#3、分散蓝#14、分散黄#3、分散红#13和分散红#17。根据所需的颜色，这些染料通常单独用作染料成分，或者作为染料混合物的组分。因此，文中所用的术语“染料”包括“染料混合物”。在依据本发明的方法在本发明的设备中进行的染色操作中还可以使用溶剂染料。合适的溶剂染料的一些例子包括溶剂蓝35、溶剂绿3和吖啶橙碱(Arcidine Orange Base)。不能溶于水的偶氮、二苯基胺和蒽醌化合物；乙酸酯染料、分散的乙酸酯染料、分散染料和狄司潘素染料(dispersol dye)(具体的例子包括Dystar’s Palanil Blue E-R150(蒽醌/分散蓝)和DIANIX Orange E-3RN(偶氮染料/CI分散橙25))也可用于实施本发明。酸性染料，例如那些用于尼龙染色的染料，以及以商品名Reactint出售的由聚氨酯和聚氨酯混合物一起使用的反应性染料，也适用于实施本发明。
本发明的设备还适用于喷射含提高待处理制件的性能特征的添加剂的溶液。合适的性能增强添加剂包括：光致变色染料、紫外稳定剂、抗静电剂、阻燃剂、脱模剂、抗微生物剂和其它改善性能的添加剂。
本发明的设备还适用于施加(优选通过喷射进行)一类溶液，这类溶液既含有着色剂又含有提高待着色的物质的性能的添加剂，所述待着色物质优选是塑料。本发明的设备还适用于分别施加一种或多种含着色剂的溶液和一种或多种含性能增强添加剂的其它溶液。
本发明的设备还适用于施加(优选通过喷射进行)产生清洁、直接可销售的制件所需的任何相关洗涤液。
将待处理制件设置在其中的外壳可由能承受操作条件并且能够暴露于将要施加于待处理制件的溶液的任何材料制成。优选外壳壁由钢化玻璃之类的透明材料制成，这样可以观察处理的进行过程，尤其是赋予制件颜色的处理的进行过程。但是，也可以通过摄像机或通过外壳的门或侧壁中的小孔目测来监控处理的进程。
所有的容器、喷嘴和互连管都由不会从溶液中吸收染料或添加剂的材料制成。合适的材料的例子包括：不锈钢、铝、玻璃和塑料，例如结晶聚酯或聚烯烃。文中所用的术语“不会从溶液中吸收染料或添加剂的材料”是指符合这些条件的任何材料。较佳地，所述设备的组件由不锈钢制成。
现在参看图1，图1显示了要处理的制件正在接受着色处理的本发明的实施方式。不含染料的溶液通常由水和有机溶剂配制形成，所述有机溶剂例如乙二醇丁醚、二甘醇乙醚、二甘醇丁醚、丙二醇丙醚、双丙甘醇丙醚和三丙二醇丙醚和二甘醇。美国专利6733543、6749646、6929666、6949127、6994735和7094263揭示了用于生产这种无染料溶液的特别有利的配方，这些参考文献的内容都通过参考结合于此。将无染料溶液组分混合，在封闭的绝热容器5中加热到最高温度95℃。该溶液直接用作无染料的洗涤溶液，并且作为溶剂给料可用于在封闭的容器10中调配含染料的溶液，详细描述见下文。
为了配制含染料的溶液，通过泵15将容器5中含有的无染料溶液转移到容器10中，容器10配置有第二泵20、加热器25和袋滤器30，它们通过管道系统连接，使容器10中的溶液连续循环，从容器10的底部分别通过加热器25和袋滤器30，然后再放回到容器10中。袋滤器35含有染料，在几分钟的时间内，使循环的无染料溶液饱和，产生实施本发明所需的热的含染料溶液。美国专利6733543、6749646、6929666、6949127、6994735和7094263中都详细描述了生产这种含染料的性能增强添加剂溶液的方法，这些文献都通过参考结合于此。使用泵20将含染料的溶液从容器10中转移通过喷射外壳进口40。
喷射外壳45具有与冷凝系统50连通的开口，冷凝系统的型号适合冷凝溶剂蒸气，并使得到的液体返回到再生容器55中，同时允许空气通过顶部的通风孔进入。任选地，喷射外壳45是双重绝热的，在其壁上设置有辅助的垫片加热器(pad heater)，有助于在喷射过程中保持含染料溶液的温度。另外，可以将任选的加热器和鼓风机设置在喷射外壳45上，从而同时将空气和外壳45内待着色的制件60加热到预定的温度，然后再将含染料的溶液施加到制件60上。
制件60安装在设置在推车(trolley)65上的固定件上。设置有制件60的推车65通过门70移动到喷射外壳45内。连续的橡胶密封结构75允许推车进出，同时保持外壳45处于密封状态。关闭门70，通过泵20将热的含染料溶液从容器10通过进入歧管40和集管系统(header system)80转移到喷射外壳45。用于将含染料的溶液从溶液容器10转移到喷射外壳45的泵20控制溶液通过管道系统的流速，从而控制溶液进入集管80和离开喷嘴85时的压力。将制件60设置在喷嘴85的前部，这样制件60的一个或两个表面就都被从喷嘴85离开的着色溶液覆盖。
在5-50psi下，进入喷嘴85的溶液的温度为30-100℃。溶液温度取决于在着色的材料，特别是在着色的塑料材料。例如，刚性、高热变形材料如聚碳酸酯在90℃以上的温度着色，而挠性更高的橡胶状材料在约45-60℃着色。优选的喷嘴85的压力是15-25psi。
在该方法接下来的步骤中，溶液通过出口100离开喷射容器45。离开的溶液通过泵105连续循环回到含染料的溶液的容器10中，再次加热和再次被染料饱和。溶液连续循环，直到制件60达到所需的颜色。
在制件60达到所需的颜色后，停止提供含染料的溶液流，从加热的容器5通过喷嘴85泵送无染料洗涤溶液，将无染料的洗涤溶剂施加到制件60表面以除去任何过量的染料。通常对无染料溶液进行加热以提高清洁效率，从而彻底除去制件表面所有残留的染料。溶液温度取决于在着色的材料，如同上文在染料工序中所描述的。而且，无染料洗涤溶液的温度可与含染料溶液无关。与在着色过程中连续循环返回源容器(容器10)的含染料溶液不同，无染料溶液不循环回到源容器，但是在通过喷射外壳45后，通过泵105直接泵送到再生容器55中，留待再生。在彻底洗涤制件，完全除去染料后，停止供应无染料的溶液流，通过泵送将蒸馏水或去离子水从加热容器110通过喷嘴85转移到制件60的表面上，以除去痕量的残余含染料溶液，使制件60不再含有有机溶剂，但是被水润湿。可以用软布擦拭或者用压缩空气吹扫而除去制件60上的残余水。其它方法是使用红外加热器使残余水从制件60表面上蒸发，虽然这些方法比擦拭或压缩空气吹扫慢。
喷嘴85经过设计，在喷射外壳45内间隔设置，以对制件60的表面提供最大的溶液覆盖率。当制件是平板形式时，使用全锥型喷嘴85得到制件60的最大覆盖率。喷嘴85距离平板平面5-8英寸(最佳的67/8英寸)时是最佳距离，喷射的溶液的圆形图案覆盖直径约21-26英寸(最佳的235/8英寸)的区域。因此，9个这样的喷嘴85以中心位置相隔15-20英寸(任选的17.25英寸)的方式设置，将可以使喷射的溶液覆盖板一面上4英尺宽×4英尺长的区域。对于双面上色，必须在板另一面的喷射容器中设置喷嘴85的类似构造，使得需要的喷嘴85的总数目翻倍达到18个。假设喷射外壳45具有足够的宽度，则可以任选地安装几个喷嘴头(nozzle header)，包括具有安装在同一个喷嘴头上但朝向相反的喷嘴的喷嘴头，以在一次操作中使溶液覆盖多个板件。
通常，在喷嘴85之间具有明显的重叠区域，两个喷嘴85将会使单位时间内喷射到板面上的着色溶液的数量翻倍。而且，因为热的着色溶液液滴会冲击制件60的平板表面，所以随着液滴凝结会形成小液流(rivulet)，并且在重力的作用下拖拉至平板的底部。可以预计这些区域最终会表现为缺陷(黑线(darkstreak))，但是已经发现本发明的喷射方法产生颜色非常均一的板制件。
任何已知的含染料和无染料溶液都可用于本发明的方法。
在本发明的优选的实施方式中，系统含有在线(in-line)探测器或检测器以确定清洁溶剂的组成。探测器可以是近红外分析仪或其它用于确定纯度的仪器。也可以使用其它确定清洁溶剂组成的分析技术，例如气相色谱，但是近红外(NIR)技术是进行该项分析的最可靠且最经济的手段。
尽管本发明的方法可以手动操作，但是优选本发明的着色过程采用电子控制，最优选通过编程对阀门函数排序(sequence valve functions)的人机接口(HMI)进行控制。
虽然为了说明的目的已经描述了本发明，但是显然本领域技术人员了解在不背离所附权利要求限定的范围的情况下可以对本发明的具体细节进行多种改变。

Claims (23)

1.一种对制件进行处理以赋予该制件颜色和/或提高该制件的物理性质的设备，其包括：
a)足以容纳待处理制件的热的外壳或容器；
b)用于将处理体系的组分按照使得待处理制件的表面完全被覆盖的方式依次直接施加于制件表面的装置，所述处理体系包含：
(i)着色溶液和/或包含性能增强添加剂的溶液，
(ii)有机溶剂，和
(iii)水；
c)用于牢定待处理制件的装置；
d)用于将待处理制件转移到热的外壳中和在处理后将制件从外壳中取出的装置；
e)能够将足够的热的饱和着色溶液和/或性能增强溶液以足够的压力传递从而在施加到制件表面时形成小液滴的封闭的热的容器；
f)能够将足够的热的无染料洗涤溶液以足够的压力传递从而在施加到制件表面时形成小液滴的封闭的热的容器；和
g)能够将足够的热的去离子水以足够的压力传递从而在施加到制件表面时形成小液滴的封闭的热的容器，
其中所述的制件由选自聚碳酸酯、聚氨酯、聚酯、丙烯酸树脂、尼龙、聚氯乙烯、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)混合物、聚碳酸酯/聚酯混合物或ABS的塑料材料制成。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，通过可编程的人机接口(HMI)控制所述组分。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，热的外壳a)装配有排气冷凝器，以冷凝蒸气和使任何得到的液体返回到再生容器中。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，热的外壳a)是绝热的，侧面装有加热器。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，热的外壳a)装配有加热器和鼓风机的组合，以加热外壳内的制件和空气。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，施加装置b)在制件上喷射出图案。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，施加装置b)距离制件表面5-8英寸。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，施加装置b)施加直径21-27英寸的喷射图案。
9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，施加装置b)以中心位置相隔15-20英寸的距离设置。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，施加装置b)与挠性软管连接。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的聚氨酯是热塑性聚氨酯，所述的丙烯酸树脂是聚甲基丙烯酸甲酯。
12.一种使用如权利要求1所述的设备对制件进行处理以赋予该制件颜色和/或提高该制件性能特征的方法，该方法包括：
a)将待处理制件设置在足以容纳该待处理制件的热的外壳或容器中；
b)将着色溶液和/或包含性能增强添加剂的溶液喷射到制件表面上，进行该喷射操作的方式应使得制件的全部表面被着色溶液和/或包含性能增强添加剂的溶液覆盖；
c)将有机溶剂喷射到制件表面上，进行该喷射操作的方式应使得制件的全部表面被有机溶液覆盖；
d)将水喷射到制件表面上，进行该喷射操作的方式应使得制件的全部表面被水覆盖；和
e)将制件从外壳中移出；
其中所述的制件由选自聚碳酸酯、聚氨酯、聚酯、丙烯酸树脂、尼龙、聚氯乙烯、聚碳酸酯/丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)混合物、聚碳酸酯/聚酯混合物或ABS的塑料材料制成。
13.通过如权利要求12所述的方法上色的塑料板。
14.通过如权利要求12所述的方法生产的椅子。
15.通过如权利要求12所述的方法生产的水容器。
16.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括用于收集任何废弃的溶液以进行再生的容器。
17.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述外壳、喷射装置和封闭的热的容器是由不吸收染料的材料制成的。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包含性能增强添加剂的溶液用于处理制件表面。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述包含性能增强添加剂溶液的溶液含有紫外稳定剂。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述包含性能增强添加剂溶液的溶液含有抗静电剂。
21.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷射外壳包括连续橡胶密封结构，该结构的设置使推车能够将待处理制件运输到喷射外壳中。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述橡胶密封结构由EPDM制成。
23.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的聚氨酯是热塑性聚氨酯，所述的丙烯酸树脂是聚甲基丙烯酸甲酯。
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