물품에 색상을 부여하고/하거나 물품의 성질을 증진시키기위해 물품을 처리하기 위한 장치 및 방법

물품에 색상을 부여하고/하거나 물품의 성질을 증진시키기 위해 물품을 처리하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND PROCESS FOR TREATING AN ARTICLE TO IMPART COLOR AND/OR ENHANCE THE PROPERTIES OF THAT ARTICLE}

본 발명은 바람직하게 고분자 물질인 물품을, 바람직하게는 분무에 의해, 처리하여 상기 물품에 색상을 부여하고/하거나 상기 물품의 성질을 증진시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

물질, 특히 플라스틱을 염색하는 과정에서, 경우에 따라, 코팅 유리 시트, 플라스틱 시트, 가구, 큰 체적의 물병 및 자동차 창과 같은 매우 크고 무거운 물품을 착색하는 것이 바람직하다. 이 물품들 중 일부는 5 피트 폭×10 피트 길이에 달하는 크기 및 300 파운드 초과의 중량을 가질 수 있다. 이런 경우, 분무 방법은 착색 용액의 요구 체적을 상당히 감소시키고 고체적 디핑 탱크의 필요를 소거하기 때문에, 분무 방법을 이용하여 큰 물품을 착색하는 것이 더욱 경제적이고 환경적으로 유익하다. 염료 용액을 함유하는 용기뿐만 아니라, 펌프 및 히터와 같은 부속 장비가 소형화될 수 있고, 궁극적으로 저비용일 수 있다. 또한, 색상 교환의 결과로서 폐기되는 보다 적은 양의 염료-함유 용액이 보다 효율적으로 재생될 수 있다.

보다 적은 용액을 사용하는 것에 부가하여, 분무 방법은 또한 큰 물품이, 단순 컨베이어를 통해 착색 및 후속 헹굼이 모두 일어나는 봉입된 분무 장치로 용이하게 수송되도록 한다. 일단 착색 및 헹굼이 완료되면, 물품은 건조 및 포장을 위해 분무 장치로부터 단순히 전달되어 나온다. 이와 대조적으로, 유사한 크기로 설정된 물품이 착색 용액 내에 침액될 때, 무거운 물품을 고온 용액의 큰 배트(vat) 내외로 전달하고 올리기 위해, 큰 베이(bay) 면적의 건물을 필요로 하는 고가의 크레인이 사용되어야 한다. 또한, 이 배트는 대기에 개방되고, 증기를 환경으로 도입할 가능성을 발생시킨다. 또한, 물품이 한 배트에서 또 다른 배트로 올려질 때, 물품의 이동 시에 용액을 적하시키면서 용액 교차 오염과 관련된 문제가 있다. 침액 기술에 있어 또 다른 문제점은, 크기로 인해 물품이 색상의 불균일성을 피하기 위해 충분히 빠르게 배트 내외로 이동될 수 없다는 점이다.

미국 특허 제6,994,735호는 물품에 색상을 부가하기 위해 염료 용액을 플라스틱 물품에 분무하는 방법을 기재한다. 그러나, 그러한 작업을 수행하는 장치는 기재되어 있지 않다.

염료-함유 용액 및 관련 헹굼액을 상대적으로 큰 기판에 분무하기 위한 효율적 장치를 가지는 것이 바람직할 것이다.

따라서, 본 발명은 큰 물품을, (1) 염료 함유 착색 시스템 및/또는 성능 증진 물질을 함유하는 용액, (2) 물, 및 (3) 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 및 디에틸렌 글리콜과 같은 용매(들)로, 바람직하게 분무에 의해, 처리하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 장치는, 착색 및/또는 성능 증진 용액을 피착색 물품 상에 (예를 들어, 노즐을 통한 분무로써) 순차적으로 분배하기 위한 수단, 피처리 물품을 밀봉하기(secure) 위한 수단, 및 인클로저 내외로 피처리 물품을 수송하기 위한 수단과 함께, 피처리 물품을 포함하도록 크기가 설정된 인클로저 또는 용기를 포함한다. 처리 시스템은 하기 순서로 피처리 물품에 적용되는데, 첫 번째로 고온의 염료-함유 용액 및/또는 성능 증진 물질(들)을 함유하는 고온 용액; 두 번째로, 고온의 염료-비함유 용액; 및 세 번째로, 고온의 물이 물품 표면(들) 위에 직접적으로 적용된다. 피처리 물품을 확보하고 수송하기 위한 바람직한 수단은, 색상 및/또는 성능 증진 용액 및 헹굼액으로 후속 처리하기 위해, 크고 무거운 물품을 분무 용기에 밀봉하여 보유하고 수송하도록 설계된 트롤리(trolley) 시스템이다. 착색 시스템을 분배하기 위한 수단은 3개 이상의 폐쇄 용기에 연결된다. 각각의 폐쇄 용기는, 소적(small droplet)이 착색되는 기판을 착색, 증진 또는 헹구기에 충 분한 양으로 분배 수단으로부터 방출되도록 하기에 충분한 압력으로 충분한 고온의 처리 시스템을 전달할 수 있어야 한다. 본 발명의 장치는 포화된 염료-함유 용액 또는 성능 증진 첨가제를 함유하는 용액을 위한 하나 이상의 폐쇄 용기, 고온의 염료-비함유 헹굼액을 위한 하나 이상의 폐쇄 용기, 및 고온 탈이온수를 위한 하나 이상의 폐쇄 용기를 포함해야 한다. 재생을 위해 폐기된 용액을 수집하기 위한 임의적 용기(들)도 또한 본 발명의 장치에 포함될 수 있다.

(본원에서 "노즐"로도 칭해지는) 처리 시스템의 성분들을 분배하기 위한 각 수단은, 피처리 물품을 착색 또는 처리하기에 충분한 온도에서 용액을 분산시키도록 설계된다. 노즐은 처리제 시스템이 분배되는 인클로저 또는 용기 내에 착색되거나 성능 증진 첨가제를 함유하는 용액으로 피복되는 물품의 전체 표면이 분배된 처리제 시스템의 성분들을 수용하도록 구성된다. 인클로저는 염료-함유 및/또는 성능 증진 용액이 인클로저로부터 제거되어 공급 용기로 재순환될 수 있도록 하는 출구를 포함하며, 상기 공급 용기에서 용액은 피처리 물품을 포함하는 분무 인클로저로 복귀되기 전에, 재가열되고 염료 또는 성능 증진 첨가제로 재포화된다. 물품이 원하는 색상 또는 원하는 양의 성능 증진이 달성할 때까지 재순환을 계속한다. 이어서, 처리된 물품을 먼저 염료-비함유 용매로 헹군 후, 물로 헹군다. 색상 또는 첨가제 변화가 필요할 때, 폐기된 염료-함유 또는 성능 증진 첨가제-함유 용액을, 재생을 위해 폐액 용기로 전달할 수 있다. 염료-비함유 헹굼액은 분무 인클로저 출구로 떨어지고, 이는 이어서 재생을 위해 폐액 용기로 수송된다. 헹굼 폐수도 또한 인클로저 출구에서 분무 인클로저로부터 제거되어, 낮은 수준의 잔류 유기 화합물을 제거하도록 처리되며, 폐수 처리 설비로 폐기된다.

본 발명의 이들 측면 및 기타 측면은 하기 도면, 발명의 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 더욱 자명해질 것이다.

실시예에서 사용되는 것을 비롯하여, 명세서 및 특허청구범위에서 본원에 사용되고 또한 달리 명백히 특정되지 않는, 모든 수치는 "약"이 명시되어 있지 않더라도, 용어 "약"이 앞에 놓인 것처럼 해석될 수 있다. 또한, 본원에 인용된 임의의 수치 범위는 그 안의 하위 총계의 하위 범위들을 포함하는 것으로 한다.

본 발명은 하나 이상의 착색제 또는 염료-함유 용액 및/또는 성능 증진 첨가제, 또는 하나 이상의 성능 증진 첨가제를 포함하는 용액을 포함하는 착색 또는 성능 증진 시스템, 및 관련 헹굼액을 제조하고, 이를, 바람직하게 분무에 의해, 바람직하게 폴리카르보네이트, 폴리우레탄, 폴리에스테르(바람직하게는 글리콜화 폴리에스테르), 폴리메틸메타크릴레이트(아크릴), 나일론, 열가소성 폴리우레탄, 폴리비닐클로라이드, 폴리카르보네이트/아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 배합물, 폴리카르보네이트/폴리에스테르 배합물 또는 ABS와 같은 고분자 물질인 피처리 물질에 적용하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 방법 및 장치에 사용하기에 적당한 착색제(들) 또는 염료(들)에는, 예를 들어 직물 염료 및 분산 염료와 같은 통상적 염료뿐만 아니라, 폴리카르보네이트와 같은 고분자 물질을 염색하는데 적당한 것으로 당업계에 공지되어 있는 염료가 포함된다. 적당한 분산 염료의 구체예에는 디스퍼스 블루(Disperse Blue) #3, 디스퍼스 블루 #14, 디스퍼스 옐로우 #3, 디스퍼스 레드 #13 및 디스퍼스 레드 #17이 포함된다. 염색료는 일반적으로 원하는 색상에 따라 단독 염료 성분들로서 또는 염료 혼합물의 성분들로서 사용된다. 따라서, 본원에 사용되는 용어 "염료"는 "염료 혼합물"을 포함한다. 용매 염료는 또한 본 발명의 장치에서 본 발명의 방법에 따라 수행되는 염색 작업에 사용될 수 있다. 적당한 용매 염료의 일부 예에는 솔벤드 블루(Solvent Blue) 35, 솔벤트 그린 3 및 아크리딘 오렌지 베이스(Acridine Orange Base)가 포함된다. 불수용성 아조, 디페닐아민 및 안트라퀴논 화합물; 아세트산염 염료, 분산 아세트산 염료, 분산 염료 및 디스퍼졸(dispersol) 염료(이의 구체예에는 다이스타즈 팔라닐 블루(Dystar's Palanil Blue) E-R150(안트라퀴논/디스퍼스 블루) 및 디아닉스 오렌지(DIANIX Orange) E-3RN(아조 염료/CI 디스퍼스 오렌지 25)가 포함됨)가 또한 본 발명의 수행에 사용될 수 있다. 산 염료, 예컨대 나일론을 염색하는데 사용되는 산 염료뿐만 아니라, 폴리우레탄 및 폴리우레탄 배합물과 함께 사용하기 위한 상표명 리엑틴트(Reactint)로 시판되는 반응성 염료가 또한 본 발명의 수행에 사용하기에 적당하다.

본 발명의 장치는 또한 피처리 물품의 성능 특성을 증진시키는 첨가제를 함유하는 용액을 분무하는데 적당하다. 적당한 성능 증진 첨가제에는 광색성 염료, UV-안정화제, 대전방지제, 난연제, 이형제, 항미생물제, 및 기타 성능 개선 첨가제가 포함된다.

본 발명의 장치는 또한, 착색제, 및 바람직하게 플라스틱인 피착색 물질의 성능을 증진하기 위한 첨가제를 모두 함유하는 용액을, 바람직하게 분무에 의해, 적용하기에 적당하다. 본 발명의 장치는 또한 착색제를 함유하는 하나 이상의 용액 및 성능 증진 첨가제를 함유하는 하나 이상의 다른 용액을 분리하여 적용하는데 적당하다.

본 발명의 장치는 또한 깨끗한 시판용 물품을 생산하는데 필요한 임의의 관련 헹굼액을, 바람직하게 분무에 의해, 적용하는데 적당하다.

피처리 물품이 안에 위치하는 인클로저는 작업 조건 및 피처리 물품에 적용되는 용액에의 노출을 견디는 임의의 물질로 이루어질 수 있다. 인클로저의 벽이 강화 유리(tempered glass)와 같은 투명한 물질로 이루어져, 처리, 특히 물품에 색상을 부여하는 처리의 진행이 관찰될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 처리 진행은 비디오 카메라에 의해, 또는 인클로저의 문(들) 또는 측면(들) 내 작은 포트를 통해 시각적으로 모니터될 수 있다.

용기, 노즐 및 접속 배관은 모두 용액으로부터 염료 또는 첨가제를 흡수하지 않는 물질로 제작된다. 적당한 물질의 예에는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 유리 및 플라스틱, 예컨대 결정성 폴리에스테르 또는 폴리올레핀이 포함된다. 본원에 사용되는 용어 "용액으로부터 염료 또는 첨가제를 흡수하지 않는 물질"은 상기 물질 중 임의의 것을 나타내기 위해 사용될 것이다. 바람직하게, 장치의 성분들은 스테인레스 스틸로 이루어진다.

이제 도 1를 참조하며, 이는 물품에 색상을 부여하기 위해 피처리 물품을 처리하는 본 발명의 실시양태를 도시한다. 염료-비함유 용액은 전형적으로 물 및 유기 용매, 예컨대 에틸렌 글리콜 부틸에테르, 디에틸렌 글리콜 에틸에테르, 디에틸 렌 글리콜 부틸 에테르, 프로필렌 글리콜 프로필에테르, 디프로필렌 글리콜 프로필에테르 및 트리프로필렌 글리콜 프로필에테르 및 디에틸렌 글리콜로 제조된다. 미국 특허 제6,733,543호; 제6,749,646호; 제6,929,666호; 제6,949,127호; 제6,994,735호; 및 제7,094,263호는 그와 같은 염료-비함유 용액을 생성하기 위한 특히 유리한 제형을 개시하고, 각각의 이들 개시 내용은 본원에 참조 인용된다. 염료-비함유 용액 성분들은 폐쇄 단열 용기(5)에서 혼합되고 95℃의 최대 온도로 가열된다. 이 용액은 염료-비함유 헹굼액으로서 및 하기 기재된 바와 같은 폐쇄 용기(10) 내 염료-함유 용액을 제조하는데 유용한 용매 공급원료(feedstock)로서 직접 사용된다.

염료-함유 용액을 제조하기 위해, 용기(5)에 함유된 염료-비함유 용액은, 용기(10) 내의 용액을 용기(10)의 바닥으로부터 각기 히터(25) 및 백 필터(30)을 통해 연속적으로 순환시키고 용액을 다시 용기(10)로 복귀시키는 배관 장치에서, 제2 펌프(20), 히터(25) 및 백 필터(30)가 장착된 용기(10)에 펌프(15)에 의해 전달된다. 필터 백(35)은, 수분간 과정에 걸쳐 염료-비함유 용액을 포화시키고 본 발명의 수행에 필요한 고온의 염료-함유 용액을 생성시키는 염료를 함유한다. 미국 특허 제6,733,543호; 제6,749,646호; 제6,929,666호; 제6,949,127호; 제6,994,735호; 및 제7,094,263호는 각각 그러한 염료-함유 및 성능-증진 첨가제 용액을 생성하는 방법을 상세히 기재하고, 이는 본원에 참조 인용된다. 염료-함유 용액은 용기(10)로부터 펌프(20)를 이용하여 분무 인클로저 입구(40)로 전달된다.

분무 인클로저(45)는, 공기를 루프 통기구를 통과하도록 하면서, 용매 증기 를 응축하고 수득되는 액체를 재생 용기(55)로 복귀시키도록 크기가 설정된 응축기 시스템(50)으로 배출한다. 임의적으로, 분무 인클로저(45)는 이중 단열되고, 분무 작업 동안 염료-함유 용액의 온도를 유지하도록 하는 보조장치로서 벽에 부착된 보충 패드 히터를 가진다. 부가적으로, 임의적 히터 및 팬을 분무 인클로저(45)에 부착하여, 염료-함유 용액을 물품(60)에 적용하기 전에, 인클로저(45) 내의 공기 및 피착색 물품(60)을 동시에 소정의 온도로 가열할 수 있다.

물품(들)(60)은 트롤리(65)에 부착된 정착물 상에 탑재된다. 물품(들)(60)이 부착된 트롤리(65)는 문(70)을 통해 분무 인클로저(45)로 이동된다. 연속 고무 밀봉재(seal)(75)는, 인클로저(45)를 밀봉한 채로 유지시키면서, 트롤리의 진입 및 진출을 허용한다. 문(70)을 잠그고, 고온의 염료-함유 용액을, 용기(10)로부터 펌프(20)를 통해 입구 매니폴드(40) 및 헤더 시스템(80)을 경유하여 분무 인클로저(45)로 전달한다. 염료-함유 용액을 용액 용기(10)에서 분무 인클로저(45)로 전달하는데 사용되는 펌프(20)는, 배관을 통한 용액 유속을 조절하고, 궁극적으로는 용액이 헤더(80)에 들어가 노즐(85)에서 방출될 때의 용액의 압력을 조절한다. 물품(60)을 노즐(85)의 앞에 위치시켜, 물품(60)의 표면의 단면 또는 양면 전체를 노즐(85)로부터 방출되는 착색 용액으로 피복한다.

노즐(들)(85)에 들어가는 용액의 온도는, 5 내지 50 psi에서 30 내지 100℃이다. 용액 온도는 착색되는 물질, 특히 착색되는 플라스틱 물질에 의존한다. 예를 들어, 폴리카르보네이트와 같은 견고한, 높은 열 뒤틀림성의 물질은 90℃ 초과에서 착색되고, 한편 보다 가요성인 고무질의 물질은 약 45 내지 600℃에서 착색된 다. 바람직한 노즐(85) 압력은 15 내지 25 psi이다.

방법의 다음 단계들에서, 용액을 출구(100)를 통해 분무 용기(45)에서 방출시킨다. 방출 용액을 펌프(105)를 통해 염료-함유 용액 용기(10)로 연속적으로 재순환시켜, 재가열하고, 염료로 다시 포화시킨다. 물품(60)이 원하는 색상을 달성할 때까지 용액을 연속적으로 재순환시킨다.

물품(60)이 원하는 색상을 달성한 후, 염료-함유 용액 유동을 중단시키고, 고온의 염료-비함유 용액 헹굼액을 노즐(85)을 통해 가열된 용기(5)에서 펌핑하고, 염료-비함유 헹굼액을 물품(60) 표면(들)에 적용하여, 임의의 과량의 염료를 제거한다. 염료-비함유 용액을 전형적으로 가열하여, 세정 효율을 증가시키고, 모든 물품 표면 염료를 철저히 제거한다. 용액 온도는 염색 순서에서 상기 기재된 바와 같은 착색되는 물질에 의존한다. 또한, 염료-비함유 헹굼액의 온도는 염료-함유 용액과 무관할 수 있다. 착색 작업 중에 소스(용기(10))로 연속하여 다시 순환되는 염료-함유 용액과 달리, 염료-비함유 용액은 소스(용기)로 다시 순환되지 않으나, 분무 인클로저(45)를 한 번 통과한 후, 펌프(105)를 통해 재생 용기(55)로 직접 펌핑되어, 재생된다. 염료의 완전 제거에 의해 나타내어지는 바와 같이 물품을 철저히 헹군 후, 염료-비함유 용액 유동을 중단시키고, 증류수 또는 탈이온수를 노즐(85)을 경유하여 가열된 용기(110)로부터 물품(60) 표면(들) 상에 펌핑하여, 미량의 잔류 염료-비함유 용액을 제거하고, 이로써 물품(60)을 유기 용매는 없으나 물로 습윤된 상태로 남긴다. 잔류 물을 부드러운 천으로 닦아내거나, 압축 공기에 의해 물품(60)으로부터 털어낼 수 있다. 또 다른 수단은, 닦거나 압축 공기를 송 풍하는 것보다 느리기는 하나, 적외선 히터를 사용하여 물품(60) 표면(들)로부터 잔류 물을 증발시키는 것이다.

노즐(85)은, 물품(60)의 표면(들)에 최대 용액 피복율을 제공하도록, 분무 인클로저(45) 내에 설계되고 간격 조절된다. 편평한 시트 형태일 때의 물품(60)의 최대 피복율은, 풀콘(full-cone)형 노즐(85)을 이용하여 수득된다. 시트 표면에서 8 인치(최적으로는 6 7/8 인치)에 위치한 노즐(85)은 최적 거리에서, 직경이 대략 21 내지 26 인치(최적으로는 23 5/8 인치)인 구역을 피복하는 용액의 원형 패턴을 분무할 것이다. 궁극적으로, 중심에서 15 내지 20 인치(최적으로는 17 1/4 인치) 간격으로 떨어져 있는 이 노즐(85)들 중 9개는, 4 피트 폭×4 피트 길이의 시트 조각의 단면을 총체적으로 피복할 것이다. 양면 착색의 경우, 유사한 구성의 노즐(85)은 시트의 반대 면 상에서 분무 용기에 배치되어야 하며, 이에 필요한 노즐(85)의 총 수가 18로 2배화된다. 분무 인클로저(45)가 충분한 폭을 가진 것으로 가정할 경우, 통상의 헤더 상에 노즐이 배치되나 반대 방향으로 향해 있는 헤더를 포함한, 수개의 노즐 헤더를 임의적으로 장착하여, 단일 작업으로 다수 시트 조각을 용액으로 피복할 수 있다.

분무 노즐(85) 사이에 일반적으로 상당한 중첩 구역이 있고, 여기에서는 2개 노즐(85)은 단위 시간 당 시트 표면 상에서 분무되는 착색 용액의 양을 2배화할 것이다. 또한, 고온의 착색 용액의 소적이 물품(60)의 편평한 시트 표면에 충돌할 때, 소적이 응집하여 중력에 의해 편평한 시트의 바닥으로 당겨짐에 따라 작은 리뷸릿(rivulet)이 형성된다. 이 구역은 궁극적으로 결함(어두운 줄)으로 나타날 것 으로 예상될 수 있으나, 본 발명의 분무 방법이 색이 매우 균일한 시트 물품을 생성시키는 것으로 밝혀졌다.

공지된 염료-함유 및 염료-비함유 용액 중 임의의 것이 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다.

본 발명의 한 바람직한 실시양태에서, 시스템은 명료한 용매 조성을 결정하기 위한 인-라인 프로브 또는 검출기를 함유한다. 프로브는 근적외선 분석기 또는 기타 순도 결정 기기일 수 있다. 명료한 용매 조성을 결정하기 위한 기타 분석 기법, 예컨대 기체 크로마토그래피를 사용할 수 있으나, 근적외선(NIR)이 이 분석을 행하는 가장 신뢰성있고 가장 효과적인 수단이다.

본 발명의 방법을 수동으로 수행하는 것이 가능하나, 본 발명의 착색 방법은 전자공학적으로, 가장 바람직하게는 밸브 기능을 시퀀싱하도록 프로그래밍된 인간-기계 인터페이스(HMI)에 의해 조절되는 것이 바람직하다.

본 발명의 특별한 실시양태는 설명하기 위한 목적으로 상기 기재된 반면, 첨부된 특허청구범위에 정의되는 본 발명을 벗어나지 않는 한, 본 발명의 상세 내용의 수많은 변화를 행할 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다.

본 발명에 따라, 물품에 색상을 부여하고/하거나 물품의 성질을 증진시키기 위해, 물품, 바람직하게는 고분자 물질을, 예를 들어 분무에 의해, 처리하기 위한 방법 및 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 범주 내에 속하는 장치를 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

5: 가열된 용기(폐쇄 단열 용기)

10: 용기

15: 펌프

20: 제2 펌프

25: 가열기

30: 백 필터

35: 필터 백

40: 분무 인클로저 입구(입구 매니폴드)

45: 분무 용기(분무 인클로저)

50: 응축기 시스템

55: 재생 용기

60: 물품

65: 트롤리

70: 문

75: 연속 고무 밀봉재(seal)

80: 헤더(헤더 시스템)

85: 노즐

100: 출구

105: 펌프

110: 가열된 용기