DE69604404T2

DE69604404T2 - Gegenstand, in welchem licht unter steilem winkel reflektiert und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69604404T2
Application number: DE69604404T
Authority: DE
Inventors: Terry Bailey; Louis Belisle; Dale Haunschild; Gregory Jacobs; David Schueler; Larry Stump
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: BR9608636A; EP0835351B1; CA2224524A1; NO975443D0; EP0835351A1; JP2000515207A; AU698325B2; WO1997001679A1; KR19990028472A; NO975796D0; EP0835350A1; MX9710349A; DE69604401D1; NO975795L; MX9710371A; AU6342896A; US5880885A; NO975795D0; NO975796L; KR19990028422A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen retroreflektierenden Artikel, der eine gute Retroreflexionshelligkeit bei hohen Eintrittswinkeln und niedrigen Eintrittswinkeln, und unter Naß-Bedingungen zeigt, und ein Verfahren zur Herstellung eine derartigen Artikels. Der Artikel ist gut als eine Fahrbahnmarkierung oder als Markierung für vertikalen Barrieren oder Leiteinrichtungen geeignet.
Fahrbahnmarkierungen, wie diejenigen auf der Mittellinie und Seitenlinie einer Straße sind wichtig, um Fahrern von Motorfahrzeugen eine visuelle Führung zu geben. Fahrbahnmarkierungsmaterialien werden als Verkehrssteuerungsmarkierungen für eine Vielfalt von Anwendungen, wie z. B. Nahverkehrs- Fahrspurstreifen, Haltelinien, und Fußgängerüberwegmarkierungen an Kreuzungen verwendet. Eine übliche Ausführungsform von Fahrbahnmarkierungsmaterialien ist ein mit Kleber auf der Rückseite versehenes Band, daß auf die Straßenoberfläche in der gewünschten Lage und Länge aufgebracht wird, wobei die Oberseite des Bandes die gewählte Farbe und typischerweise Retroreflexionseigenschaften aufweist.
Zur Zeit beruhen viele flache Fahrbahnmarkierungen typischerweise auf einem optischen System mit freiliegender Optik, das transparente Mikrokügelchen aufweist, die teilweise in einer Bindeschicht eingebettet sind, die reflektierende Pigmentpartikel, wie z. B. Titandioxid (TiO&sub2;) oder Bleichromat (PbCrO&sub4;) als Reflektoren enthält. Im Betrieb tritt Licht aus dem Scheinwerfer eines Fahrzeugs in das Mikrokügelchen ein und wird so gebrochen, daß es auf die reflektierenden Pigmentpartikel fällt. Ein gewisser Anteil des Lichts wird entlang des ursprünglichen Eintrittspfades in die Richtung des Fahrzeug zurückgesendet, so daß es für den Fahrer sichtbar ist. Der Brechungsanteil und der sich in diesen Mikrokügelchen sammelnde Lichtanteil hängt teilweise von der Aufrechterhaltung eines niedrigen Brechungsindexes an der Luftgrenzfläche auf dem freiliegenden Abschnitt des Mikrokügelchens ab. Während Regenperioden werden die Mikrokügelchen mit Wasser benetzt, was deren Lichtbrechungsfähigkeit verringert und zu einem stark reduzierten Retroreflexionsverhalten führt.
Eine Lösung dieses Problem besteht in erhabenen Fahrbahnmarkierungen, bei welchen retroreflektierende Elemente in ziemlich vertikalen Konfigurationen präsentiert werden. US-A- 4 388 359, US-A-4 988 555 und 4 988 541 offenbaren Fahrbahnmarkierungen mit Vorsprüngen tragenden retroreflektierenden Elementen mit freiliegender Optik an deren Seiten.
Bekanntermaßen werden auch retroreflektierende Strukturen mit eingeschlossener Optik auf Fahrbahnmarkierungen verwendet. Diese Strukturen werden typischerweise als Punktführungen verwendet, welche mit zusammenhängenden Anstrich- oder Bandmarkierungen verstärkt werden. Siehe z. B. US-A-5 277 513 und US-A-5 340 231. Retroreflektierende Schichtstrukturen mit eingeschlossener Optik mit flachen Abdeckfilmen (manchmal auch als Abdeckschichten, Oberflächenschichten, Oberflächenfilme usw. bezeichnet) wurden als eine Einrichtung zur Verbesserung der Naß-Retroreflexion aufgebaut. Siehe z. B. das US-A-4 025 159, welches retroreflektierende Artikel mit eingekapselter Optik offenbart, und die US-A-4 505 967 und US-A- 4 664 966, welche retroreflektierende Artikel mit eingebetteter Optik offenbaren.
US-A-4 145 112 offenbart einen Artikel, welcher eine zugrundeliegende Basis-Retroreflexionsschicht und eine lichtleitende Schicht aufweist, die von einer sich in Längsrichtung erstreckenden Reihe kurzer transparenter Vorsprünge gebildet wird. Die Vorderseitenoberflächen sind quer (d. h., relativ senkrecht) zu dem erwarteten Pfad von Licht mit großem Eintrittswinkel angeordnet, wodurch sie einen hohen Prozent satz des einfallenden Lichts von sich annähernden Fahrzeugen eher durchlassen als reflektieren. Die Rückseitenoberfläche ist so angeordnet, daß sie sowohl das von der Vorderseitenoberfläche durchgelassene Licht auf einen Pfad innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs zur Retroreflexion durch die retroreflektierenden Elemente reflektiert als auch von den retroreflektierenden Elementen retroreflektiertes Licht zurück durch die Vorderseitenoberfläche auf seine Quelle reflektieren. Es muß eine präzise Konfigurationsbeziehung zwischen der vorderen und rückwärtigen sich nach oben erstreckenden Seitenflächen jedes Vorsprungs erstellt und eingehalten werden, um eine adäquate Retroreflexion zu sichern. Zusätzlich machen die sich in Längsrichtung erstreckenden Vorsprünge die Schichtstruktur tendenziell weniger flexibel. US- A-4 236 788 offenbart einen verwandten Typ eines Fahrbahnmarkierungsstreifens, in welchem die zwei Seiten der Diagonalprismen so eingestellt sind, daß sie eine nach unten gerichtete interne Reflexion in die Basisschicht hinein von einer ersten Seite und eine Brechung zu dem Raum zwischen aufeinanderfolgenden Prismen in die Basisschicht hinein von der anderen Seite erzeugen. Wie bei dem in US-A-4 145 112 offenbarten Artikel ist die Beibehaltung einer präzisen Konfigurationsbeziehung zwischen den zwei nach oben weisenden Seiten der Prismen kritisch.
US-A-3 920 346 offenbart einen sägezahnförmigen Markierungsstreifen, der Vorsprünge mit gekrümmten Kanten und nach oben ausgerichteten retroreflektierenden Elementen darin eingebettet aufweist. Die gekrümmtem Kanten der erhabenen Vorsprünge sollen Verluste einfallenden Lichts reduzieren, so daß die Markierung über breite Winkel auf den Markierungsstreifen einfallenden Lichts hell ist. Zusätzlich führt die Integration von sich nach oben erstreckenden Elementen in die Vorsprünge zu einem engeren Eintritts- oder Einfallswinkel des Lichtes von sich annähernden Fahrzeugen, was eine effektivere Retroreflexion durch den Artikel ermöglicht.
US-A-4 072 403 offenbart eine retroreflektierende Anordnung, die insbesondere nützlich für Situationen ist, in welchen eine Retroreflexion unter Regenbedingungen erforderlich ist. Die darin offenbarte Anordnung weist ein transparentes Kügelchen mit einer Monoschicht transparenter Mikrokügelchen auf bestimmten Abschnitten des Kügelchen und eine hinter den Mikrokügelchen angeordnete reflektierende Schicht auf. Die retroreflektierenden Anordnungen, welche manchmal als "Kügelchen/Mikrokügelchen-Retroreflexionsanordnungen" bezeichnet werden, sind auf der Oberseite der Fahrbahnmarkierung angeordnet, wo sie eine effektive Retroreflexion von Licht bei hohen Eintrittswinkeln bereitstellen. US-A-5 286 789 offenbart eine verbesserte Kügelchen/Mikrokügelchen-Retroreflexionsanordnung und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung.
EP-B1-385746 offenbart eine Fahrbahnmarkierung mit einer Schicht großer Glasmikrokügelchen, die auf der Oberseite einer retroreflektierenden Basisschichtstruktur des Typs mit eingebetteter Optik eingebettet sind. Diese retroreflektierende Fahrbahnmarkierung soll besonders unter Regenbedingungen nützlich sein, da die größeren Glasmikrokügelchen teilweise an Luft freiliegen. Die offenbarte Fahrbahnmarkierung ist jedoch auf die Verwendung von Mikrokügelchen als eine Lichtsammelquelle eingeschränkt. Ferner ist die Fahrbahnmarkierung nur dafür gedacht, die Retroreflexion ihrer Basisschichtstruktur bei Eintrittswinkeln zwischen 60º und 80º zu erhöhen. Es im Fachgebiet bekannt, daß hohe Eintrittswinkel größer als 85º bei Fahrbahnmarkierungsanwendungen üblicher sind.
US-A-5 417 515 offenbart einen retroreflektierenden Artikel mit einer Anordnung von Mikrokügelchen, die in eine Außenoberfläche einer Bindeschicht, welche eine erste und zweite Schicht aufweist, teilweise eingebettet sind und daraus hervorstehen. Die erste Schicht weist Partikel eines diffusen Reflektorpigments auf. Die zweite Schicht liegt unter der ersten Schicht und weist Partikel eines spiegelnden Reflektor pigments auf. Die Mikrokügelchen sind so eingebettet, daß sie sich durch die erste Schicht hindurch erstrecken und teilweise in der zweiten Schicht eingebettet sind. Es wird gelehrt, daß die zwei Bindeschichten hohe Retroreflexionswerte über einen großen Bereich von Abständen und Eintrittswinkeln bereitstellen.
Zur Zeit erhältliche Fahrbahnmarkierungen mit niedrigem Profil bieten eine effektive Retroreflexionsreaktion nur für einen kleineren Bereich von Eintrittswinkeln als manchmal erwünscht ist. Ferner sind zur Zeit erhältliche Fahrbahnmarkierung nicht so effektive Retroreflektoren, wie es für manche Anwendungen erwünscht ist. Beispielsweise sind flache Fahrbahnmarkierungen, die auf Mikrokügelchen beruhen, die gemäß vorstehender Beschreibung teilweise in diffuse Pigmente enthaltenden Schichten eingebettet sind, am leichtesten bei Abständen von etwa 80 m oder weniger zu sehen. Bei größeren Abständen als diesem, nimmt die Retroreflexionshelligkeit zum Teil aufgrund der größeren Eintrittswinkel des einfallenden Lichts und zum Teil aufgrund der inhärent eingeschränkten Retroreflexionshelligkeit ab. Zusätzlich zu der generell niedrigen Retroreflexion bei hohen Eintrittswinkeln sind flache Fahrbahnmarkierungen unter Regenbedingungen aufgrund der vorstehend diskutierten Gründe besonders schwer zu sehen. Erhabene Fahrbahnmarkierungen weisen typischerweise eine bessere Naß-Reflektivität auf, da der Regen von den erhabenen Abschnitten abläuft. Die Schneeräumung ist jedoch häufig ein Problem auf Straßen, welche erhabene Fahrbahnmarkierungen tragen, da die Schneepflüge eine Tendenz haben, sich an den erhabenen Vorsprüngen zu verfangen und die Markierungen von der Straßenoberfläche abreißen.
Es besteht ein Bedarf nach retroreflektierenden Artikeln mit niedrigem Profil, die eine gute Retroreflexionshelligkeit in einer zusammenhängenden Linie auch bei großen Einfallswinkeln zeigen, und welche die effektive Retroreflexionshelligkeit bei großen Einfallswinkeln auch im nassen Zustand beibehalten. Der Bergriff "niedriges Profil", so wie er hierin ge braucht wird, bezieht sich auf einen Artikel, der niedrig genug ist, um den Belastungen durch einen Schneepflug nach einer Wintersaison mit nur minimalen Beschädigungen an dem Material standzuhalten. Zusätzlich besteht ein Bedarf nach retroreflektierenden Artikeln, die eine gute Retroreflexionsreaktion über einen weiten Bereich von Eintrittswinkeln zur Anwendung an vertikalen Oberflächen wie z. B. Leitplanken, Jersey-Barrieren usw. zeigen.
Die vorliegende Erfindung stellt neue retroreflektierende Artikel bevorzugt mit niedrigem Profil bereit, die eine nicht offensichtliche Kombination von verbesserter Retroreflexion bei sehr hohen Eintrittswinkeln (88º oder höher), wie z. B. denen, unter welchen Fahrbahnmarkierung betrachtet werden, heller Retroreflexion bei niedrigen Eintrittswinkeln, und einer wesentlich größeren Retroreflexion unter Naß-Bedingungen als herkömmliche Fahrbahnmarkierung bereitstellt. Die Erfindung stellt auch ein neues Verfahren zur Herstellung derartiger retroreflektierender Artikel bereit.
Kurz zusammengefaßt ist ein Artikel der Erfindung in dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch 1 definiert.
Anders als bei den Brechungselementen der in den in US-A- 4 145 112 und US-A-4 236 788 offenbarten Artikel müssen die Vorder- und Rückseiten der Brechungselemente von den Artikeln der Erfindung keine präzise Konfiguration in Bezug aufeinander besitzen, um eine effektive Retroreflexion zu erreichen. Anders als bei EP-B1-385 746 sind die Brechungselemente nicht auf Mikrokügelchen eingeschränkt. Demzufolge können die retroreflektierenden Artikel der vorliegenden Erfindung sehr leicht und preiswert hergestellt werden. Wie hierin beschrieben, können die Vorder- und Rückseiten der Brechungselemente gerundet sein oder können relativ gerade Profile aufweisen. Retroreflektierende Artikel der Erfindung verwenden einen Brechung an der vorderen Oberfläche der Brechungselemente, um bei hohen Eintrittswinkeln einfallendes Licht in die Basislage zu leiten. Demzufolge erzeugen die Artikel der Erfindung eine überraschend helle Retroreflexion und sind überraschend haltbar.
Die retroreflektierenden Artikel der Erfindung sind insbesondere für Anwendungen geeignet, in welchen Licht bei hohen Eintrittswinkeln größer als 85º, wie z. B. bei Fahrbahnmarkierungsgeometrien einfällt. Solche Anwendungen umfassen Fahrbahnmarkierungen und Anwendungen, bei denen das einfallende Licht von jeder Seite kommen kann, wie z. B. bei horizontalen Verkehrszeichen. Zu veranschaulichenden Beispielen solcher horizontaler Verkehrszeichen zählen die Beschriftungen und Symbole, die üblicherweise auf Parkplätzen zur Kennzeichnung von Behindertenparkplätzen angebracht sind, und die Pfeile und Spurmarkierungen die auf der Fahrbahn an einer Kreuzung angebracht sind.
Zusätzlich sind retroreflektierende Artikel der Erfindung auch zur Verwendung an vertikalen Oberflächen gut geeignet, insbesondere an denjenigen, die aus großen Einfallswinkeln betrachtet werden, wie z. B. Leitplanken, Gebäudewände entlang Gassen, Jersey-Barrieren, Brückenpfeiler, Masten, Verkehrsinseln usw. Ein Vorteil retroreflektierender Artikel der Erfindung besteht darin, daß zusätzlich dazu, daß sie eine verbesserte Retroreflexionshelligkeit bei großen Eintrittswinkeln aufweisen, diese auch eine hohe Retroreflexionshelligkeit bei kleineren Eintrittswinkeln innerhalb 30º bis 40º zur Senkrechten aufweisen, in welchen Verkehrszeichen oft betrachtet werden. Dieses macht den Artikel der Erfindung insbesondere gut für die Anwendung an Wänden und Barrieren entlang von Autobahnen und für andere Anwendungen gut geeignet, in denen sich ein Fahrzeug der Struktur aus einem großen Bereich von Winkeln annähern kann, bei welchen eine effektive Retroreflexionshelligkeit erwünscht ist. Beispielsweise kann eine erste Straße eine im wesentlichen parallel zu einem Abschnitt davon angeordnete vertikale Barrieren aufweisen, und eine zweite Straße kann die erste Straße kreuzen. Wenn die Barriere eine Schichtstruktur der vorliegenden Erfindung auf ihre Oberfläche aufweist, erzeugt sie eine effektive Retroreflexion für Fahrzeuge, die sich der Barriere auf beiden Straßen nähern, und erhöht damit die Sicherheit. Retroreflektierende Artikel der Erfindung können in gekrümmten Formaten, wie z. B. um Verkehrsleitkegel und Tonnen gewickelt werden, auf gekrümmten Leitplanken usw., verwendet werden, und erzeugen eine ausgezeichnete Retroreflexionshelligkeit im wesentlichen entlang des gesamten sichtbaren Abschnittes, wegen des außergewöhnlichen Eintrittswinkelbereichs der Artikel.
Anders als eine reflektierende Schichtstruktur mit freiliegender Optik, welche nicht reflektiert, wenn sie naß ist, sind die retroreflektierenden Artikel der Erfindung naß-retroreflektierend. D. h., daß der erfindungsgemäße Artikel unter Regenbedingungen, wenn der Regen aufgehört hat, aber der Artikel noch nicht getrocknet ist, in den frühen Morgenstunden, wenn sich Tau auf dem Material angesammelt hat, und unter ähnlichen Bedingungen retroreflektiert. Zusätzlich stellen die Brechungselemente in einer Fahrbahnmarkierungsanwendung erhabene Oberflächen bereit, die ebenfalls die Beibehaltung der Naß-Retroreflexion des Artikels durch Erleichterung des Wasserablaufs steigern. Das relativ niedrige Profil der erhabenen Oberflächen ermöglicht jedoch, daß der Artikel seine Anwendbarkeit auch in Bereichen beibehält, in welchen Schneepflüge eingesetzt werden.
Kurz zusammengefaßt weist das Verfahren der Erfindung die Schritte auf: (1) Bereitstellen einer retroreflektierenden Basislage, die eine Anordnung retroreflektierender Elemente und eine Deckschicht aufweist; und Befestigen oder Ausbilden einer Anordnung von Brechungselementen, die in Bezug auf die Basislage so angeordnet sind, daß auf die Anordnung einfallendes Licht so gebrochen wird, daß es in die Basislage übertragen wird, von der Basislage retroreflektiert und von den Brechungselementen weiter gebrochen wird, so daß es von dem Artikel retroreflektiert wird.
Der Herstellungsprozeß des retroreflektierenden Artikels ist viel einfacher bezogen auf frühere Prozesse zur Herstellung retroreflektierender Artikel, welche eine lichtleitende Schicht und eine retroreflektierende Basislage aufweisen. Bei den früheren retroreflektierenden Artikeln, wie z. B. den in US-A-4 145 122 und US-A-4 236 788 offenbarten, muß die lichtleitende Schicht sorgfältig konfiguriert werden. Im Gegensatz dazu können die Brechungselemente der Erfindung zufällig plaziert und zufällig auf der retroreflektierenden Basislage geformt werden, wenn dieses erwünscht ist. Ferner haben Beanspruchungen und Abrieb durch den Straßenverkehr, welche tendenziell die lichtleitende Schicht der früheren retroreflektierenden Artikel verformen, wesentlich weniger Einfluß auf die Brechungselemente der Erfindung, da die Aufrechterhaltung einer präzisen Konfiguration für das Erzielen der Retroreflexion nicht kritisch ist. Schließlich können, da die Aufrechterhaltung präziser Geometrien nicht kritisch ist, weichere nachgiebigere Materialien gewählt werden, und dadurch die Fähigkeit von Fahrbahnmarkierungen der Erfindung auf der Straße zu bestehen, verbessert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen des Artikels von Anspruch 1 und des Verfahrens von Anspruch 9 sind in den Vorrichtungs- bzw. Verfahrens-Unteransprüchen spezifiziert.
Die Erfindung wird nun weiter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine von früher bekannte Fahrbahnmarkierung mit einer über einer retroreflektierenden Basisschicht angeordneten lichtleitenden Schicht;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 dargestellten Fahrbahnmarkierungsmaterials; und
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen veranschaulichenden retroreflektierenden Artikel;
Fig. 4 eine Schnittansicht eines weiteren veranschaulichenden retroreflektierenden erfindungsgemäßen Artikels;
Fig. 5 einen vertikalen Querschnitt eines weiteren veranschaulichenden erfindungsgemäßen Brechungselements;
Fig. 6 einen vertikalen Querschnitt von veranschaulichenden Brechungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 einen vertikalen Querschnitt eines Abschnitts eines veranschaulichenden retroreflektierenden Artikels der Erfindung, der einen Kontaktwinkel darstellt.
Diese Figuren, welche idealisiert und nicht maßstabsgerecht sind, sind lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung gedacht.
Die erfindungsgemäße retroreflektierende Schichtstruktur weist ein neues optisches System, das die Retroreflexion einer Basisschichtstruktur bei hohen Eintrittswinkeln steigert ohne die Retroreflexion bei allen anderen Eintrittswinkeln signifikant zu beeinträchtigen. "Eintrittswinkel" ist als der Winkel zwischen der Bezugsachse und der Einfallsachse definiert. (Ein Glossar der Begriffe ist am Ende dieser Beschreibung vorgesehen). Wie der Begriff hierin gebraucht wird, bedeutet "hoher Eintrittswinkel" Winkel größer als etwa 85º. Da der erfindungsgemäß Artikel in der Lage ist, Licht bei hohen Eintrittswinkeln zu retroreflektieren, ist er für horizontale Anwendungen, wie z. B. Fahrbahnmarkierungen nützlich. Da die erfindungsgemäße Schichtstruktur ein guten Winkelbereich und auch eine gute Frontalretroreflexionshelligkeit aufweist, ist er für vertikale Anwendungen, wie z. B. Leiteinrichtungen und Barrierenmarkierungen nützlich. Eine "Frontalretroreflexionshelligkeit" bezeichnet niedrige Eintrittswinkel, typischerweise von 0º bis etwa 30º bis 40º.
Fig. 1 und 2 stellen einen von früher bereits bekannten Artikel dar, wie er in US-A-4 145 112 offenbart ist, wobei ein Artikel 10 eine lichtleitende Schicht mit intern reflektieren Vorsprüngen 16 und eine darunterliegende retroreflektierende Basisschichtstruktur 14 und eine darunterliegende optionale Anpassungsschicht 18 aufweist. Typischerweise würden derartige Artikel ferner eine (nicht dargestellte) Kleberschicht auf der Unterseite der Anpassungsschicht aufweisen, mittels welcher der Artikel auf eine gewünschte Oberfläche geklebt werden könnte, wie z. B. auf eine (nicht darge stellte) Straßenoberfläche. Wie vorstehend diskutiert, nutzen die Vorsprünge 16 eine interne Reflexion, um Licht mit hohen Eintrittswinkeln in die Basisschichtstruktur 14 umzuleiten und dann die interne Reflexion zu nutzen, um das von der Basisschichtstruktur 14 reflektierte Licht zurück an die Quelle zu reflektieren. Die Schicht 12 ist an der Basisschichtstruktur 14 mit einer Zwischenkleberschicht 13 festgeklebt dargestellt. Die Basisschichtstruktur 14 weist eine Anordnung von würfeleckigen retroreflektierenden Elementen 20 auf der Rückseite ihrer Hauptschicht 22 und einen auf die Hauptschicht 22 aufgesiegelten Versiegelungsfilm 24 mit einem Netz von Zwischenverbindungsklebestellen 26 zur Erzeugung der für die Retroreflexion erforderlichen Grenzfläche auf den würfeleckigen Elementen 20 auf.

I. Allgemeine Struktur des erfindungsgemäßen Artikels

Ein veranschaulichender retroreflektierender Artikel, der nicht vollständig in den Schutzumfang der Hauptansprüche 1 und 9 fällt, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Fahrbahnmarkierung 30 weist eine retroreflektierende Basisschichtstruktur 32 mit einer Anordnung lichtbrechender Elemente 34 auf ihrer Oberseite, und eine unter der Basisschichtstruktur 32 liegende optionale Anpassungsschicht 36 und eine unter der Anpassungsschicht 36 liegende optionale Kleberschicht 38 auf.
Es können unterschiedlichen Typen retroreflektierender Schichtstrukturen als Basisschichtstruktur 32 verwendet werden. Die retroreflektierenden Basisschichtstrukturen stellen typischerweise nicht von selbst eine ausreichende Retroreflexion bei extrem hohen Eintrittswinkeln, wie z. B. bei Winkeln von 86º bis 89º bereit. Wenn jedoch diese Basisschichtstrukturen in einem zusammengesetzten Artikel der Erfindung verwendet werden, wird ein sehr gutes Retroreflexionsverhalten sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Eintrittswinkeln erhalten.
Die lichtbrechenden Elemente 34 haften auf der relativ flachen Vorderseite der retroreflektierenden Basisschicht struktur. Wegen ihrer Plazierung fangen diese Brechungselemente Licht ein, das normalerweise bei hohen Eintrittswinkeln spiegelreflektiert würde. Das eingefangene Licht wird von den Brechungselementen gebrochen, so daß es in die Basisschichtstruktur 32 eintritt, von der Basisschichtstruktur 32 retroreflektiert wird und wieder so gebrochen wird, so daß es auf die Ausgangslichtquelle geleitet wird.
Ein retroreflektierender Artikel der Erfindung kann Färbungsmittel zumindest in einigen Abschnitten von sich aufweisen, beispielsweise in den Brechungselementen und/oder in einer oder in mehreren Komponenten der Basisschichtstruktur. Veranschaulichende Beispiele üblicher Färbungsmittel umfassen Weiß, Gelb und Rot, obwohl auch andere Färbungsmittel nach Wunsch verwendet werden können.
Auch eine dünne Beschichtung mit hoher Abriebsbeständigkeit und/oder Schmutzbeständigkeit kann auf die Oberseite des retroreflektierenden Artikels aufgebracht werden, um ihn vor Verkehrsverschleiß und Schmutzansammlung zu schützen. Bevorzugt ist diese Beschichtung lichtdurchlässig und verringert nicht die Griffigkeit des erfindungsgemäßen Artikels.
Ein weiterer veranschaulichender retroreflektierender Artikel der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Eine Fahrbahnmarkierung 80 weist Brechungselemente 60, Schleuderschutzpartikel 62, eine retroreflektierende Basisschichtstruktur 82 mit großem Winkelbereich, eine optionale Anpassungsschicht 74, eine optionale Kleberschicht 76 und eine optionale Ablöseschicht 78 auf. Die Basisschichtstruktur 82 weist ferner retroreflektierende Elemente 68, die in einer transparenten Polymermatrix 65 eingebettet sind, eine Spiegelschicht 70, eine Kleberschicht 72, und eine Abdeckschicht 64 auf, welche optional einen Oberflächenfilm 66 aufweisen kann. Gemäß Darstellung in Fig. 4 sind die Brechungselemente 60 im wesentlichen halbkugelförmig. Der Oberflächenfilm 66 kann dazu verwendet werden, die Haftung zwischen den Brechungselementen 60 und der Basisschichtstruktur 82 zu verbessern.

II. Retroreflektierende Basisschichstrukturen

Es können verschiedene Typen retroreflektierender Basisschichtstrukturen für die vorliegende Erfindung verwendet werden. Veranschaulichende Beispiele für retroreflektierende Basisschichtstrukturen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, retroreflektierende Schichtstrukturen mit eingebetteter Optik und retroreflektierende Schichtstrukturen mit eingekapselter Optik (d. h., sowohl den Mikrokügelchen-Typ als auch den Würfelecken-Typ). Auch eine Würfelecken-Schichtstruktur, welche spiegelnd beschichtet oder metallisiert ist, kann als Basisschichtstruktur dienen. Es ist im Fachgebiet bekannt, daß eine Metallisierung einer würfeleckigen Schichtstruktur den Eintrittswinkelbereich der Schichtstruktur vergrößert.
In der Erfindung verwendete retroreflektierende Basisschichtstrukturen besitzen einen guten Winkelbereich; d. h., die Retroreflexion der Basisschichtstruktur ist bei relativ hohen Eintrittswinkel von etwa 80º oder höher noch erheblich. Alle Komponentenschichten der retroreflektierenden Basisschichtstruktur haften bevorzugt unter allen Wetterbedingungen, sogar unter wiederholten Schlag und Scherbeanspruchungen, die sich aus dem im Falle von Fahrbahnmarkierungsanwendungen über die Schichtstruktur passierenden Verkehr ergeben, aneinander.
Zu veranschaulichenden Schichtstrukturen mit eingekapselter Optik zählen retroreflektierende Schichtstrukturen auf Basis von Mikrokügelchen, die eine Monoschicht transparenter Mikrokügelchen aufweisen, die teilweise in einer Bindeschicht mit einer reflektiven Schicht auf deren rückwärtigen (d. h., eingebetteten) Abschnitten eingebettet sind. Eine Luftschnittstelle wird durch eine Abdeckschicht bereitgestellt, die vor den Mikrokügelchen angeordnet ist. Alternativ kann eine Schichtstruktur würfeleckigen Typs, die eine Monoschicht würfeleckiger, retroreflektierender Elemente mit einer durch eine Versiegelungsschicht geschützten Luftschnittstelle auf weist, ebenfalls verwendet werden. Materialien des Würfelecken-Typs, in welchen die würfeleckigen Elemente mit einer spiegelnd reflektiven Metallschicht beschichtet wurden können ebenfalls verwendet werden. In einer Schichtstruktur des würfeleckigen Typs kann die Abdeckschicht ein integrierter Teil der Würfeleckenformationen sein, oder kann ein unabhängiger Film sein. Die US-A-4 025 159 offenbart einige retroreflektierende Schichtstrukturen des Mikrokügelchen-Typs und Würfelecken-Typs mit eingekapselter Optik, die hierin verwendet werden können.
Zu veranschaulichenden Schichtstrukturen mit eingebetteter Optik zählen retroreflektierende Schichtstrukturen auf der Basis von Mikrokügelchen, die (1) eine Monoschicht transparenter Mikrokügelchen aufweisen, deren Vorder- und Rückseitenoberflächen in eine transparente Matrix eingebettet sind, und (2) eine retroreflektierende Schicht, die von den rückwärtigen Oberflächen der Mikrokügelchen in einem gewählten Abstand, angeordnet ist. Der Begriff Abdeckschicht, so wie er hierin gebraucht wird, bezieht sich auf jede Schicht, die sich vor den Mikrokügelchen befindet. Die US-A-4 505 967 offenbart eine retroreflektierende Schichtstruktur mit eingebetteter Optik, die besonders gut geeignet ist und für die Anwendung hierin bevorzugt wird.
Hierin verwendete retroreflektierende Basisschichtstruktur weisen eine relativ flache Abdeckschicht auf ihrer Vorderseite auf. Die Abdeckschicht schützt darunterliegende Komponenten der Basisschichtstruktur und kann eine Einzelschicht oder Mehrfachschicht sein. Die Abdeckschichten sind typischerweise Polymere, können aber, falls gewünscht, aus anderen Materialien bestehen. Sie können so gewählt werden, daß sie getrennt bestimmte Eigenschaften der Schichtstruktur optimieren.
Retroreflektierende Schichtstrukturen mit eingebetteter Optik werden typischerweise mehr bevorzugt als retroreflektierende Schichtstrukturen mit eingekapselter Optik, wenn sie als Fahrbahnmarkierungen verwendet werden. Der feste Aufbau der Schichtstrukturen mit eingebetteter Optik unter Verkehrsbedingungen soll stabiler sein, da er keine internen Hohlräume wie Schichtstrukturen mit eingekapselter Optik aufweist. Retroreflektierende Schichtstrukturen mit eingebetteter Optik sind in kommerziellen Formen erhältlich, die ziemlich haltbar und flexibel sind. Sie sind in Ausführungsformen erhältlich, die ein effektives Retroreflexionsverhalten bei höheren Eintrittswinkeln ergeben, als viele Systeme mit eingekapselter Optik erreichen können. Ferner ist die reflektive Schicht in vielen Schichtstrukturen mit eingebetteter Optik Aluminium und Aluminiumanpassungsschichten werden üblicherweise in Fahrbahnmarkierungsmaterialien verwendet. Diese Ähnlichkeit kann alle möglichen Korrosionsprobleme minimieren, die entstehen könnten, wenn unterschiedliche Metalle verwendet würden.
Auf Mikrokügelchen basierende optische Systeme nutzen den Lichtbeugungs- und Fokussierungseffekt der Mikrokügelchen um Licht auf ein Reflektorelement hin zu brechen, wo es reflektiert und dann auf seinen Ursprung hin gebrochen wird. Der Brechungsgrad und somit die optimale Plazierung des Spiegelreflektors hängt von den relativen Brechungsindizes der Deckschicht über den Mikrokügelchen, den Mikrokügelchen und der Abstandsschicht zwischen den Mikrokügelchen und dem Reflektorelement, falls vorhanden, ab. Beispielsweise fokussiert ein Mikrokügelchen mit einem Brechungsindex von 2,25, wenn es mit Deckschicht- und Abstandschichtmaterialien mit einem Brechungsindex von etwa 1,5 verwendet wird, das Licht hinter sich in einem Abstand von etwa dem 0,44-fachen seines Radius. Die Dicke der Abstandsschicht approximiert diesen Wert bevorzugt so, daß Licht auf den Spiegelreflektor fokussiert wird. Jede Abweichung von diesen präzisen optischen Beziehungen führt tendenziell zu Verlusten der Retroreflexion der Basisschichtstruktur. Somit bleibt die Abdeckschicht bevorzugt fest an der Mikrokügelchenschicht befestigt, sind die Mikrokügelchen bevorzugt stabil in der Polymermatrix positioniert, und alle Schichten, durch welche Licht für die Retroreflexion geführt werden muß, sind bevorzugt klar und verzerrungsfrei.
Zusätzlich bleibt der Spiegelreflektor, typischerweise dampfbeschichtetes Aluminium, bevorzugt als eine im wesentlichen zusammenhängende, störungsfreie Schicht ohne Risse und Korrosion erhalten. Die Abstandsschicht/Spiegelschicht-Grenzfläche bleibt bevorzugt glatt und faltenfrei. Sehr kleine Änderungen in diesen optischen Beziehungen führen tendenziell zu einer Verschlechterung des Retroreflexionsverhaltens der Basisschichtstruktur und somit jedes unter Verwendung einer derartigen Basisschichtstruktur hergestellten Artikels. Obwohl extrem kleine Änderungen keinen erkennbaren Helligkeitsverlust bewirken müssen, können leichte Veränderungen diese präzisen Beziehungen schwer beeinträchtigen. Es ist überraschend, daß alle unter Verwendung dieser präzisen optischen Beziehungen hergestellten retroreflektierenden Schichtstrukturen wiederholten Schlag- und Scherbeanspruchungen durch den Verkehr in Verbindung mit anderen Effekten wie Sonnenlicht, Regen, Straßenöl, Straßensand, Straßensalz und Fahrzeugemissionen widerstehen können.
Wenn Licht in die retroreflektierende Schichtstruktur mit eingebetteter Optik bei hohen Eintrittswinkel eintritt und ein Mikrokügelchen passiert, tendiert es dazu auf der Seite des Mikrokügelchens statt auf der Rückseite fokussiert zu werden, wie es der Fall ist, wenn Licht in einer senkrechteren Art bei niedrigeren Eintrittswinkeln einfällt. Daher ist es wichtig, den richtigen Abstand zwischen den Mikrokügelchen und der reflektiven Schicht einzuhalten. Wie es dem Fachmann auf diesem Gebiet selbstverständlich sein wird, kann die Dicke der Abstandsschicht teilweise durch die Herstellungsverfahren gesteuert werden. Wenn die Abstandsschicht dazu tendiert, sich halbkugelförmig anzupassen, d. h., konzentrisch zu der Rückseite der Mikrokügelchen, kann ein optimaler Abstand für eine Vielfalt von Eintrittswinkeln erreicht werden. Die US-A-4 505 967 offenbart retroreflektierende Schichtstrukturen mit eingebetteter Optik, die für die Anwendung hierin geeignet sind, und diskutiert im Detail die Beziehung zwischen der Konfiguration der Abstandsschicht und der Retroreflexionsreaktion der Schichtstruktur. Die reflektive Kennzei chen-Schichtstruktur Nr. 3750 der Marke 3 M SCOTCHLITE ist ein veranschaulichendes Beispiel einer kommerziellen retroreflektierenden Schichtstruktur, die in der Erfindung verwendet werden kann.
Es ist wichtig, daß der lichtdurchlässige Oberflächenfilm auf der Oberseite der Abdeckschicht, falls vorhanden, haltbar ist, da die Fahrbahnmarkierung in einigen Fällen einem hohem Verkehrsvolumen ausgesetzt ist. Der Oberflächenfilm ist bevorzugt im wesentlichen zusammenhängend und aus einer ähnlichen chemischen Familie wie die Brechungselemente, so daß die Elemente und die Abdeckung zusammenschmelzen können, um eine dauerhafte Bindung zu erzeugen. Alternativ können weitere Zusammensetzungen verwendet werden, sofern die Elemente an derartigen Zusammensetzungen gut haften. Der Oberflächenfilm ist auch gegen Schnutzaufbau beständig, klar und flexibel genug für eine Anpassung an die Straßenoberfläche, weist so wenig elastische Kraft wie nur möglich auf, klebt an anorganischen Schleuderschutzpartikeln, und verändert während des Gebrauchs seine Farbe nicht merklich.

III. Brechungselemente

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung von lichtbrechenden Elementen an die Abdeckschicht der retroreflektierenden Basisschichtstruktur geklebt. Der Begriff "Anordnung", wie er hierin gebraucht wird, bedeutet mehrere Brechungselemente unabhängig davon, ob die Elemente in einem geordneten Muster oder zufällig angeordnet sind. Die Elemente sind typischerweise diskret. Mit Ausnahme einer gewissen minimalen Überlappung von Elementen, die während der Herstellung verschmelzen, haften die Brechungselemente typischerweise an der Abdeckschicht der Basisschichtstruktur voneinander getrennt an. Es können jedoch, obwohl diskrete Brechungselemente bevorzugt werden, nicht-diskrete Elemente verwendet werden, wie z. B. die Brechungselemente mit einer Unterlagenschicht verbunden sein. Beispielsweise kann ein Abdeckfilm hergestellt werden, welcher im wesentlichen eine ebene Schicht mit einer Anordnung geeignet geformter Vorsprünge (d. h., Brechungselemente) auf einer Seite aufweist. Dieser Abdeckfilm kann durch jedes zweckdienliche Verfahren hergestellt werden, wie z. B. durch Extrusionsprägung oder durch eine Gieß- und Härtungs-Verarbeitung. Der Abdeckfilm kann auf der Abdeckschicht der Basisschichtstruktur befestigt sein. Die Elemente können im wesentlichen gleich in Größe und Form sein oder in Größe und Form variieren. Die Elemente können ferner in einem geordneten Muster oder zufällig angeordnet sein.
Die gewünschten Eigenschaften der Brechungselemente umfassen ein hohes Maß an Klarheit und eine glänzende kratzbeständige Oberfläche. Die Klarheit der Elemente ist wichtig, damit einfallendes Licht durch das Element hindurch mit minimalem Verlust so übertragen wird, daß ein größter Teil dieses Lichts zu der Quelle retroreflektiert wird. Die Oberfläche des Elementes ist bevorzugt kratzbeständig, so daß es glänzend bleibt und Licht nicht durch Kratzer gestreut wird. Die Elemente weisen bevorzugt eine ausreichende Härte auf, um den einebnenden Auswirkungen des Verkehr zu widerstehen und sollten unter Temperaturen vom 75ºC (170ºF) nicht merklich erweichen. Bevorzugt weisen zumindest einige von den Elementen eine Shore-Härte D von mindestens 45 auf. Zusätzlich dürfen die Elemente unter Verkehrsbelastung bei Temperaturen von -40ºC bis 75ºC (-40ºF bis 170ºF) nicht reißen. Die Elemente kleben bevorzugt auch gut an der retroreflektierenden Basisschichtstruktur und sind bevorzugt ölbeständig, schmutzbeständig und feuchtigkeitsbeständig. Weitere erwünschte oder bevorzugte Eigenschaften der Elemente umfassen wenig Farbanteile, niedrige Kosten, niedriger Schmelzpunkt und niedrige Schmelzviskosität.
Die auf die retroreflektierenden Basisschichtstruktur in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebrachten Brechungselemente können entweder aus Glas, Keramik oder Polymer bestehen.
Zu veranschaulichenden Beispielen von Polymermaterialien, die zur Verwendung als Brechungselemente geeignet sind, zäh len Polycarbonate, Acryle, Polyurethane, Polyvinylchoride und Polyolefin-Copolymere, wie z. B. das aus Ethylenmethacrylsäure (EMAA), Ethylenacrylsäure (EAA) bestehende Polyethylensäure- Copolymer, und jonenvernetztes EMAA oder EAA. Ein bevorzugtes Material ist ein aliphatisches Polyurethan wegen seiner hohen Schlagzähigkeit, Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, Farbklarheit, Abriebsbeständigkeit, und Haftfestigkeit an der bevorzugten Abdeckschicht der Basisschichtstruktur.
Retroreflektierende Basisschichtstrukturen die bei hohen Verarbeitungstemperaturen beschädigt würden, wenn die Elemente direkt darauf ausgebildet würden, können stattdessen auf eine Schichtstruktur laminiert werden, auf welcher die Elemente bereits zuvor aufgebracht wurden. Alternativ können Elementzusammensetzungen mit niedrigen Schmelztemperatureigenschaften in der Weise gewählt werden, daß sie auf der Abdeckschicht ohne sie ungewollt zu verschlechtern ausgebildet und verklebt werden können. Zusätzlich können nicht schmelzende Systeme, wie z. B. härtbare flüssige Monomerzusammensetzungen, beispielsweise Elektronenstrahl- oder Ultraviolettstrahlungs-gehärtete, Lösungsmittel verdampfende Zusammensetzungen, durch Feuchtigkeit härtbare Systeme, und Zwei-Komponenten-reaktive Systeme verwendet werden, wenn dieses gewünscht ist, um die Brechungselemente auszubilden.
Es versteht sich, daß die Brechungselemente jede gewünschte Form im horizontalen Querschnitt, d. h., in der Ebene parallel zu der Oberfläche der Fahrbahnmarkierung, wie z. B. eine ellipsenförmige, halbkreisförmige, längliche, rechteckige, unregelmäßige, regelmäßige, usw. Form annehmen können. In einigen Ausführungsform, in welchen eine optimale Retroreflexionshelligkeit aus allen Richtungen erwünscht ist (z. B. bei einer Fahrbahnmarkierung für Kreuzungen), ist der horizontale Querschnitt der Brechungselemente bevorzugt im wesentlichen kreisförmig.
Typischerweise liegt ein großer Teil jedes Brechungselementes, z. B. mindestens 75%, oft mindestens 85% und häufig im wesentlichen das gesamte Element über der Abdeckschicht frei.
Typischerweise wird es bevorzugt, daß die Brechungselemente eine Höhe in dem Bereich von etwa 0,2 bis etwa 6,0 mm, bevorzugter etwa 1 bis etwa 4 mm und im Durchmesser in dem Bereich von 1 bis 20 mm aufweisen, wenn sie in einem runden horizontalen Querschnitt angeordnet sind. Ferner ist es erwünscht, daß die gemittelte Breite der Brechungselemente an der Basis etwa das 2 bis 5-fache der gemittelten Höhe des Brechungselemente ist. Eine ideale Form der Brechungselemente ist eine Halbkugelform oder ein Prozentsatz davon. Das Element weist bevorzugt einen Kontaktwinkel mit der Basisschichtstruktur zwischen etwa 45º und 135º und bevorzugter zwischen 60º und 110º auf. In solchen Konfigurationen wird Licht mit einem hohem Eintritt durch die Vorderseite gebrochen und tritt in die Basisschichtstruktur ein. Der Begriff "Kontaktwinkel", wie er hierin gebraucht wird, bezieht sich auf den Winkel, der (1) von einem ersten Strahl, der seinen Endpunkt dort hat, wo das Brechungselement auf die Basisschichtstruktur trifft, wobei der Strahl als Tangente an die Oberfläche des Brechungselementes an dem Endpunkt verläuft und (2) einem zweiten Strahl mit demselben Endpunkt, der in der in derselben Ebene wie die Tangentenlinie und in derselben Ebene wie die Oberfläche der Basisschichtstruktur liegt, gebildet wird. Gemäß Darstellung in Fig. 7 bildet das Brechungselement 90 einen Kontaktwinkel θ mit der Oberseite der Basisschichtstruktur 92 an dem Endpunkt P gemäß Definition durch den ersten Strahl A und den zweiten Strahl B.
Eine weitere veranschaulichende Brechungselementform ist ein abgeschnittene Pyramide. Beispielsweise wäre ein Element, das etwa 1 mm hoch ist, eine flache Oberseite von etwa 1 mm im Quadrat und eine Basis von etwa 4 mm im Quadrat aufweist, wobei die Oberseite und Basis so zueinander ausgerichtet oder zentriert sind, so daß die Seiten die Basis in einem Einschlußwinkel (d. h., Kontaktwinkel) von etwa 33,5º schneiden gut für die Anwendung in der Erfindung geeignet. Solche Elemente brechen große Anteile von Licht mit hohem Eintrittswinkel in die Basisschichtstruktur hinein. Im allgemeinen wird es bevorzugt, daß zumindest eine Seite der Pyramide im verti kalen Querschnitt gerade ist und mit der Basisschichtstruktur einen Kontaktwinkel von etwa 30º bis 70º bildet.
Die Brechungselemente können auch einen aufgerauhten Abschnitt aufweisen, der so positioniert ist, daß er die Griffigkeit erhöht. In einigen Fällen kann der aufgerauhte Abschnitt polymerisch sein. Falls gewünscht, kann er zum gleichen Zeitpunkt ausgebildet werden, an dem die Brechungselemente ausgebildet werden. Beispielsweise kann ein Abdeckfilm, der eine Anordnung von Brechungselementen auf einer zusammenhängenden Schichtstruktur aufweist, extrudiert werden, der einen aufgerauhten Abschnitt auf den Elementen enthält. Der geschärfte Abschnitt kann anstelle eines Vorsprungs des das Element bildenden Materials ein Schleuderschutzpartikel sein, der aus dem Element hervorsteht. Schleuderschutzpartikel könnten auch in den Brechungselementen eingebettet sein. Bevorzugt ist der aufgerauhte Abschnitt so nahe wie möglich an der Oberseite der Brechungselemente angeordnet, um die Griffigkeit zu maximieren. Jedoch kann der aufgerauhte Abschnitt überall auf der Oberfläche der Brechungselemente angeordnet sein, sofern er die Griffigkeit erhöht.
Die vertikale Querschnittsform der Brechungselemente, d. h., ein Querschnitt in einer Ebene senkrecht zu der Oberfläche der Basisschichtstruktur sollte mindestens eine (als Vorderseite bezeichnete) Seite aufweisen, die ausreichend geneigt ist, daß das Element Licht mit hohem Eintrittswinkel in die retroreflektierende Basisschichtstruktur hinein bricht. Es sollten jedoch Brechungselemente mit sehr flachen Neigungen d. h., solchen, die einen Kontaktwinkel von weniger als 10º aufweisen, vermieden werden. Diese flachen Neigungen tendieren dazu, das Licht spiegelnd von den Brechungselementen wegzureflektieren. Typischerweise weisen die Elemente ein gerundetes Profil im vertikalen Querschnitt auf.
In einigen Ausführungsformen, wie z. B. in Fig. 5 dargestellt, können die Brechungselemente gerade Kanten in ihrem vertikalen Querschnitt aufweisen. Das Brechungselement 50 auf der Basisschichtstruktur 52 weist eine gerade Vorderseite 54 und eine gerade Rückseite 56 auf. Das auf die Vorderseite 54 einfallende Licht wird von der Seite 54 so gebrochen, daß es in die Basisschichtstruktur 52 eintritt, um retroreflektiert zu werden. Anders als die in der US-A-4 145 112 und US-A-4 236 788 offenbarten Elemente müssen die Vorder- und Rückseiten des Elementes nicht genau zueinander ausgerichtet sein, um eine Retroreflexion zu erreichen. Zusätzlich können, anders als die reflektierend funktionierenden lichtleitenden Elemente, die in diesen Bezugsstellen offenbart sind, die lichtbrechenden Elemente in Artikeln der Erfindung aus relativ flexiblen weniger steifen Materialien hergestellt sein, wodurch sie eine größere Produkthaltbarkeit erzielen. Die in diesen Patenten offenbarten Elemente erfordern, daß eine zweite Seite des Elementes in Verbindung zu der ersten Seite ausgerichtet und von solcher Qualität ist, daß sie Licht in die Basisschichtstruktur reflektiert. Im Gegensatz dazu beruhen die Brechungselemente der Erfindung auf einer Brechung, typischerweise an nur einer (d. h., der vorderen) Seite. Dieses erübrigt die Notwendigkeit die ersten und zweiten Seiten so zu konfigurieren, daß eine Retroreflexion an der zweiten Seite erhalten wird, und erübrigt ferner die Notwendigkeit, daß die zweite Seite von einer Qualität ist, die eine Reflexion ermöglicht, indem sie beispielsweise poliert ist. Die für eine Reflexion erforderliche Qualität ist typischerweise strenger als die für Brechung erforderliche. Schließlich ist von den in diesen Bezugsstellen offenbarten Artikeln nicht bekannt, daß sie Basisschichtstrukturen genutzt haben, die eine Retroreflexion von Licht mit hohem Eintrittswinkeln liefern konnten, wie sie für die Anwendung der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden.
Bevorzugt ist die Form der lichtbrechenden Elemente so, daß ein größerer Anteil des Lichtes der in dem Artikel zwischen etwa 70º und 90º einfällt, so gebrochen wird, daß er in die retroreflektierende Basisschichtstruktur eintritt. Erfindungsgemäß ist die Retroreflexionshelligkeit eines Artikels der Erfindung bei Eintrittswinkeln über 89º, und typisch über 85º, höher als die Retroreflexionshelligkeit der Basisschichtstruktur alleine.
Der Abstand zwischen den Brechungselementen kann gleichmäßig sein, oder die Elemente können in zufälliger Art angeordnet sein. Ein nicht ganz optimaler Abstand der Elemente kann in denjenigen Anwendungen verwendet werden, wo eine optimale Helligkeit nicht erforderlich ist. Dieses Merkmal einer zufälligen Brechungselementplazierung erlaubt eine vereinfachte, weniger teure Herstellung. In der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine gleichmäßige Plazierung in einem spezifischen Muster vorteilhaft sein, da die Elemente an spezifischen Stellen in einer solchen Beziehung zueinander angeordnet werden können, daß jedes Element andere Elemente nicht abschattet. Auf diese Weise wird der größte Teil des einfallenden Lichtes von den Elementen eingefangen, um so die Retroreflexionshelligkeit bei Fahrbahnmarkierungsgeometrien zu optimieren. Beispielsweise können die Brechungselemente in solchen Abständen angeordnet werden, daß sie die Abschattung benachbarter Elemente bei voraussichtlichen Eintrittswinkeln minimieren, und einen größeren Oberflächenkontakt der Fahrzeugreifen mit den Räumen zwischen den lichtbrechenden Elementen ermöglichen, welche hervorstehende Schleuderschutzpartikel enthalten können. Bevorzugt ist der von den Brechungselementen belegte Oberflächenbereich kleiner als 50% der Basisschichtstruktur, um eine maximale Anpassung des erfindungsgemäßen Artikels beispielsweise auf der Straße, einer Leitplanke oder an einer andere Struktur zu ermöglichen. Bevorzugter ist der von den Brechungselementen bedeckte Oberflächenbereich kleiner weniger als 25%.
Der die Brechungselemente enthaltende Artikel kann durch Anwendung einer Schutzbeschichtung geschützt werden. Eine derartige Beschichtung hat den Vorteil, daß sie eine Abriebs- und/oder Schmutz-Beständigkeit bereitstellt. Zu veranschaulichenden Beispielen einer Schutzschicht zählen, sind aber nicht darauf eingeschränkt, Ceramer-Beschichtungen oder vernetzte auf Wasser basierende Polyurethan-Beschichtungen.
Der Begriff "Ceramer", wie er hierin gebraucht wird, bezieht sich auf ein Fluid, das oberflächenmodifizierte kolloidale Siliziumdioxidpartikel aufweist, die in einer polymerisierbaren organischen Flüssigkeit mit freien Radikalen dispergiert sind. Zu Vorteilen der Beschichtung zählen die Fähigkeit Außenbedingungen mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Licht und Hitze zu widerstehen; Abriebsbeständigkeit; Beständigkeit gegen chemischen Angriff und Verfärbung durch Automotoröl und Kohlenstoffschwärze (Kohlenstoffschwärze von Reifen); gewünschte optische Eigenschaften wie z. B. Transparenz; gute Haftung an den Brechungselementen; und eine gute Flexibilität. In einem ersten Schritt wird eine Ceramer-Vorlaufbeschichtungszusammensetzung auf die Oberfläche des retroreflektierenden Artikels aufgebracht, bevorzugt einschließlich der Oberfläche der Brechungselemente und der Abschnitte der Basisschichtstruktur, die nicht von Brechungselementen bedeckt sind. Die Beschichtungszusammensetzung weist etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Ethylen-ungesättigte Monomere; etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Acrylat-funktionalisiertes kolloidales Siliziumdioxid; und etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% von N,N-doppelsubstituiertes Acrylamidmonomer oder N-substituiertes-N-Vinyl-Amidmomnomer auf, wobei die Prozentangaben Gewichtsprozent (Gew.-%) des Gesamtgewichts der Beschichtung sind. Die Beschichtung wird dann gehärtet, um einen retroreflektierenden Artikel mit einer abriebbeständigen, lichtdurchlässigen Ceramer-Beschichtung zu erzeugen. Die Ceramer-Zusammensetzung kann mittels irgendeines von einer Anzahl im Fachgebiet bekannter Verfahren, einschließlich Sprühen, Rollen, Tauchbeschichten, Spachtelbeschichten, aufgebracht werden. Die WO-A-96/36669 offenbart die Anwendung von Ceramer bei Fahrbahnmarkierungen und retroreflektierenden Schichtstrukturen.
Ein veranschaulichendes Beispiel einer vernetzten auf Wasser basierenden Polyurethan-Schutzbeschichtung, die zur Anwendung in der Erfindung geeignet ist, weist ein Polyurethanharz der Marke NEOREZ R-960 vernetzt mit einem Vernetzungsmittel der Marke CX100 (beide von Zeneca Resins, Wilmington, Massachusetts erhältlich) auf. Wie es für den Fachmann auf diesem Gebiet selbstverständlich sein wird, können auch andere auf Wasser basierende Systeme und Vernetzungsmittel bei der Formulierung einer Schutzschicht verwendet werden.

IV. Herstellungsverfahren

Ein erstes Verfahren der Erfindung umfaßt: (1) Bereitstellen einer retroreflektierenden Basisschichtstruktur, die eine Anordnung retroreflektierenden Elemente und eine Deckschicht aufweist; (2) Verkleben oder Ausbilden einer Anordnung von Brechungselementen auf der Abdeckschicht, wobei die Brechungselemente bezogen auf die Basisschichtstruktur so angeordnet werden, daß auf die Anordnung in einem hohen Eintrittswinkel einfallendes Licht so gebrochen wird, daß es in die Basisschichtstruktur übertragen wird, von der Basisschichtstruktur retroreflektiert, und von den Brechungselementen weiter gebrochen wird, so daß es von dem Artikel retroreflektiert wird.
In einem typischen Herstellungsprozeß zur Herstellung einer Fahrbahnmarkierung könnte eine Basisschichtstruktur (z. B. die reflektierende Kennzeichen-Schichtstrucktur Nr. 3750 der Marke 3M SCOTCHLITE auf eine Aluminiumanpassungsschicht aufgebracht werden. Anschließend würden Brechungselemente auf die Abdeckschicht der Basisschichtstruktur befestigt werden.
Es können mehrere Verfahren angewendet werden, um die Brechungselemente an der Basisschichtstruktur zu befestigen. Beispielsweise können dann, wenn die Brechungselemente vorgeformt sind, diese einfach einzeln mit der Vorderseite der Abdeckschicht der Basisschichtstruktur beispielsweise mittels Lamination unter Hitze und Druck, mittels Kleber usw. verbunden werden. Alternativ kann ein Anordnung von Brechungselementen als Vorsprünge auf einem Überzug mit einem Oberflächenfilm ausgebildet werden, um einen Abdeckfilm beispielsweise durch Anwendung eines Extrusionsprägeprozesses zu er zeugen. Dieser Abdeckfilm kann auf die Abdeckschicht des Basisschichtstruktur laminiert werden.
In einigen Fällen, wie z. B. dort, wo die Brechungselemente aus thermoplastischem Harz hergestellt werden, werden geeignet bemessene Harzpartikel auf die Vorderseite der Abdeckschicht beispielsweise durch Berieselung oder Bestreuung usw. aufgebracht werden. Anschließend wird ausreichend Hitze für eine ausreichende Zeit aufgebracht, um die Harzpartikel zu veranlassen sich zu verformen und in eine gerundete Form zu fließen und sich mit der Abdeckschicht zu verbinden. In solchen Fällen sind die Abdeckschicht und die Brechungselemente so beschaffen, daß sich eine gute Bindung zwischen diesen entwickelt, wenn Hitze aufgebracht wird. Typischerweise bevorzugt man es, daß diese Thermoplaste aus einer ähnlichen Polymerfamilie sind. Falls gewünscht, könnte die Abdeckschicht einen Oberflächenfilm aufweisen, der so gewählt ist, daß er aus einer ähnlichen Polymerfamilie wie die der thermoplastischen Harzpartikel stammt.
Bei dem Herstellungsprozeß ist es typisch, Schleuderschutzpartikel, wenn sie verwendet werden, zur selben Zeit hinzuzufügen, bei der die Brechungselemente an der Basisschichtstruktur befestigt werden. Auch Färbungsmittel, wie z. B. Farbstoffe und/oder Pigmente können zu einem geeigneten Zeitpunkt während des Herstellungsprozesses abhängig davon, wo in dem Artikel ein Färbungsmittel erwünscht ist, eingeführt werden.
Komponenten des erfindungsgemäßen Artikels, die unterhalb der retroreflektierenden Basisschichtstruktur liegen, werden bevorzugt passend zu der gewünschten Anwendung ausgewählt. Beispielsweise verleiht ein Klebergeflecht (d. h., ein Polymergeflecht, das mit einem Kleber gesättigt wurde) den retroreflektierenden Artikeln eine zusätzliche Festigkeit sowie auch ausgewählte Klebeeigenschaften. Geeignete Anpassungsschichten, Kleberschichten, Verstärkungsschichten, usw. können ohne weiteres von einem Fachmann auf diesem Gebiet ausgewählt werden.
Die endgültige Form von Polymerbrechungselementen variiert abhängig von (1) den Verarbeitungsbedingungen (2) den ursprünglichen Formen der Elemente, (3) den Schmelzeigenschaften des Polymers, und (4) von der Abdeckschicht der retroreflektierenden Basisschichtstruktur. Die Brechungselemente können abhängig von ihren Ausgangsformen und den anschließenden Verarbeitungsbedingungen zufällig geformt oder relativ gleichmäßig sein.
Fig. 6 stellt das vertikale Querschnittsprofil von drei Brechungselementen 43, 44 und 46 auf der Vorder- oder Hauptoberfläche 48 der Abdeckschicht der retroreflektierenden Basisschichtstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Brechungselemente der Erfindung sind unabhängig davon, ob sie Glas, Keramik oder ein Polymer sind, keine Kugeln, sondern nur ein Abschnitt davon. Der Abschnitt des Elementes 42 über der Oberfläche 48 ist nahezu eine vollständige Kugel. Das Element 42 ist beispielsweise ein Brechungselement, das teilweise in der Abdeckschicht der Basisschichtstruktur eingebettet oder ein teilweise geschmolzenes thermoplastisches Harz. Das Element 44 ist eine Halbkugel; d. h., es ist ein Brechungselement, das tiefer in der Abdeckschicht der Basisschichtstruktur eingebettet ist, oder ein stärker geschmolzenes thermoplastisches Harz. Das Element 46 ist relativ flach; d. h., es ist ein thermoplastisches Material, das über eine übermäßige Zeitdauer erwärmt wurde.
Bevorzugt liegt der zwischen der Kante des Brechungselementes und der Oberfläche der Basisschichtstruktur unterhalb der Basis des Brechungselementes ausgebildete Kontaktwinkel zwischen etwa 60º und etwa 110º. Elemente, welche die Basisschichtstruktur mit größeren Kontaktwinkeln berühren, stellen Zwischenräume dar, die wahrscheinlicher Schmutzablagerungen zurückhalten, welche das optische Verhalten verschlechtern. Größere Kontaktwinkel bewirken auch, daß Brechungselemente weniger sicher mit der Basisschichtstruktur verbunden sind. Brechungselemente, welche mit der Basisschichtstruktur einen kleinen Kontaktwinkel bilden, tendieren jedoch dazu, das ein fallende Licht spiegelnd zu reflektieren, statt es in die Basisschichtstruktur hinein zu brechen, so daß es retroreflektiert wird. Ferner tendieren Brechungselemente mit kleineren Kontaktwinkeln dazu, eine niedrigere Höhe aufzuweisen, was ihr Lichtsammelvermögen verschlechtert.
Brechungselemente von den Artikeln der Erfindung weisen typischerweise ein vertikales Querschnittsprofil wie das des Elements 44 auf, d. h., im wesentlichen das einer Halbkugel. Die Form des Brechungselementes ist bevorzugt so, daß ein größerer Anteil des einfallenden Lichtes so gebrochen wird, daß es in die Basisschichtstruktur eintritt.
Elemente mit vertikalen Querschnittsprofilen wie denen des Elementes 42 neigen mehr dazu, einer Schmutz- oder Staubansammlung zu unterliegen, was zu einer verringerten Retroreflexionshelligkeit führt. Ferner können solche gerundeten Elemente mehr einem Abspringen von der retroreflektierenden Basisschichtstruktur unterworfen sein, da ein geringerer Oberflächenbereich des Brechungselementes mit der Basisschichtstruktur in Kontakt steht. Brechungselemente wie das Element 42 werden durch die Anwendung relativ kurzer Ofenzeiten und/oder relativ niedriger Ofentemperaturen in der Weise ausgebildet, daß die thermoplastischen Elemente nicht so stark fließen und sich verflachen. Es dürfte jedoch klar erkennbar sein, daß retroreflektierende Artikel der Erfindung mit Brechungselementen, welche solche Formen aufweisen, für vertikale Anwendungen, wie z. B. an den Seiten von Verkehrsbarrieren ausreichend sind, wo Beanspruchungen (im Vergleich zu Fahrbahnmarkierungen, welche überfahren werden) nicht wahrscheinlich sind, und wo Regen tendenziell eine Reinigungswirkung erzeugt.
Das Element 46 veranschaulicht ein thermoplastisches Element, das für längere Zeit und/oder auf höhere Temperaturen erwärmt wurde, was das Element flacher machte. Solche flachen Elemente haften an der retroreflektierenden Basisschichtstruktur stärker als ein gerundeteres Element, können aber abhängig von dem vertikalen Profil der Vorderkante weni ger brechend sein, so daß sie den resultierenden Artikel bei hohen Eintrittswinkeln weniger reflektiv machen. Die runderen Elemente, wie z. B. das Element 44 führen zu einer höheren Retroreflexion, da das Licht in einem stärkeren Maße gebrochen wird. Es liegt eine höhere herausragende Fläche für den Einfang von Licht vor, und es wird typischerweise weniger einfallendes Licht von der Fläche weg gestreut oder reflektiert.
Wenn Polymerelemente in zufälliger Art aufgebracht, und anschließend erhitzt werden, können einige Elemente bei der Erhitzung zusammenfließen. Obwohl das resultierende Element eine niedrigere Reflexion als zwei einzelne Elemente aufweist, liegt im allgemeinen immer noch eine signifikante Reflexion des nun ellipsenförmigen Elements vor. Eine maximale Reflexion von einem ellipsenförmigen Element wird erhalten, wenn das Element quer zum Straßenverkehr ausgerichtet ist.

V. Färbungsmittel

Zahlreiche Verfahren können für das Zusetzen von Färbungsmitteln zu einem bestimmten Abschnitt des retroreflektierenden Artikels angewendet werden. Bei Fahrbahnmarkierungsanwendungen zählen zu veranschaulichenden Beispielen erwünschter Färbungsmittel unter anderem weiße, gelbe, rote und blaue Farben. Die Färbungsmittel können nach Wunsch lichtdurchlässig oder opak sein.
Typischerweise ist das Färbungsmittel, wenn innerhalb des optischen Pfades angeordnet ist, bevorzugt lichtdurchlässig, so daß das Retroreflexionsverhalten nicht unerwünscht verringert wird. Es dürfte jedoch klar erkennbar sein, daß es in einigen Fällen erwünscht sein kann, ein an einer Stelle angeordnetes opakes Färbungsmittel zu verwenden, das die Retroreflexionshelligkeit reduziert, und gleichzeitig einen anderen erwünschten Effekt, wie z. B. eine brillantere Gesamtfarbe oder brillanteres Aussehen erzeugt.
Lichtdurchlässige Färbungsmittel können sowohl die Tageszeit- als auch die Nachtzeitfarbe des erfindungsgemäßen Artikels verbessern. In Fahrbahnmarkierungsanwendungen sowie in anderen ist es wichtig, daß ein Fahrer zwischen gefärbten Markierungen, z. B. zwischen gelben und weißen Markierungen unterscheidet. Eine Möglichkeit, um eine Nachtzeitfarbe zu erhalten, beinhaltet die Anordnung eines lichtdurchlässigen gefärbten Materials in dem optischen Pfad.
Bei dem ersten Lösungsweg wird Farbe durch Verwendung einer gefärbten Basisschichtstruktur erzielt. Beispielsweise kann in Fig. 42 die lichtdurchlässige Matrix 65 mit der gewünschten Farbe, wie z. B. Gelb hergestellt werden. In einer Schichtstruktur des würfeleckigen Typs mit eingekapselter Optik können die Würfelecken selbst gefärbt werden. Ein weiterer Lösungsweg ist die Verwendung eines lichtdurchlässig gefärbten Oberflächenfilms. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Artikel mit einem lichtdurchlässigen, gelb, rot oder blau gefärbten Oberflächenfilm hergestellt werden. Es können auch gefärbte Brechungselemente verwendet werden. Wenn ein lichtdurchlässig gefärbter Oberflächenfilm in Verbindung mit lichtdurchlässig gefärbten Brechungselementen verwendet wird, ergibt sich ein sehr effektiv gefärbter retroreflektierender Artikel. Alternativ kann eine lichtdurchlässige gefärbte Schicht auf die Abdeckschicht der Basisschichtstruktur aufgedruckt werden. Ein farbloser Oberflächenfilm könnte auf der Oberseite der bedruckten Basisschichtstruktur aufgebracht werden. Dieser Lösungsweg hat den Vorteil einer Abdeckung der gefärbten Schicht, um deren Dauerbeständigkeit zu verbessern. Das Bedrucken erlaubt auch das Hinzufügen mehrerer Farbschichten in einem Muster, um gewünschte Symbole oder Zeichen zu erzeugen.
Opake Färbungsmittel werden hauptsächlich dazu verwendet, die Tageszeitfarbe des erfindungsgemäßen Artikels zu verbessern, und liegen bevorzugt außerhalb des optischen Pfades, um so die unerwünschten Reduzierungen in dem Retroreflexionsverhalten zu begrenzen. Somit kann eine Basisschichtstruktur, die am Anfang wegen der Aluminiumreflexionsschicht grau gefärbt ist, auf eine gewünschte Farbe durch das Hinzufügen eines opaken Färbungsmittels verändert werden. Beispielsweise würde ein Lösungsweg zur Herstellung eines weißeren Artikels das Aufbringen weißer opaker Segmente auf die Basisschichtstruktur mit den lichtbrechenden Elementen beinhalten. Obwohl diese speziellen Segmente einfallendes Licht nicht retroreflektieren, erhöhen sie die Weiße der Schichtstruktur, wenn sie in kleinen Mengen angewendet werden. Beispielsweise können Pellets eines weiß pigmentierten Harzes (vielleicht desselben Harzes, das bei den lichtbrechenden Elementen verwendet wird) auf die Oberfläche der Basisschichtstruktur zwischen den lichtbrechenden Elementen aufgebracht werden und so erwärmt werden, daß ihr Schmelzen und Anhaften an der Basisschichtstruktur bewirkt wird.
Alternativ könnten gefärbte Segmente mit der gewünschten Farbe auf einige Abschnitte der lichtbrechenden Elemente sowie auf die Basisschichtstruktur aufgebracht werden, wenn auch mit einer gewissen Reduzierung in der Retroreflexionsantwort. Beispielsweise kann ein Verfahren zur Herstellung eines gefärbten retroreflektierenden Artikels die nachstehenden Schritte aufweisen: (1) Bereitstellen einer retroreflektierenden Basisschichtstruktur, welche eine Anordnung von retroreflektierenden Elementen und eine Abdeckschicht besitzt; (2) Laminieren einer Anpassungsschicht auf die Unterseite der Basisschicht, (3) Aufkleben einer Anordnung von Brechungselementen auf die Abdeckschicht des Basisschichtstruktur, (4) Stauchen der Brechungselemente, um eine relativ ebene Oberseite zu erhalten, (5) Aufbringen einer gefärbten Schicht auf die Oberseite, und (6) Prägen der Basisschichtstruktur in der Weise, daß die Brechungselemente aus der Basisschichtstruktur herausragen.
Der Begriff "Stauchung", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf das Rückgängigmachen einer Prägung, d. h., darauf, eine texturierte Oberfläche wieder relativ eben zu machen. Wie hierin angewendet, werden Brechungselemente, die ursprünglich aus der Oberseite der Basisschichtstruktur herausragen, nach unten gedrückt, so daß sie relativ auf eine Ebene mit der retroreflektierenden Schichtstruktur kommen.
Eine Möglichkeit zur Stauchung beinhaltet, das Durchführen der Basisschichtstruktur mit ihrer befestigten Anpassungsschicht und den Brechungselementen durch einen Walzensatz. Beispielsweise kämen die Brechungselemente mit einer Stahlwalze in Kontakt, während die Anpassungsschicht mit einer Gummiwalze in Kontakt käme, die sich unter Laminierungsdruck verformen kann. Es wird Druck aufgewendet, um die Brechungselemente nach unten in die Anpassungsschicht zu drücken. Es ist nicht erforderlich, daß die Oberseite der Schichtstruktur nach der Stauchung perfekt glatt ist. Eine gewisse Oberflächentopographie ist zulässig. Bevorzugt ist die sich ergebende Oberfläche der Basisschichtstruktur so bündig mit den Brechungselementen wie nur möglich. Nach der Stauchung wird eine gefärbte Schicht auf Abschnitte der Basisschichtstruktur, auf Abschnitte der Brechungselemente, und auf die Schleuderschutzpartikel, falls vorhanden, mittels eines beliebigen zweckdienlichen Verfahrens aufgebracht.
Eine opak gefärbte Schicht kann ebenfalls auf ausgewählte Abschnitte der Basisschichtstruktur übertragen werden, bevor dieser Brechungselemente hinzugefügt werden. Ein Verfahren zur Herstellung eines gefärbten retroreflektierenden Artikels weist beispielsweise die nachstehenden Schritte auf: (1) Bereitstellen einer retroreflektierenden Basisschichtstruktur mit einer Anordnung reflektierender Elemente und einer thermoplastischen Abdeckschicht, (2) Aufbringen eines nicht zusammenhängenden warmhärtenden Polymers auf der Abdeckschicht in einem regelmäßigen Muster, um eine teilweise bedruckte Basisschichtstruktur zu erzeugen, (3) Erwärmen der teilweise bedruckten Basisschichtstruktur, um die Abdeckschicht zu erweichen, (4) Abscheiden von Brechungselementen auf die teilweise bedruckte Basisschichtstruktur während die Abdeckschicht erweicht ist und in der Weise, daß die Brechungselemente selektiv daran anhaften können, (5) Schmelzen der Brechungselemente, und (6) Kühlen. Abschnitte des warmhärtenden Polymers können eine Farbe nach Wunsch enthalten. Beispielsweise könnte in einer Ausführungsform die gesamte Fläche der Basisschichtstruktur mit einer warmhärtenden gefärbten Schicht mit Ausnahme von Bereichen unterhalb der Brechungselemente, d. h., dort wo sie mit der Abdeckschicht verbunden sind, bedruckt werden. In einer weiteren Ausführungsform könnte ein lichtdurchlässiges warmhärtendes Polymer so aufgedruckt werden, daß es die Brechungselemente in einem definierten Radius umschließt. Der Rest der Schichtstruktur könnte mit einem anders gefärbten warmhärtenden Polymer, beispielsweise mit einem weißen, bedruckt werden. Die Bereiche unmittelbar unterhalb der Brechungselemente würden unbedruckt bleiben. Da es für einen Lichtstrahl möglich ist, in die Basisschichtstruktur außerhalb der Basis der Brechungselemente einzutreten, würde es der Bereich des lichtdurchlässigen Polymers, der die Brechungselemente umgibt, immer noch ermöglichen, daß der Lichtstrahl in die Basisschichtstruktur eintritt und von der Basisschichtstruktur retroreflektiert wird. Dieses gleiche Verfahren hat den Vorteil der Plazierung der Brechungselemente in geordneter Weise und dadurch einer Erhöhung der optischen Effizienz unter gleichzeitiger Minimierung der zur Kosteneffizienz verwendeten Menge von Brechungselementen.
Die Zusammensetzung der gefärbten Schicht, falls vorhanden, sollte gegen Lösungsmittel, Verkehrsverschleiß und Ultraviolettlicht beständig sein. Ein Beispiel einer Färbungsmittellösung weist 78 Gew.-% auf Wasser basierendes Urethanharz der Marke NEOREZ R960 (von Zeneka Resins in Wilmington in Massachusetts) 19 Gew.-% Titandioxiddispersion der Marke WW3000 (von Heucotech Ltd., Fairless Hills, Pennsylvania) und 3 Gew.-% Vernetzungsmittel CX100 (von Zeneka Resins in Wilmington, Massachusetts) auf. Für den Fachmann auf diesem Gebiet dürfte es offensichtlich sein, daß auch andere gefärbte Schichtzusammensetzungen verwendet werden können.
Für den Fachmann auf diesem Gebiet dürfte es auch offensichtlich sein, eine Kombination von opaken und lichtdurchlässigen Färbungsmitteln zu verwenden. Beispielsweise könnten in dem optischen Pfad liegende lichtdurchlässig gefärbte Brechungselemente mit einer außerhalb des optischen Pfades lie genden opak gefärbten Schicht verwendet werden. Auf diese Weise hätte ein Artikel effektive Tageszeit- und Nachtzeitfarben. Somit könnte jede vorstehenden Kombinationen lichtundurchlässig und opak gefärbter Systeme verwendet werden.

VI. Schleuderschutzartikel

Schleuderschutzpartikel sind eine übliche Komponente vieler Fahrbahnmarkierungsartikel, um die Griffigkeit der Fahrbahnmarkierung zu verbessern und wurden im Fachgebiet bereits extensiv genutzt. Sie können überall auf der Oberfläche des Artikels angeordnet werden, wo ein Kontakt mit den Reifen der Fahrzeuge besteht.
Typischerweise können Schleuderschutzpartikel über den Abdeckfilm der Basisschichtstruktur zufällig verteilt werden, während dieser sich in einem aufgeweichten Zustand befindet. Sie können auch beliebig auf Brechungselementen als ein aufgerauhter Abschnitt plaziert werden. Es hat sich herausgestellt, daß Schleuderschutzpartikel bevorzugt nahe an dem Scheitelpunkt der Brechungselemente angeordnet werden können. Beispielsweise könnte eine Bahn einer Basisschichtstruktur mit Brechungselementen darauf mittels Kuß-Beschichtung mit einem Binder beschichtet werden. Kuß-Beschichtung bezeichnet ein Beschichtungsverfahren, bei welchem eine Zusammensetzung erwünscht nur auf die oberen Abschnitte der Brechungselemente beschichtet wird; d. h., daß der Lösung nur erlaubt wird, die obersten Stellen der Brechungselemente zu "küssen". Dieser Prozeß erfolgt, indem die Spalte zwischen den Beschichtungswalzen kontrolliert und die Bahn so gehalten wird, daß nur den Spitzen der Brechungselemente ermöglicht wird, die Beschichtungszusammensetzung zu berühren. Solange die Zusammensetzung feucht ist, werden reichliche Mengen Schleuderschutzpartikel auf die Bahn gestreut. Da der Rest der retroreflektierenden Schichtstruktur trocken ist, haften die Partikel nur an den feuchten Bereichen an überschüssige Schleuderschutzpartikel werden von der Bahn abgeschüttelt. Anschließend wird die Bahn durch eine Reihe von Öfen geschickt, um die feuchte Binderzusammensetzung zu trocknen, härten oder verfestigen. Demzufolge werden die Schleuderschutzpartikel auf den obersten Bereichen der Brechungselemente befestigt, und ergeben dadurch eine Griffigkeit.

VII. Anwendungen

Retroreflektierende Artikel der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft in einer Anzahl unterschiedlicher Anwendungen verwendet werden, wo Licht bei hohen Eintrittswinkeln einfällt. Insbesondere sind die Artikel gut für die Anwendung als Fahrbahnmarkierung oder horizontale Verkehrszeichen geeignet. Wegen ihrer hohen Retroreflexion sowohl bei hohen als auch niedrigen Eintrittswinkeln sind die Artikel auch für vertikale Anwendungen wie z. B. auf Jersey-Barrieren oder Leitplanken; für gekrümmte Oberflächenanwendungen wie Verkehrsinseln, Rohre und Kegel; für Fahrzeugoberflächen; und für andere Anwendungen geeignet, wo der herausragende effektive Eintrittswinkelbereich des Artikels vorteilhaft ist. Beispielsweise können viele Ausführungsformen der Schichtstruktur der Erfindung eine effektive Retroreflexion über alle Eintrittswinkel von 0º bis nahezu 90º bereitstellen. Demzufolge kann dann, wenn die Schichtstruktur um ein Objekt wie z. B. um einen Telefonmast oder eine Tonne gewickelt wird, die gesamte Oberfläche der Schichtstruktur, welche innerhalb der Sichtlinie liegt, eine effektive Retroreflexion einschließlich derjenigen Abschnitte auf der Oberfläche des Artikels erzeugen, die von dem Betrachter weggekrümmt sind. Dieses erhöht die effektive retroreflektierende Fläche, was eine besser sichtbare Markierung ergibt, und dadurch die Sicherheit erhöht. Zusätzlich kann eine Einzelmarkierung, wie z. B. ein Streifen auf einer Leitplanke, Jersey-Barriere oder Wand, die parallel zu einer ersten Straße und rechtwinklig zu einer zweiten Straße, welche die erste Straße kreuzt, auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Straße von der zweiten Straße aus gesehen angeordnet ist, eine sehr helle und effektive Retroreflexionsreaktion erzeugen, die für Fahrer von Fahrzeugen sowohl auf der ersten als auch der zweiten Straße sichtbar ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der retroreflektierende Artikel aus vielen Richtungen sichtbar ist. Dieses All-Richtungs-Merkmal macht die Erfindung insbesondere für horizontale Kennzeichnungsanwendungen, Kreuzungsmarkierungen usw., wo sich Fahrzeuge aus einer Anzahl von Winkeln annähern können, gut geeignet.
Die leichte Färbungsmöglichkeit dieser Schichtstruktur macht sie auch besonders nützlich für horizontale Verkehrszeichen. Transparente Farbschichten können in einem graphischen Muster auf die Schichtstruktur aufgedruckt werden, so daß das retroreflektierte Licht nahezu dieselbe Färbung und das Muster aufweist, wie es unter Tageslicht-Sichtbedingungen zu sehen ist. Eine derartige Bedruckung ist insbesondere nützlich, wenn die Farbe unterhalb des Oberflächenfilms aufgedruckt ist, so daß sie vor Straßenabrieb sowohl durch die Brechungselemente als auch durch die zusammenhängende transparente feste Abdeckung geschützt ist. Dieses Merkmal ist besonders wichtig, da üblicherweise verwendete Farben dünn sind, und somit schnell vom Straßenverkehr verschlissen werden können, wenn sie offen liegen.
Das Material der Erfindung kann auf sich selbst in Rollenform aufgewickelt werden. Die von den Elementen erzeugten Vorsprünge sind nicht erheblich genug, um das Aufwickeln stören.

VIII. Beispiele

Die Erfindung wird nun weiter anhand der nachstehenden Beispiele erläutert, welche aber nicht als Einschränkung gedacht sind.

Naß-Retroreflexion

Die Naß-Retroreflexion der reflektierenden Schichtstrukturen wurde mittels eines LTL 2000 (erhältlich von Delta Light & Optics, Lyngly, Dänemark) gemessen, welches die Retroreflexionshelligkeit bei einem Eintrittswinkel von 88,76º und einem Betrachtungswinkel von 1,05º mißt. Eine derartige Konfiguration ist ähnlich der, welche von einem Fahrer eines durchschnittlichen Automobils in 30 m Entfernung von der reflektierenden Fahrbahnmarkierung erfahren wird. Die Schichtstruktur wurde zuerst horizontal in dem Testbereich ausgelegt, und dann mit einer Lösung von Leitungswasser und 0,1 Gew.-% Geschirrspülmittel der Marke AJAX geflutet. Der Lösung wurde ermöglicht, abzulaufen, und die Helligkeitsmessungen wurden innerhalb von ungefähr 10 Sekunden durchgeführt. Das Spülmittel wird dem Wasser zugesetzt, um die Oberflächenbenetzbarkeit der Schichtstruktur zu erhöhen. Das Spülmittel simuliert auch besser die Auswirkung von Regen nachdem sich die retroreflektierende Fahrbahnmarkierung für einige Zeit auf der Straße befunden hat, wenn sie einer erhöhten Benetzbarkeit aufgrund der Wirkungen von Sonne, Abriebsschmutz und Sand und Schmutzansammlungen ausgesetzt war.

Messung der Retroreflexionshelligkeit

Die Messungen der Retroreflexionshelligkeit einiger Proben wurde gemäß ASTM D 4061-94 ausgeführt. Es wurde eine intrinsische Geometrie gemäß Beschreibung in ASTM E 808-94 verwendet. Der Darstellungswinkel wurde konstant auf 0º gehalten; der Ausrichtungswinkel wurde auf -180º gehalten.
Die Retroreflexionshelligkeit einiger Proben in Millicandela/m²/ Lux, d. h., der Koeffizient der retroreflektierenden Luminanz, R L, wurde bei Eintrittswinkeln und Betrachtungswinkeln gemessen, die vier unterschiedlichen Betrachtungsabständen für den Fahrer eines Automobils 1989 Pontiac Bonneville entsprechen, wie folgt gemessen:

Farbmessungen

CAP Y ist eine colormetrische Messung der Schichtstruktur-Weiße. Die CAP Y Werte wurden mittels eines Hunter Spektrophotometers (Hunter MiniScan XE) gemäß ASTM E 97-77 gemessen.

Griffigkeitsmssungen

Die Griffigkeit ist ein Maß für die Tendenz eines Reifens auf der Schichtstruktur zu gleiten. Diese Griffigkeit wird nach ASTM E 303 gemessen.

Beispiel 1

MORTHANE PN3429-215, ein thermoplastisches, aliphatisches Polyesterpolyurethanharz (erhältlich von Morton International, Seabrook, New Hampshire) wurde auf einen Polyethylenterephthalat-(PET)-Träger unter Anwendung eines Einschnecken- Extruders und einer Filmdüse unter Standard-Extrusionsbedingungen extrudiert. Diese Extrusion ergab einen 50 wu (2 mil) dicken Urethanoberflächenfilm.
Eine QI 4820 der Marke Q-THANE von K. J. Quinn & Comp., Inc. enthaltende Primerlösung wurde auf etwa 200cps mit einem Toluol-Butanol-Gemisch (50/50 Gew.-%) verdünnt. Die verdünnte Primerlösung wurde auf die Oberseite einer Basisschichtstruktur mit hohem Winkelbereich, eine Kennzeichen-Basisschichtstruktur Nr. 3750 der Marke 3M SCOTCHLITE (erhältlich von 3M Company, St. Paul, Minnesota) unter Anwendung herkömmlicher Tiefdrucktechniken mit einer 150-Linie Tiefdruckwalze beschichtet. Die Schichtstruktur kam auf eine Silikonpapier- Ablöseschicht. Die Lösung wurde eine Reihe von auf 66ºC bis 121ºC (150ºF bis 250ºF) aufgeheizte Öfen hindurch bei einer Geschwindigkeit von etwa 9,1 m/min. (30 feet/min) getrocknet wurde.
Unter Anwendung einer beheizten Heißtrommel und einer gummibeschichteten Andruckwalze wurde der Polyurethanfilm mit seinem PET-Träger auf die mit dem Primer vorbereitete Oberfläche der Basisschichtstruktur mit hohem Winkelbereich lami niert. Die Andruckwalze arbeitete bei 6,1 m/min (20 feet/min) bei einem Druck von 19 kg pro cm Breite und bei einer Temperatur von 150ºC (300ºF).
Der PET-Träger wurde dann von dem Polyurethanfilm abgezogen. Die Silikonpapier-Ablöseschicht wurde unter Freilegung des Klebers von der Basisschichtstruktur mit dem hohem Winkelbereich abgezogen. Eine Anpassungsschicht aus einer 75 um (3 mil) dicken einmal gewalzten Aluminiumfolie Nr. 1145-0 (erhältlich von A. J. Oster Foils Inc.) wurde auf die freiliegende Kleberschicht laminiert, um ein zusammengesetzte Schichtstruktur zu erzeugen.
Diese zusammengesetzte Schichtstruktur wurde mit der Folienseite nach unten in einen Konvektionsofen bei 225ºC (440ºF) mit zirkulierender Luft gebracht. Nach 15 Sekunden wurde der Ofen geöffnet und Pellets L425.91 der Marke MORTHANE, ein thermoplastisches Polyurethan (erhältlich von Morton) auf die Oberfläche der Schichtstruktur gestreut. Der Ofen wurde dann wieder geschlossen, und die Schichtstruktur mit den Pellets durfte sich über 5 Minuten erwärmen. Die Pellet-beschichtete Schichtstruktur wurden dann aus dem Ofen entnommen und bei Raumtemperatur für eine Minute gekühlt.
Die thermoplastischen Pellets, welche annähernd eine gleichmäßige Größe aufwiesen, wurden zufällig auf die zusammengesetzte Schichtstruktur aufgebracht. Die Pellets wurden sparsam aufgebracht, um so die Abschattung eines Pellets durch ein anderes zu minimieren, aber dicht genug, daß sich starke retroreflektierende Eigenschaften ergaben. Das Beschichtungsgewicht der Pellets betrug etwa 300 Gramm pro Quadratmeter Schichtstruktur oder etwa 13000 Pellets pro Quadratmeter Schichtstruktur. Die Pellets wiesen am Anfang eine ellipsenförmige Form mit größeren und kleineren Achsen von etwa 4,5 mm bzw. 3 mm auf. Mit fortschreitender Erwärmung verflachte sich die Bodenfläche der Pellets. Die freiliegenden Abschnitte der Pellets wurde abgerundet oder kugelig. Die sich ergebenden Brechungselemente waren etwa 4,5 mm hoch und etwa 5 mm breit.
Die Folienseite dieser zusammengesetzten Schichtstruktur wurde dann auf einen auf Gummi basierenden druckempfindlichen Kleber, der zur Verklebung auf Asphalt oder Beton geeignet ist, auflaminiert, um einen retroreflektierenden Artikel zu erzeugen. Der retroreflektierende Artikel wurde auf eine Aluminiumtestplatte für eine Retroreflexionsanalyse auflaminiert.
Die Tabelle 1 vergleicht das Retroreflexionsverhalten bei allen Eintrittswinkeln der reflektierenden Kennzeichen- Schichtstruktur Nr. 3750 der Marke 3M SCOTCHLITE vor jeder Bearbeitung und nachdem das resultierende Beispiel gemäß Vorstehender Beschreibung hergestellt war. Die Helligkeitsmessungen wurden bei einem Betrachtungswinkel von 1,0º vorgenommen. Die Helligkeit ist in Millicandela/m²/lux, d. h., als der Koeffizient der retroreflektierenden Luminanz RL eingetragen. Tabelle 1: Retroreflexionshelligkeitsmessungen bei 1,0º Betrachtungswinkel gemäß ASTM D-4061-94
Wie die Tabelle 1 zeigt, wurde die Helligkeit des erfindungsgemäßen Artikels bei niedrigen Eintrittswinkeln nicht beeinträchtigt. In der Tat wurde die Helligkeit des erfindungsgemäßen Artikels bei niedrigen Eintrittswinkeln unterhalb von 50º nicht reduziert. Signifikant stieg die Helligkeit bei sehr hohen Eintrittswinkeln von etwa 88,5º um mindestens das Zehnfache an.

Beispiel 1B

Ein Fahrbahnmarkierungsmaterial wurde wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß 94g/m² Pellets verwendet wurden, um etwa 4000 Brechungselemente pro Quadratmeter zu erzeugen.

Beispil 2

Ein thermoplastisches Polyethylenmethacrylsäure-Copolymer-(EMAA-Harz) (der Marke NUCREL 699 von DuPant) wurde mit einer ungefähren Dicke von 50 um auf einen PET-Träger unter Verwendung eines Einschneckenextruders extrusionsbeschichtet. Die Beschichtungsdüse und Extrusionsbedingungen waren ähnlich denen, die von DuPont für die Extrusion dieses speziellen Harzes vorgeschlagen werden. Der sich ergebende Film auf dem PET-Träger wurde auf die Vorderseite einer Basisschichtstruktur mit hohem Winkelbereich, (reflektive Kennzeichen-Schichtstruktur Nr. 3750 der Marke 3M SCOTCHLITE, "die 3750-er- Schichtstruktur") heißlaminiert, nachdem die Oberseite (die von der Silikon-Schutzablöseschicht weggewandte Seite dieser Schichtstruktur mit 50T4983 einem Primer der Marke ADCOTE, einem auf Wasser basierendem EAA (Polyethylenacrylsäure) erhältlich von Morton Chemical Co. vorbereitet worden war. 20 Teile Ethylalkohol wurden 100 Teilen Primer 50T4983 der Marke ADCOTE hinzugefügt. Dieses Lösung wurde auf die Oberfläche der 3750-er Schichtstruktur durch übliche Tiefdrucktechniken unter Anwendung eines 150-Linien-Rechtecktiefdruckmusters aufgebracht, und dann in einem Ofen mit Zwangsluftkonvektion für eine Minute bei 93ºC (200ºF) getrocknet. Der 50 um (2 mil) dicke auf dem PET-Träger belassene EMAA-Film wurde dann auf die mit dem Primer vorbereitete 3750-er Schichtstruktur unter Anwendung derselben Laminierungsbedingungen wie im Beispiel 1 heißlaminiert. Der PET-Träger wurde dann abgezogen und die Zusammensetzung auf eine 75 um (3 mil) Aluminiumfolie (Nr. 1145-0, einmal gewalzte Aluminiumfolie, erhältlich von A. J. Oster Foils, Inc.) wie im Beispiel laminiert.
Nach einer Vorerwärmung der sich ergebenden Schichtstruktur für 15 Sekunden in einem Ofen, bei 205ºC (400ºF) wurde die Schichtstruktur mit Pellets Nr. 699 der Marke NUCREL (demselben Material, das vorher zur Herstellung des Oberflächenfilms verwendet wurde) bestreut. Diese Schichtstruktur mit den Pellets der Marke NUCREL verblieb in dem geschlossenen Ofen bei 205ºC (400ºF) für verschiedene Zeiten bevor sie entfernt und in Wasser für eine Minute gekühlt wurde.

Beispiel 2A

Nachdem die Pellets 669 der Marke NUCREL auf die vorerwärmte zusammengesetzte Schichtstruktur aufgestreut waren, wurde diese für etwa 45 Sekunden bei 205ºC (400ºF) in dem Ofen belassen. Das sich ergebende Brechungselement hatte eine Form ähnlich dem Element 42 von Fig. 6. Die zusammengesetzte Schichtstruktur wurde auf einen druckempfindlichen Kleber wie in Beispiel 1 auflaminiert, um den retroreflektierenden Artikel zu erzeugen.

Beispiel 2B

Nachdem die Pellets 669 der Marke NUCREL auf die vorerwärmte zusammengesetzte Schichtstruktur aufgestreut waren, wurde diese für etwa 60 Sekunden bei 205ºC (400ºF) in dem Ofen belassen. Das sich ergebende Brechungselement hatte eine Form ähnlich dem Element 44 von Fig. 6. Die zusammengesetzte Schichtstruktur wurde auf einen druckempfindlichen Kleber wie in Beispiel 1 auflaminiert, um den retroreflektierenden Artikel zu erzeugen.

Beispiel 2C

Nachdem die Pellets 669 der Marke NUCREL auf die vorerwärmte zusammengesetzte Schichtstruktur aufgestreut waren, wurde diese für etwa 90 Sekunden bei 205ºC (400ºF) in dem Ofen belassen. Das sich ergebende Brechungselement hatte eine Form ähnlich dem Element 46 von Fig. 6. Die zusammengesetzte Schichtstruktur wurde auf einen druckempfindlichen Kleber wie in Beispiel 1 auflaminiert, um den retroreflektierenden Artikel zu erzeugen.

Beispiel 3

Der extrudierte Film und der Träger dieses Beispiels waren dieselben wie im Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß die Extrusionsbedingungen (Schneckenumdrehungen pro Minute und Filmabnahmegeschwindigkeit) so eingestellt waren, daß sie einen 250 um dicken Polyurethanfilm auf dem PET-Träger ergaben, Die Lamination des Polyurethanfilms auf die retroreflektierende Basisschichtstruktur, das Entfernen des PET-Trägers und die Lamination auf die 75 um (3 mil) Aluminiumfolie waren alle dieselben Vorgänge wie in Beispiel 1. Nach der Lamination der Aluminiumfolie, wurde die zusammengesetzte folienverstärkte Schichtstruktur in eine beheizte Hydraulikpresse über einer Form mit einem 12 um (0,5 mil) silikonbeschichteten PET-Film (Silikonfilme sind von Courtalds erhältlich) der Form gegenüberliegend, der Polyurethanseite der zusammengesetzten Schichtstruktur dem Silikon-PET gegenüberliegend und eine flache Verstärkungsstahlplatte von etwa 3 mm (0,125 inch) Dicke der Folienseite der zusammengesetzten Schichtstruktur gegenüberliegend plaziert. Die Hydraulikpresse wurde unter einem Druck von 41300 kPa (6000 PSI) geschlossen und die Form auf eine Temperatur von 190ºC (370ºF) erwärmt. Die Form wurde dann auf 52ºC (125ºF) vor der Entnahme aus der Presse gekühlt. Das PET wurde entfernt und entsorgt. Die Form in der Presse hatte ein Stegmuster ähnlich dem in der US-A-4 152 112, Fig. 2, dargestellten Muster. Die tatsächlich geformte Gestalt war aufgrund der Steifigkeit des PET mehr der von Fig. 5 hierin ähnlich. Zum Schluß wurde die mit Stegen versehene, folienverstärkte, zusammengesetzte Schichtstruktur auf einen auf Gummi basierenden druckempfindlichen Kleber laminiert.

Beispiel 4

Das Verfahren für den Aufbau des Beispiels 4 war dasselbe wie im Beispiel 2 mit der Ausnahme, daß die Dicke des EMAA- Oberflächenfilms 250 um anstatt 50 um betrug, und die verwendeten Polymerpellets der Typ 9910 der Marke SURLYN (ein Ionomer aus Polyethylenmethäcrylsäure und Zinksalz erhältlich von DuPont) war. Die Schichtstruktur mit den Pellets der Marke SURLYN wurden für 5 Minuten in einem Ofen bei 250ºC (480ºF) erwärmt, was zu einer Form ähnlich dem Figurenelement 44 von Fig. 4 führte. Die Pellets tendierten wegen der hohen Schmelzviskosität des Harzes der Marke SURLYN dazu ziemlich kugelig zu bleiben, wobei jedoch die dickere Oberflächenschicht aufgrund der Kapillarwirkung dazu tendierte, an den Seiten der Pellets der Marke SURLYN hochzukriechen, was zu einer guten Verankerung dieser kugelig geformten Pellets führte.
Die wie vorstehend beschrieben gemessene Naß-Retroreflexionshelligkeit in Millicandela/m²/ Lux war für die Beispiele wie folgt:

Tabelle 2: Naß-Retroreflexionsmessungen unter Verwendung des LTL 2000.

Beispiel Nr. Retroreflexionshelligkeit
1 2300
1B 1100
2A 1700
2B 1600
2C 1400
3 Nicht getestet
4 2200
Im Vergleich hatten drei im Handel erhältliche Fahrbahnmarkierungsbänder, das Fahrbahnmarkierungsband 620 der Marke 3M SCOTCH-LANE, das Fahrbahnmarkierungsband Nr. 5710 der Marke 3M SCOTCH-LANE und ein Hochleistungs-Fahrbahnmarkierungsband 380 der Marke 3M STAMARK, alle eine Naß- Retroreflexionshelligkeit unter 100 Millicandela/m²/ Lux.

Beispiel 5

Ein retroreflektierender Artikel wurde unter Anwendung der nachstehenden Schritte hergestellt.

A) HERSTELLUNG VON POLYMERPELLETS

Granulares aliphatisches Polyuerethan L425.91, welches ein Schmelzindex von 12 (getestet nach ASTM D1238, Verfahren A, Bedingung 200/8,7) aufwies, wurde durch einen 34 mm Doppelschneckenextruder mit einer Rate von 13,6 kg/h und unter Verwendung eines Korotationsbetriebsmodus und einer Schneckendrehzahl von 450 Upm geführt. Das Polymer wurde geschmolzen und durch eine Zweiloch-Strangdüse extrudiert und sofort in einem Wasserbad abgeschreckt. Das überschüssige Wasser wurde abgeblasen und die Stränge unter Verwendung einer Pelletiermaschine, Conair Modell 304 geschnitten. Die Geschwindigkeit der Pelletiermaschine war sv eingestellt, daß sich etwa zylindrische Pellets im Mittel mit einer Länge von 2,74 mm und 2,36 mm Durchmesser ergaben. Die Pellets konnten bei Raumtemperatur für eine Woche altern, bevor sie in einen Hochleistungsmischer (Waring Mischer Modell 91-263) eingegeben wurden, um Verklumpungen von Pellets, die sich möglicherweise gebildet haben, in frei strömende Pellets aufzulösen. Nach der Extrusion wurden die Pellets wiederum hinsichtlich des Schmelzindexes unter Verwendung desselben Testverfahrens und denselben Testbedingungen getestet und ein Schmelzindex von etwa 60 gefunden. Dieses Pellets wurden zur Herstellung des Oberflächenfilms und der Brechungselemente verwendet.

B) EXTRUSION DES OBERFLÄCHENFILMS

Die vorstehend (im Kapitel A) hergestellten Pellets wurden in einem Entfeuchtungstrockner über 18 Stunden bei 54ºC getrocknet. Sie wurden dann über einen 31,75 mm 24 : 1 Einschneckenextruder unter Anwendung einer Schneckendrehzahl von 80 Upm extrudiert und die Schmelze durch eine Filmdüse mit flexiblen Lippen geführt und auf einen 0,06 mm Polyethylenterephthalat-(PET)-Film unter Anwendung herkömmlicher Extrusionsbeschichtungstechniken beschichtet. Die Abnahmegeschwindigkeit des Gießrades war so eingestellt, daß sich ein Film ergab, welches auf eine Breite von 0,317 m kantenbeschnitten war, und eine Beschichtungsdicke von etwa 0,1 mm aufwies. Der Film wurde für einen späteren Gebrauch aufbewahrt.

C HERSTELLUNG DER RETROREFLEKTIERENDEN SCHICHTSTRUKTUR UND ANPASSUNGSSCHICHT

Eine reflektierende Kennzeichen-Schichtstruktur Nr. 3750 der Marke 3M SCOTCHLITE (bezeichnet als "3750-er Beschichtung", erhältlich von 3M, St. Paul, Minnesota)) wurde unter Verwendung einer aliphatischen Polyurethanlösung (QC 4820 von K, J. Quinn & Co.) als Primer vorbehandelt. Die Lösung QC 4820 wurde zuerst unter Verwendung eines 50/50-Gemisches von Isopropanol und Toluol auf eine Viskosität von etwa 200 cps verdünnt. Diese verdünnte Lösung wurde dann auf die Oberseite der 3750-er Schichtstruktur unter Verwendung eines 150-Linien Vierseittiefdruckzylinders unter Verwendung üblicher Tiefdruckbeschichtungstechniken aufgebracht, und wurde dann durch eine Reihe von 5 Öfen hindurch, wobei jeder Ofen eine Länge von 7,6 m aufwies und bei eingestellten Temperaturen von 65/79/93/107/121 (alle in ºC) und mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 30,5 m/min getrocknet und dann zur Aufbewahrung aufgerollt. Die 3750-er Beschichtung wurde mit einem Kleber und einer Schutzabziehfolie versehen.
Dann wurde die mit dem Primer vorbehandelte 3750-er Schichtstruktur mit dem in Kapitel B hergestellten Oberflächenfilm unter Anwendung eines Heißlaminierungsvorgangs, der wie folgt ist, kombiniert: Der Oberflächenfilm wurde abgewickelt, und über eine Heißtrommel mit 0,61 m Durchmesser (mit der PET-Seite an der Heißtrommel), die eine Oberflächentemperatur von 149ºC hatte, geführt. Der Oberflächenfilm wurde für ein Viertel des Umfangs der Walze auf der Heißtrommel belassen, bevor er auf die mit dem Primer vorbehandelte Oberfläche laminiert wurde. Die Lamination erfolgte zwischen der Heißtrommel und einer mit Gummi bedeckten Andruckwalze mit 0,2 m Durchmesser und einem Druck von 1300 kg. Die Härte der Gummiwalze wurde mit Shore A 55 gemessen. Die Heißtrommel und die Andruckwalze hatten jeweils eine Breite von 0, 46 m. Die vorbehandelte 3750-er Schichtstruktur war 0,311 m breit, während der Oberflächenfilm 0,317 m breit war. Alle Walzen drehten sich mit einer Oberflächengeschwindigkeit von etwa 9,1 m/min. Die kombinierte Schichtstruktur wurde auf der Heißtrommel für die Hälfte des Umfangs auf der Walze belassen. Anschließend wurde sie von Heißtrommel entfernt und über eine wassergekühlte Walze geführt. Die PET-Folie wurde von dem Oberflächenfilm während der Verarbeitung abgezogen, um eine retroreflektierende Basisschichtstruktur zu erzeugen, welche zur Lagerung aufgewickelt wurde.
Die Basisschichtstruktur (der auf die mit dem Primer vorbehandelte 3750-er Schichtstruktur laminierte Oberflächenfilm) wurde abgewickelt und auf eine 0, 076 mm Aluminiumfolie (Nummer 1145-0 einfach gewalzte Aluminiumfolie von A. J. Oster Foils Inc.) unter Verwendung derselben Heißtrommel- und Druckwalzenausrüstung bis auf die Ausnahme, daß die ganze Einheit bei Raumtemperatur betrieben wurde, auflaminiert. Zuerst wurde die Rückseitenschutzabziehfolie zur Freilegung des Klebers abgezogen und dadurch der druckempfindliche Kleber freigelegt wurde auf den Kleber laminiert. Dann wurde die Basisschichtstruktur auf die Aluminiumfolie unter Verwendung der Andruckwalze auflaminiert.

D. AUFBRINGUNG DER SCHLEUDERSCHUTZPARTIKEL UND BRECHUNGSELEMENTE

Die in Kapitel C hergestellte Basisschichtstruktur auf der Aluminiumfolie wurde abgewickelt und durch dieselbe Reihe von 5 Öfen geführt, die zur Vorbereitung der 3750-er Be schichtung im vorstehenden Kapitel C verwendet wurde. Die Ofentemperaturen waren auf 232j232/232/232 (alle ºC) eingestellt). Die Bahngeschwindigkeit war auf 12,2 m/min eingestellt. Der fünfte Ofen war ausgeschaltet. Nach dem Durchlauf durch den ersten Ofen trat die Bahn in einen Bereich zwischen dem ersten und zweiten Ofen ein, wo keramische Schleuderschutzpartikel mit einer Rate von 16,7 g/m² auf die erwärmte Bahn gestreut wurden. Da die Bahn heiß war, war der Oberflächenfilm weich, und die Schleuderschutzpartikel hafteten leicht an der Oberfläche an. Die Bahn trat dann unmittelbar in die restlichen Öfen ein, wo sie erhitzt wurde. Das Ergebnis war, daß die Schleuderschutzpartikel stärker durch die Wirkung der Schwerkraft und Kapillarkräfte an dem aufgeweichten Oberflächenfilm befestigt wurden, um eine mit Schleuderschutz beschichtete Basisschichtstruktur zu erzeugen. Die fünfte Zone war absichtlich ausgeschaltet, um der Bahn Zeit für eine Abkühlung vor der Aufwicklung zur Aufbewahrung zu geben.
Die mit Schleuderschutz beschichtete Basisschichtstruktur wurde abgewickelt und anschließend durch dieselbe Reihen von Öfen hindurch bearbeitet. Hier waren die Ofentemperaturen auf 210/210/210/210 (alle ºC) bei einer Geschwindigkeit von 13,7 m/min eingestellt. Die fünfte Zone war ausgeschaltet. Nach dem Durchlauf der Bahn durch den ersten Ofen trat sie wieder in einen Bereich zwischen dem ersten und zweiten Ofen ein, wo die im Kapitel A hergestellten Urethanpellets auf die Bahn gestreut wurden. Die Pellets wurden mit 138 g/m² aufgebracht und verklebten teilweise mit der Oberfläche der heißen Schichtstruktur. Wiederum trat die Bahn unmittelbar in den zweiten und in die anschließenden Öfen ein, wo sie erwärmt und aufgeweicht wurde, um Brechungselemente auszubilden, welche eine annähernd halbkugelige Form ähnlich dem Brechungselement 44 in Fig. 6 hatten. Die Bahn wurde in der Ofenzone 5 vor dem Aufwickeln abgekühlt. Zum Schluß wurde ein auf Gummi basierender druckempfindlicher Kleber auf die Aluminiumanpassungsschicht aufgebracht, um einen retroreflektierenden Artikel zu erzeugen. Diese Artikel wurden auf Straßenoberflächen aufgebracht, wobei sich zeigte, daß sie eine ausgezeichnete Retroreflexion sowohl unter trockenen als auch nassen (Regen) Bedingungen aufwiesen.

Beispiel 5A

Die Schichtstruktur wurde gemäß dem Beispiel 5 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Aufbringung der Pellets und Umformung in die Brechungselemente bei einer Bahngeschwindigkeit von 9,1 m/min. erfolgte. Der sich ergebende retroreflektierende Artikel enthielt Brechungselemente ähnlich dem Element 46 in Fig. 6.

Beispiel 5B

Die Schichtstruktur wurde gemäß dem Beispiel 5 mit der Ausnahme hergestellt, daß die Aufbringung der Pellets und Umformung in die Brechungselemente bei einer Bahngeschwindigkeit von 19,8 m/min. erfolgte. Der sich ergebende retroreflektierende Artikel enthielt Brechungselemente ähnlich dem Element 42 in Fig. 6.

Beispiel 6

Ein retroreflektierender Artikel wurde gemäß dem Beispiel 5 mit den Ausnahmen hergestellt:
Im Abschnitt A wurden keine Pellets hergestellt. Im Abschnitt B wurde der Typ 699 der Marke NUCREL (ein Polyethylenmethacrylsäure-(EMAA)-Copolymer, erhältlich von DuPont) auf eine ähnliche PET-Abziehfolie extrudiert, um einen 0,05 mm dicken Film zu erzeugen, wobei die Temperaturen, Geschwindigkeiten usw. für dieses Polymer und diese Filmdicke eingestellt wurden. Der Abschnitt C war genau dasselbe, mit der Ausnahme, daß der verwendete Primer der Typ 50T4983 der Marke ADCOTE (ein auf Wasser basierendes EAA-(Polyethylenacrylsäure)-Copolymer, erhältlich von Morton Chemical Co.) war, und dieser mit Ethylalkohol im Anteil von 20 Gewichtsprozent verdünnt wurde. Im Abschnitt D wurden keine Schleuderschutzpartikel verwendet. Auch die Brechungselemente wurden unter Verwendung des Typs 1702 der Marke SURLYN (ein ionenvernetz tes EMAA, erhältlich von DuPont) hergestellt. Wieder wurde ein auf Gummi basierender Kleber aufgebracht, um einen retroreflektierenden Artikel zu erzeugen, welcher dann auf eine vertikale Betonbarrikade (oft als eine "Jersey-Barrikade" bezeichnet) aufgebracht wurde. Wiederum war die Reflexion sowohl unter Trocken- als auch Naß-Umgebungsbedingungen hervorragend.

Beispiel 7

Ein gefärbter retroreflektierender Artikel wurde gemäß Beispiel 5 bis auf die Ausnahme hergestellt, daß kein auf Gummi basierender Kleber auf die Anpassungsschicht aufgebracht wurde. Diese retroreflektierende Zwischenschichtstruktur wurde unter Anwendung der nachstehenden Schritte weiter verarbeitet, um ein Färbungsmittel hinzuzufügen.
Die (die Basisschichtstruktur, Brechungselemente und Schleuderschutzpartikel, und Anpassungsschicht enthaltende) retroreflektierende Zwischenschichtstruktur wurde in dieselbe wie die in Abschnitt C von Beispiel 5 verwendete Heißtrommel- Vorrichtung eingeführt, um die existierende dreidimensionale erhabene Oberfläche (der Brechungselemente und Schleuderschutzpartikel) zu stauchen, um eine so flache Oberfläche wie nur möglich zu erzeugen. Die Heißtrommel blieb ausgeschaltet, so daß die Bearbeitung bei Raumtemperatur erfolgte. Die Stauchung erfolgte, indem die Brechungselemente der Zwischenschichtstruktur gegen die Oberfläche der unbeheizten Heißtrommel plaziert und diese durch die Andruckwalze geführt wurde. Während dieses Vorgangs wurden die Brechungselemente und Schleuderschutzpartikel in die Aluminiumanpassungsschicht gedrückt, welche sich verformen konnte, da sie gegen die weichere Gummiandruckswalze gedrückt wurde. Die Bahngeschwindigkeit war 6,1 m/min. die Andruckwalze wurde auf 2310 kg eingestellt, und die sich ergebende gestauchte Schichtstruktur wurde in eine Rolle zur Lagerung aufgewickelt. Die gestauchte Schichtstruktur wurde abgewickelt und mit einer weißen, opaken Tiefdruckfarbe unter Verwendung einer 100-Linien- Tiefdruckwalze und einer Bahngeschwindigkeit von 12,2 m/min bedruckt. Die bedruckte gestauchte Schichtstruktur wurde dann durch dieselben 5 Öfen hindurch bei Temperaturen von 65/79/93/107/121 (alle in ºC) getrocknet. Während dieses Tiefdruckvorgangs wurde ein höherer Walzenspaltdruck verwendet, um die Schichtstruktur weiter zu stauchen und die Farbe auf Bereiche zwischen den Brechungselementen und Schleuderschutzpartikeln aufzubringen. Die Druckwalze hatte einen Durometerwert von etwa 70 Shore A, und der Druck war etwa 740 kg (unter Verwendung einer 0,317 m breiten Andruckwalze).
Die Farbzusammensetzung bestand aus 78 Gew.-% R960 der Marke NEOREZ (erhältlich von Zeneca Resins, Wilmington, Mass.), 19 Gew.-% WW3000 weißes Färbungsmittelkonzentrat (erhältlich von Heucotech Ltd., Fairless Hills, Pennsylvania) und 3 Gew.-% Vernetzungsmittel CX100 (ebenfalls von Zeneca erhältlich). Nach dem Beschichten und Trocknen wurde die Schichtstruktur wieder in eine Aufbewahrungsrolle aufgewickelt.
Die bedruckte gestauchte Schichtstruktur wurde abgewickelt und bei Raumtemperatur unter Anwendung derselben Technik wie bei der Stauchung der Schichtstruktur geprägt. Bei der Prägungsprozedur stand jedoch die Aluminiumanpassungsschicht mit der Heißtrommel in Kontakt. Als die gestauchte Schichtstruktur die Druckwalze durchlief, wurde die Aluminiumoberfläche entglättet und die Brechungselemente und Schleuderschutzpartikel wieder in ihre nahezu ursprüngliche 3- dimensionale Anordnung angehoben gebracht. Es wurde beobachtet daß die Farbe den obersten Abschnitt aller Brechungselemente, den oberen Abschnitt alle Schleuderschutzelemente und viel von dem flachen Bereich der Basisschichtstruktur zwischen den Schleuderschutzelementen und den Brechungselementen bedeckte. Die Seiten der Brechungselemente blieben jedoch unbedruckt (da sie in die Aluminiumfolie hineingedrückt waren), und ein großer Anteil der Retroreflexion blieb erhalten, während gleichzeitig die Tageszeit-Weiße der Schichtstruktur verbessert wurde. Eine Trockenreflexion wurde mit 768 gemessen, eine Naßreflexion lag bei 670, während Cap Y mit 52 ge messen wurde (im Vergleich zum Beispiel 5 ohne Bedruckung, welches mit Cap Y von 47 gemessen wurde).

Beispiel 8

Ein gefärbter retroreflektierender Artikel wurde gemäß Beispiel 5 bis zum Abschnitt C hergestellt, um eine (die Basisschichtstruktur, den Oberflächenfilm und die Anpassungsschicht enthaltende) retroreflektierende Zwischenschichtstruktur zu erzeugen. Diese wurde zwecks Hinzufügen eines Färbungsmittels unter Anwendung nachstehender Schritte weiter verarbeitet.
Der Oberflächenfilm der Zwischenschichtstruktur wurde mit derselben wie in Beispiel 7 verwendeten weißen, opaken Tiefdruckfarbe unter Anwendung einer Spiralbalkenmuster- Tiefdruckwalze bedruckt, um eine teilweise bedruckte Schichtstruktur zu erzeugen. Die unbedruckten Bereiche wurden als 25,4 mm beabstandete 2,8 mm breite und in 30º in der Querrichtung geneigte Balken dargestellt. Die Schichtstruktur wurde unter Anwendung üblicher Tiefdrucktechniken bedruckt, um sicher zu sein, keinen Farbstoff auf den unbedruckten Flächen zu hinterlassen, und dann durch die 5 Öfen hindurch mit Temperaturen von 65/79/93/107/121 (alle ºC) und einer Bahngeschwindigkeit von 15,2 m/min. getrocknet. Diese bedruckte Zwischenschichtstruktur wurde in eine Rolle aufgewickelt und gelagert. Die Tiefdruckrasternäpfchen wurden unter Verwendung einer 100-Linien-Rechtecktiefdruckplatte hergestellt. Die teilweise bedruckte Zwischenschichtstruktur wurde abgewickelt und durch dieselbe Reihe von Öfen, eingestellt auf 232/232/232/232/Aus, (alle in ºC) bearbeitet. In Abschnitt A von Beispiel 5 hergestellte Pellets wurden zwischen dem ersten und zweiten Ofen auf die Bahn gestreut. Während der Aufbringung von Pellets auf die teilweise bedruckte Zwischenschichtstruktur, wurde auf die Schichtstruktur unter Verwendung einer 32 mm Vierkantstahlstange, die gegen die Rückseite der Bahn angelegt und mit einer Drehzahl von 1000 Upm gedreht wurde, eine Vibration aufgebracht. Die vibrierende Stange bewirkte ein Springen der aufgestreuten Pellets auf der Schichtstruktur, sofern sie nicht mit einem der unbedruckten Bereichen in Kontakt kamen. Die bedruckten Bereiche waren unter diesen Bedingungen nicht klebrig, da eine warm gehärtete Farbe verwendet wurde. Aufgrund der Erwärmung wurden die unbedruckten Bereiche aufgeweicht und die Pellets hafteten selektiv an den unbedruckten Abschnitten der Zwischenschichtstruktur an. Die Stahlstange schüttelte die überschüssigen Pellets von der Schichtstruktur ab, worauf diese gesammelt und wiederverwendet wurden. Die selektiv mit Pellets beschichtete Schichtstruktur fuhr weiter durch die Öfen, welche die Pellets in die angenähert halbkugelförmigen Brechungselemente schmolzen. Die Schichtstruktur wurde in dem fünften Ofen gekühlt, welcher absichtlich ausgeschaltet war, und auf eine Lagerungsrolle aufgewickelt. Das Ergebnis war eine teilweise bedruckte Zwischenschichtstruktur mit selektiv an den unbedruckten Bereichen anhaftenden Brechungselementen. Als Folge dieses Prozesses hatten die Brechungselemente diesbezüglich eine bestimmte Ordnung.
Diese Zwischenschichtstruktur wurde weiter durch Aufbringen von Schleuderschutzpartikeln unter Anwendung einer "Kuß"- Beschichtungstechnik verarbeitet. Die "Kuß"-Beschichtung beinhaltete das Durchführen der Schichtstruktur durch einen Zweiwalzenbeschichter in der Weise, daß die untere Walze in einem Lösungstrog rotierte. Die Lösung auf der Walze wurde auf eine kontrollierte Dicke bei ihrer Rotation aus dem Lösungstrog abgestreift. Die Zwischenschichtstruktur passierte einen festen Spalt zwischen der oberen und unteren Walze in der Weise, daß die Oberseiten der Brechungselemente mit der Lösung mit gesteuerter Dicke auf der unteren Walze in Berührung kamen. Ein Teil dieser Lösung wurde auf die allerobersten Bereiche der Brechungselemente aufgebracht.
Die verwendete Farbzusammensetzung enthielt 97 Gew.-% NEOREZ R960 und 3 Gew.-% CX100. Die Dicke der Lösung auf der unteren Walze war etwa 0,3 mm. Nachdem die Lösung auf den obersten Bereich der Brechungselemente "Kuß"-beschichtet war, wurden diese mit einem Überschuß keramischer Schleuderschutz partikel flutbeschichtet. Überschüssige Partikel wurden leicht abgeschüttelt. Da die Farbe zu diesem Zeitpunkt noch feucht war, befestigten sich die Schleuderschutzpartikel bevorzugt selbst an dem Farbbereich. Der auf Raumtemperatur befindliche und trockene Rest der Zwischenschichtstruktur schüttelte die Partikel ab. Die Zwischenschichtstruktur trat in 5-Zonen-Öfen ein, deren Temperaturen alle auf 65ºC gesetzt waren. Die Bahngeschwindigkeit war 12,2 m/min. Die Bahnschichtstruktur wurde dann in Rollenform aufgewickelt. Da die Farbe ziemlich dick war, war sie zu diesem Zeitpunkt noch nicht komplett getrocknet, trocknete aber weiter und härtete schließlich bei Raumtemperatur.

Beispiel 9

Ein gefärbter retroreflektierender Artikel wurde gemäß Beispiel 5 mit den nachstehenden Ausnahmen hergestellt.
Gelbe transparente Farbstoffe wurden sowohl dem Oberflächenfilm als auch den Brechungselement zugesetzt. Wenn die Brechungselemente unter Verwendung des Doppelschneckenextruders hergestellt wurden, bestand die Formulierung aus 99,949 Teilen L425.91 Granularharz, 0,05 Teilen Amaplast GHS (erhältlich von Colorchem International, Atlanta Georgia) und 0,001 Teilen Amaplast Red LB (ebenfalls von Colorchem International erhältlich). Diese Kombination erzeugte rötlich gelbe Pellets mit ausgezeichneter Transparenz.
Um einen geformten Oberflächenfilm zu erzeugen bestand die Formulierung aus 99,135 Teilen des L425.91 Harzes, 0,85 Teilen des Amaplast GHS und 0,015 Teilen des AMAPLAST Red LB. Die zur Erzeugung des resultierenden Oberflächenfilms angewendeten Extrusionsbedingungen war dieselben wie im Beispiel 5. Der sich ergebende Oberflächenfilm hatte jedoch eine stark rötlich gelbe Farbe mit ausgezeichneter Transparenz. Alle anderen Schritte waren dieselben wie für das Beispiel 5 und der resultierende gelbe retroreflektierende Artikel hatte eine starke gelbe Tageszeitfarbe und eine ausgezeichnete retrore flektierte Farbe bei Nacht sowohl unter Trocken- als auch Naß-Bedingungen.

Beispiel 10

Ein retroreflektierender Artikel wurde gemäß Beispiel 5 mit den nachstehenden Ausnahmen hergestellt.
Die Polymerpellets wurden gemäß Kapitel A hergestellt. Abschnitt B wurde nicht angewendet. Anschließend wurde die 3750-er Schichtstruktur mit einem Primer vorbereitet, und ohne den Oberflächenfilm auf die Aluminiumfolien-Anpassungsschicht im Abschnitt C laminiert. Die 3750-er Schichtstruktur wurde gemäß Abschnitt C mit dem Primer vorbereitet. Der Oberflächenfilm und die Brechungselemente wurden gleichzeitig unter Anwendung von Extrusionsprägetechniken ausgebildet, um einen Abdeckfilm zu erzeugen, welcher auf die an der Aluminiumfolie befestigte mit dem Primer vorbereitete 3750-er Schichtstruktur laminiert wurde.
Zur Ausbildung des Abdeckfilms wurde eine Prägegießwalze wie folgt hergestellt. In ein Rad mit 0,61 m Durchmesser wurde unter Verwendung eines 3,175 mm Kugelendenfräsers runde Vertiefungen mit einer Tiefe von 1,4 mm gebohrt. Ein Muster der Vertiefungen wurde so in das Rad gebohrt, daß dann, wenn die Brechungslinsen ausgebildet wurden, diese tangential angeordnet waren, um soviel als möglich von dem an der Schichtstruktur ankommenden Licht einzufangen. Das Längswiederholungsmuster der Vertiefungen war auf 50,8 mm Abstand eingestellt, um so eine Abschattung der Brechungselemente aus einem Betrachtungsabstand von 30 m wie z. B. dem zu eliminieren, wenn die Scheinwerfer eines mittleren Fahrzeuges auf die Schichtstruktur mit einem Eintrittswinkel von 88,76º auftreffen. Eine Staffelung von Vertiefungen wurde ebenfalls in dieses Muster eingebaut, so daß das extrudierte Harz eine so kurze wie nur mögliche Strecke zur Bewegung in eine Vertiefung unter Beibehaltung der tangentialen und longitudinalen Beziehungen hatte. Die Extrusion erfolgte mit einem 31,75 mm Extruder und mit einer über dem strukturierten Rad angeordne ten Gießdüse. Der Spalt zwischen den Düsenlippen und der Spalt zwischen der Düse und dem Gießrad war für das Erreichen eines angemessenen Druckes eingestellt, um die Vertiefungen mit Schmelze zu füllen, und auch die Filmdicke zwischen den Vertiefungen zu minimieren. Die Vertiefungen wirkten als Brechungselemente, sobald sie mit extrudiertem Harz gefüllt waren. Alle Elemente waren dann durch einen zusammenhängenden Film verbunden. Die Kombination dieser beiden ergab einen Abdeckfilm.
Nach der Ausbildung wurde der Abdeckfilm mit der mit einem Primer vorbereiteten 3750-er Schichtstruktur wie folgt kombiniert. Die mit dem Primer vorbereitete Schichtstruktur wurde zuerst auf 149ºC vorgewärmt. Der ausgebildete Abdeckfilm wurde auf die mit dem Primer vorbereitete Schichtstruktur in der Fertigungslinie laminiert, um einen Brechungselemente und dessen Unterlagenfilm, eine Basisschichtstruktur und eine Anpassungsschicht enthaltenden retroreflektierenden Artikel zu erzeugen. Die Geschwindigkeit der Ausbildung und Verbindung betrug 1,5 m/min bei einer Extruderdrehzahl von 60 Upm.

Vergleichsbeispiel A

Eine in Handel erhältliche Fahrbahnmarkierung Ser. Nr. 620 der Marke 3M SCOTCHLANE (erhältlich von der 3M Company, St. Paul, Minnesota) wurde für Vergleichszwecke verwendet. Die 620 ist ein flaches entfernbares Fahrbahnmarkierungsband mit freiliegender Optik, welches (1) einen mit TiO&sub2; pigmentierten Binder, in welchem Mikrokügelchen und Schleuderschutzpartikel eingebettet sind, (2) eine Aluminiumfolien- Anpassungsschicht, und (3) einen druckempfindlichen Kleber mit einem Glasfasergewebe aufweist.

Vergleichsbeispiel B

Eine in Handel erhältliche Fahrbahnmarkierung Ser. Nr. 380 der Marke 3M STAMARK (erhältlich von der 3M Company, St. Paul, Minnesota) wurde für Vergleichszwecke verwendet. Die 380 ist ein profiliertes, haltbares Markierungsband, welches (1) eine auf Acrylnitrilkautschuk basierende Anpassungsschicht, die zur Erzeugung von Profilen typischerweise in der Form abgeschnittener Pyramiden geprägt wurde, (2) vertikal profilierte Bereiche auf den abgeschnittenen Pyramiden, in welchen Mikrokügelchen mit einem Brechungsindex von 1,75 eingebettet sind, und (3) einen druckempfindlichen Kleber zum Aufkleben auf die Straße aufweist. Tabelle 1
Die Beispiele 5, 5A und 5B zeigen die Auswirkung der Brechungselementgeometrien auf das Retroreflexionshelligkeitsverhalten. Wenn die Brechungselemente nahezu halbkugelig wie in Beispiel 5 und wie durch das Element 44 in Fig. 6 dargestellt waren, wurden die höchsten Helligkeitsmeßwerte aufgezeichnet. Wenn im Gegensatz dazu die Brechungselemente abgeflacht wie im Beispiel 5A und wie durch das Element 46 in Fig. 6 dargestellt waren, wurden die niedrigsten Helligkeitsmeßwerte aufgezeichnet. Der Trend war für alle Abstände von 30 m bis 120 m konsistent. Tatsächlich zeigten halbkugelige Brechungselemente eine etwa fünf bis etwa zwanzig Prozent bessere Leistung als flache Brechungselement in einem Vergleich bei 30 m bzw. 120 m.
Ebenso zeigten die halbkugeligen Brechungselemente im Beispiel 5 eine bessere Leistung als die nahezu kugeligen Brechungselemente im Beispiel 5B und wie durch das Element 42 in Fig. 6 dargestellt. Wie die Tabelle 3 darstellt, zeigten halbkugelige Brechungselemente eine etwa zweifach bis etwa vierfach bessere Leistung als die nahezu kugeligen Brechungselemente in einem Vergleich bei 30 m bzw. 120 m.
Ferner war die Retroreflexionshelligkeit bei allen Abständen in Beispiel 5 überraschend hoch. Mit zunehmendem Abstand (d. h., zunehmendem Eintrittswinkel) zeigte der erfindungsgemäße Artikel ein besseres Retroreflexionsverhalten. Die meisten herkömmlichen Fahrbahnmarkierungsbänder zeigen kein derartig hohes Retroreflexionsverhalten bei diesen hohen Eintrittswinkeln.

Glossar

Die folgenden Definitionen werden hierin bei der Diskussion der Retroreflexionsgeometrie verwendet:
"Bezugsachse" ist die Linie senkrecht zu einem retroreflektierenden Artikel an dem Punkt, wo Licht in diesen einfällt.
"Einfallsachse" ist die Achse, die von dem Pfad des einfallenden Lichtes aus der Lichtquelle, wie z. B. dem Scheinwerfer eines Motorfahrzeugs, bis zu dem Eintritt in den Artikel definiert ist.
"Eintrittswinkel" (manchmal als "Einfallswinkel" und auch als β bezeichnet) ist der Winkel zwischen der Bezugsachse und Einfallsachse.
"Beobachtungsachse" ist die Achse, die von dem Pfad des retroreflektierten Lichts von dem Punkt des Einfalls in den Artikel zu dem Beobachtungspunkt, z. B. zu den Augen des Fahrers des Motorfahrzeuges definiert ist.
"Beobachtungswinkel" (manchmal auch als α bezeichnet) ist der Winkel zwischen der Eintrittssachse und der Beobachtungsachse.
"Eintrittsebene" ist die von der Bezugsachse und der Einfallsachse definierte Ebene.
"Beobachtungsebene" ist die von der Beobachtungsachse und Einfallsachse definierte Ebene.
Verschiedene Modifikationen und Veränderungen dieser Erfindung werden für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein, ohne von dem Schutzumfang dieser Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Retroreflektierender Artikel (80), mit:

(a) einer retroreflektierenden Basislage (82), die eine Anordnung retroreflektierender Elemente (68) und eine Abdeckschicht (64) aufweist; und

(b) einer an der Vorderseite der Basislage (82) befestigten Anordnung von Brechungselementen (60), dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungselemente (60) bezüglich der Basislage (82) so angeordnet sind, daß ein Teil des auf die Anordnung der Brechungselemente (60) einfallenden Lichtes so gebrochen wird, daß es in die Basislage (82) hinein übertragen, von der Basislage (82) retroreflektiert, und weiter von den Brechungselementen (60) so gebrochen wird, daß es von dem Artikel (80) retroreflektiert wird.

2. Artikel nach Anspruch 1, ferner durch mindestens eines der nachstehenden Merkmale gekennzeichnet:

(a) die Basislage (82) weist mindestens eine Schicht von der aus einer retroreflektierenden Schicht mit eingebetteter Optik oder retroreflektierenden Schicht mit eingekapselter Optik bestehende Gruppe auf; oder

(b) die Basislage (82) eine Monoschicht würfeleckiger retroreflektierender Elemente aufweist.

3. Artikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Retroreflexionshelligkeit des Artikels (80) bei einem Eintrittswinkel über 85º höher als die Retroreflexionshelligkeit des Artikels ohne die Anordnung von Brechungselementen (60) ist.

4. Artikel nach einem der vorstehenden Ansprüche, durch mindestens eines der nachstehenden Merkmale gekennzeichnet:

(a) mindestens einige von den Brechungselementen (60) weisen ein Material auf, das aus der aus keramischem oder polymerischem Material bestehenden Gruppe ausgewählt wird; oder

(b) mindestens einige von den Brechungselementen (60) weisen ein polymerisches Material auf, das aus der aus Fluorpolymer, Polycarbonat, Acryl, Polyester, Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polyolefin-Copolymeren, und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt wird; oder

(c) mindestens einige von den Brechungselementen (60) weisen ein thermoplastisches Material auf; oder

(d) mindestens die oberen Schichten der Abdeckschicht (64) und die Brechungselemente (60) stammen aus einer ähnlichen Polymerfamilie; oder

(e) mindestens einige von den Brechungselementen (60) besitzen eine Shore D Härte von mindestens 45.

5. Artikel nach einem der vorstehenden Ansprüche, durch mindestens eines der nachstehenden Merkmale gekennzeichnet:

(a) die Brechungselemente (60) sind zufällig geformt; oder

(b) mindestens einige von den Brechungselementen (60) weisen ein gerundetes Profil im horizontalen Querschnitt auf; oder

(c) mindestens einige von den Brechungselementen (60) weisen ein gerundetes Profil im vertikalen Querschnitt auf; oder

(d) mindestens einige von den Brechungselementen (60) weisen im wesentlichen ebene Vorderflächen im vertikalen Querschnitt auf; oder

(e) mindestens einige von den Brechungselementen (60) weisen ein gerundetes Profil sowohl im vertikalen als auch im horizontalen Querschnitt auf; oder

(f) die Brechungselemente (60) weisen einen Kontaktwinkel an ihrer Basis zwischen etwa 45º und 135º auf; oder

(g) die Brechungselemente (60) weisen eine mittlere Höhe zwischen etwa 200 und 6000 ptm auf; oder

(h) die mittlere Breite an der Basis der Brechungselemente (60) ist gleich dem etwa 2- bis etwa 5-fachen der mittleren Höhe der Brechungselemente (60); oder

(i) der über die Vorderfläche der Basislage hervorstehende Abschnitt der Brechungselemente (60) ist halbkugelförmig; oder

(j) die Brechungselemente (60) liegen in der Form von weniger als fünfzig Prozent einer Halbkugel vor.

6. Artikel nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner durch mindestens eines der nachstehenden Merkmale gekennzeichnet:

(a) die Brechungselemente (60) stehen mit weniger als fünfzig Prozent des Oberflächenbereichs der retroreflektierenden Basislage (82) in Kontakt; oder

(b) die Brechungselemente (60) sind zufällig auf der Vorderseite der Basislage (82) angeordnet; oder

(c) die Brechungselemente (60) sind gleichmäßig auf der Vorderseite der Basislage angeordnet; oder

(d) die Brechungselemente (60) sind in einem regelmäßigen Muster auf der Vorderseite der Basislage angeordnet; oder

(e) einige von den Brechungselementen (60) enthalten mindestens einen aufgerauhten Abschnitt zur Erhöhung der Griffigkeit; oder

(f) die Brechungselemente (60) sind abgeschnittene Pyramiden; oder

(g) die Brechungselemente (60) sind abgeschnittene Pyramiden, wobei mindestens eine Seitenkante der Pyramiden gerade, und einen Kontaktwinkel mit der Basislage (82) zwischen etwa 30º und etwa 70º bildet.

7. Artikel nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner durch mindestens eines der nachstehenden Merkmale gekennzeichnet:

(a) er weist ferner ein Färbungsmittel in mindestens einem Element aus der aus den Brechungselementen (60), der Abdeckschicht (64) und einer Schicht (66) auf der Abdeckschicht bestehenden Gruppe auf; oder

(b) er weist ferner eine diskontinuierliche Färbungsmittel enthaltende Schicht auf, welche die oberen Abschnitte zumindest einiger von den Brechungselementen und Abschnitten der Abdeckschicht (64) zwischen den Brechungselementen (60) abdeckt; oder

(c) er weist ferner Schleuderschutzpartikel (62) auf.

8. Artikel nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner durch mindestens eines der nachstehenden Merkmale gekennzeichnet:

(a) er wird auf eine Oberfläche aufgetragen, auf welcher Motorfahrzeuge fahren; oder

(b) er wird auf eine vertikal angeordnete Oberfläche aufgebracht, die aus der, aus Leitplanken, Jersey- Barrieren, Gebäudewänden, Zäunen, Strommasten, Verkehrsleitkegeln und Fahrzeugseiten bestehende Gruppe ausgewählt wird; oder

(c) er wird auf eine Oberfläche aufgebracht, wovon zumindest ein Teil gekrümmt ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines retroreflektierenden Artikels (80), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen einer retroreflektierenden Basislage (82) mit einer Hauptoberfläche, wobei die Lage (82) eine Anordnung retroreflektierender Elemente (68) und eine Abdeckschicht (64) mit einer Vorderseite aufweist; und

(b) Befestigen einer Anordnung von Brechungselementen (60) auf der Vorderseite der Abdeckschicht (64), dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungselemente (60) im Bezug auf die Basislage (82) so angeordnet sind, daß ein Teil des auf die Anordnung der Brechungselemente (60) einfallenden Lichts so gebrochen wird, daß es in die Basislage (82) hinein übertragen wird, durch die Basislage (82) retroreflektiert wird, und ferner von den Brechungselemen ten (60) so gebrochen wird, daß es durch den Artikel (80) retroreflektiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigen einer Anordnung von Brechungselementen (60) das Abscheiden von Pellets aus thermoplastischem Harz auf die Vorderseite der Basislage (82), dann ein Erwärmen der Pellets in der Weise, daß sich die Pellets verformen, um die Brechungselemente (60) zu bilden, und dann das Kühlen des Artikels in der Weise umfaßt, daß die Brechungselemente (60) mit der Vorderseite der Abdeckschicht (64) verbunden werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 mit dem Schritt der gleichzeitigen Ausbildung eines Oberflächenfilms (66) und der Anordnung von Brechungselementen (60), um einen Abdeckfilm zu erzeugen, und der Lamination des Abdeckfilms auf die Basislage (82).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, welches mindestens einen Schritt aus der Gruppe aufweist, die aus dem Einbringen mindestens eines Färbungsmittels in die Brechungselemente (60), Einbringen mindestens eines Färbungsmittels in die Abdeckschicht (64), oder Einbringen mindestens eines Färbungsmittels in eine auf der Abdeckschicht (64) ausgebildete Schicht besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 9, ferner nach dem Schritt (a) mit den Schritten:

Aufbringen einer Anpassungsschicht (74) auf die Hauptoberfläche der Basislage; und nach dem Schritt (b), Stauchen der Brechungselemente (60), um eine relativ flache Oberfläche zu erzeugen; dann

Aufbringen einer gefärbten Schicht auf die Oberfläche; und

Prägen der Basislage (82) in der Weise, daß die Brechungselemente (60) aus der Basislage (82) hervorstehen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die gefärbte Schicht ein opakes Färbungsmittel aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 9 ferner aufweisend die Schritte nach dem Schritt (a):

Aufbringen einer Schicht aus warmgehärtetem Polymer auf einen bestimmten Abschnitt der Abdeckschicht (64), Erwärmen der Abdeckschicht (64) so, daß sie erweicht wird; und nach dem Schritt (b);

Schmelzen der Brechungselemente (60); und

Kühlen der Abdeckschicht (64) so, daß sie härtet.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Abdeckschicht (64) und die Brechungselemente (60) thermoplastische Polymere aufweisen.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Schicht aus warmgehärtetem Polymer lichtdurchlässig ist.