用于模制塑料和复合彩色物件的色调变化控制方法

专利名称：用于模制塑料和复合彩色物件的色调变化控制方法
技术领域：
本发明总体涉及模制方法、模制控制方法和模制部件。 更具体地，本发明涉及用于模制彩色(multi-colored)塑料和复合材料物件 的控制颜色变化和颜色顺序的方法，该方法不但适用于模制多种彩色部件， 而且其尤适用于模制这样的部件，该具有一定程度的受控随机性，从而;f莫拟 石板、大理石和其它石料的天然色彩和/或石紋，或模仿木料的彩色紋理。
背景技术：
已知很多方法用于模制彩色塑料和复合材料物件。下面简要描述两种这 样的方法，以及每种方法的某些已知的缺点和缺陷。
液体颜料注入法(Liquid Color Injection)。该方法中，有机颜料液直接注 入到注入成型机的螺杆部分。这导致在最终产品上产生颜色条紋(steaking) 和旋涡(swirling)。该方法的一些缺陷包括下述内容因为不自然的旋涡和不 自然的颜色过渡，不可能始终如一地获得模仿例如自然存在的石板的逼真的 外观。有机颜料在阳光中不能很好的保持，并且长期曝露在紫外线下易于褪 色和脱色。对于该方法，也不可能实现足够的控制水平以得到具有上述所需 随机性的真实自然的外观。 一次仅一种产品可以通过所述注入成型机，所以 需要机器的标准清除和关闭以更换颜料。此外，有机颜料液的母料成本高， 导致较高成本的模制产品。
颜泮十母^l7条紋剂丸剂法(Color Concentrates/Streaker Pellets)。采用该方 法，浓缩的颜料用于给待模制的材料加上条紋。将该有颜色的材料从加料斗 添加并且在桶中以不同温度熔化，产生条紋或浮散(blooming)效果。该方法 的一些缺陷包括下面的内容与液体颜料注入法一样，因为不自然的旋涡和不自然的颜色过渡，不可能始终如一地获得模仿例如自然存在的石板的逼真 外观。同样，也不可能实现足够的控制水平以获得具有上述所需随机性的真 实自然的外观。另外， 一次仅一种产品可以通过，所以需要机器的标准清除 和关闭以更换颜料。此外，所述条紋剂在成本上^艮高，导致较高成本的才莫制产品。
还已知许多其它模制彩色塑料和复合材料物件的方法。然而，没有一种 现有方法能消除上述缺陷，模制出具有随机石紋等效果给人以天然存在的材 #+的感觉的部件。

发明内容
本发明总的目的在于提供新的且独特的用于模制彩色塑料和复合材料 物件的控制颜色变化和颜色顺序的方法。过程控制建立在待模制件的参数和 所需的颜色变化上。
本发明更详细的目的在于提供新的且独特的方法，该方法控制将不同有
颜色的材料(coloredmaterial)以顺序的方式供给到模制设备中，所述方式使得 在模制件中得到可预见的随机颜色分布。该方法总体包括除了受控的混合 外，在实际上不混合颜色的情况下，输送不同的有颜色的模制材料，以在模 制件中获得附加的颜色。
控制颜色变化的方法不限于用于特定类型的模制，而是在所有类型的模 制方法中均适用，包括但不限于吹塑成型、高压注射成型、低压注射成型、 挤出成型、辊成型、和压缩成型。
控制颜色的方法还可以用于所有种类的彩色模制件，并且使得可以在这 些物件中产生独特的颜色组合和顺序。在一个实施方式中，该方法使得可以 制造这样的复合材料屋顶瓦片(composite roofing tile),其以彩色石紋排序以 模仿石板瓦片。采用所述控制颜色变化的方法能够才莫制这样的物件，其具有 逼真和高度需要的颜色混合以及目前用现有模制技术无法得到的外观。为得 到诸如大理石的其它石料的逼真外观，以石紋形式将颜色排序，或者将颜色 排序以产生模仿各种木材外观的逼真颜色紋理。结果，得到了具有迄今没有 的色彩的产品，其中在模制过程中独特地控制了随机颜色变化。
所述控制颜色变化的方法进一步适用于采用^[艮多不同类型的塑料、橡胶 和复合材料的模制。合适材料的实例包括(但不限于)HDPE、橡胶、聚丙歸和聚乙烯，以及PVC、聚苯乙烯、乳胶。例如，这些材料可以以纯的形式、共
混物或复合材料的形式使用，诸如，还含有橡胶的HDPE复合材料。本发明
使用的复合材料形式通常包括用填料混合的聚合物。填料可以是其它工艺的 副产物，诸如木屑、纸浆、稻壳和其它不需要的材料，以制成有用的材料。 还可以用特定的填料以赋予复合材料某些需要的特性，诸如增强的强度、耐 久性或耐燃性。
与现有模制技术相比，本发明的控制颜色变化的方法实现了以下的益处
和优点。(a)模制物件中的随机颜色图案完全处于所述控制颜色变化的方法的 控制之下，因此可以以可预见的随机性制造。这使得能够模制具有真实自然 外观的部件。(b)不同于单色物件，采用现有方法混合批量或多种条紋剂以获 得彩色物件，不能得到例如仿制石板中的大理石紋理，而可能导致涉及颜色 的质量缺陷，诸如有斑点或不真实的颜色混合或漩涡。通过该方法内在的颜 色分解功能(color breakup function),使供给到模制设备的颜色之间排序，而 不是像多数现有模制方法 一样罗列实地颜色，本发明的控制颜色变化的方法 有助于消除这些类型的问题。(c)由于内在的颜色分解，该方法使得仍可以利 用有色彩变化的产品。利用现有的方法，这些产品反而可能会被遗弃。然而， 利用由本发明的方法带来的受控随机性，颜色的自然转变为随机性的外观提 供了有利的因素，相反，利用现有的方法，颜色具有生硬的颜色转变，并且 这样的变化因为不同而突出，因此看起来像是缺陷。(d)可以在模制物件中实 现更真实、逼真的色彩，这样的色彩利用现有技术不能获得。(e)不像在一些 现有模制技术中那样，不用将特定的添加剂添加到才莫制材料中，且不用相关 的设备，就能完成所述模制物件中的上色结果。(f)可手动或自动地"在工作 中(onthefly)"改变颜色顺序，以减少或消除利用现有方法的这种改变期间 的停机时间。(g)利用例如三色设置就能够实现无限的颜色顺序而没有停机时 间，并且通过按下进料系统控制器的按钮就可以进行改变。(h)可以有规律地 均匀混合颜色以产生不同的实地颜色，例如混合黑色和赤褐色以产生红棕色 (burgundy-brown)，而且也没有模制设备的停机时间。(i)与现有技术相比， 所述控制颜色变化的方法带来成本的节约，因为可以使用较便宜的着色材 料，和因为与必须为每种不同的产品更换原料和清洗机器的现有技术相比该
方法产生的废弃产品(即，不满足所需产品的重复图案或随机性的物件)的量 最小。当利用现有技术更换多次颜色时，机器将具有闲置时间，导致损失生产时间。利用本发明的颜色变化方法，与现有技术相比，所有这些项目均可 减少。(j)此外，在本发明中使用的着色材料可以为具有优异的耐紫外线性的 氧化物材料，使得所述模制产品长期暴露在日光下仍保持它们的颜色完整 性。
通过下面结合附图的详细描述，本发明的这些和其它的方面、目的和优 点将变得更明显。
简单来说，所述控制颜色变化的方法包括以顺序的方式将不同的有颜色 的材料供给到模制设备中，该方法防止颜色显著混合并且在模制物件中实现 可预见的或可控制的随机色彩。该方法采用 一种或多种控制模块和能将不同 颜色的模制材料在颜色间最小混合的情况下供给到模制设备中的材料处理 设备。
彩色模制件的控制颜色变化的方法的实施方式包括指定在模制件中使 用的颜色数量、在模制件中颜色的近似比例、以及在模制件中颜色的顺序； 确定为模制件而要填充的总量(包括要填充的和然后从模制品中修剪或去除 的任何区域)；用因数调整总模制量(total mold volume)以获得非整数倍的该 量；和在与经调整的总量有关的所需比例下、以所需的顺序重复地将各个颜 色(color)供给到模制设备。结果，生产了多种具有受控的随机色彩的彩色模 制件。


图1是说明用于常规模制设备时本发明的控制颜色变化方法的优选实 施方案的流程图。
图2是示于图1的流程图中的一个进料器和某些相关组件的侧^L图。 图3是三个模制件的透视图，所述模制件利用示于图1的控制颜色顺序 和颜色变化的方法被可预见性地但又是随机性地带色。
图4是说明根据本发明的控制颜色变化的方法的其他实施方案的流程图。
尽管本发明允许有各种调整和另外的结构，但是已经在附图中示出并且 在下文中详述了特定的实施方式。然而，应该理解，并不是要将本发明限制 为公开的具体形式，而是相反，而是要覆盖落入本发明的精神和范围内的所 有调整、另外的结构、另外的方法和等同物。
具体实施例方式
为了说明，本发明的控制颜色变化的方法的一个实施方式示于图1的流 程，其中单线连接表示组件间的操作性连通(例如，电的、光的、数字的等)， 双线表示物料流。如前所述，控制颜色变化的方法包括以防止颜色显著混合 并在模制件中实现可预测的或可控制的随机色彩的顺序和方式将不同有颜 色的材料供应到模制设备中。
参考图1，示出的模制设置包括进料系统IO，其将不同有颜色的材料 供应到生产具有受控随机性的彩色模制件14的模制设备12，例如(但不限于) 注射成型机。在这种情况下，该进料系统包括三个螺杆进料器，用于在模制 方法中使用最高三种有颜色的材料A、 B和C。通常，进料器包括加料斗18， 和控制材料从该加料斗的流出量的材料加载器20(参见图2)。作为注射成型 机的典型标准部件，螺旋传动器22在其加热材料的同时使该材料朝着注入 模具入口 12a向前移动。系统中进料器的数量将确定可以在不使颜色混合的 情况下使用的颜色的最大数量。结合模制设备的操作，通过过程控制模块24 控制进料系统的运行。
进料系统10和控制模块24配置成当模制设备12要求材料填充模具空 腔以模制件14时，将有颜色的材料A、 B和C以预定的顺序从各进料器16 供应到模具入口 12a。该控制颜色变化的方法的这一基本运行特性与常规模 制方法相反，所述常规模制方法利用填充有共混在一起的基础材料和浓缩颜 料的单个加料斗，或者其中两种或多种有颜色的材料同时供应到模具入口 。 通过当模制设备需要材料时从各个进料器向模制设备进料，可以消除在常规 材料进料系统中不同的有颜色的材料A、 B和C通常发生共混的情况。
在过程开始后，该控制模块24发送控制信号(CS1)以使第 一颜色(例如， 材料A)进料通过其相关进料器16。该第一颜色进料其设定的时间(或直到已 供应了预定量的材料)或直到该材料积聚并触发模具入口 12a处的高浓度传 感器(high level sensor)28。如杲该高浓度传感器被触发，则过程控制模块停 止该进料系统并使成型机消耗来自模具入口的材料。 一旦材料基本消耗完， 模具入口中的低浓度传感器(low levd sensor)30被触发，指示该过程控制器
开始供应额外的材料。当所有预定量的材料A都已供应时，该过程控制模块 24停止运行第一材料，并且发送控制信号(例如，CS2或CS3)以启动加料顺 序中的下一颜色。然而，直到之前的颜色消耗到足以触发低浓度传感器时，下 一颜色才会启动。这使得材料在模制设备中的混合保持最d 、化。
在优选实施方案中，该进料器16配备有单独的驱动马达和控制模块32 用于分别对螺旋传动器22进行速度校正，并且加料斗18设置有用于材料加 载器20的单独的控制模块26 。过程控制模块24通过控制信号CS,'(其中i= 1 -3) 与进料器控制模块32进行通讯以控制进料器的速度，并通过控制信号CSj 与加载器控制模块26进行通讯以控制材料从加料斗落下，另外，还协同模 制设备12的运行，与控制颜色变化的方法中采用的部件的时序和运行进行 配合。通过精确地控制在所述方法中使用的每种有颜色的材料的量，单独的 加料斗控制模块26使得可以更精细地调节该方法。各种控制模块均可以应 用在例如单一过程控制单元的各个控制单元中或模块中。
在本发明的 一个优选实施方式中，所使用的着色材料是具有优异的耐紫 外线性的氧化物材料，从而模制产品长期暴露在日光中仍能保持它们的色彩 完整性。
仅作为实例，合适的、低成本的、容易获得的Genisis KBMS-10MRA 单元已成功用作具有Pro Rate加料斗、进料器和进料控制器的整体过程控制 器。当然，有很多可购买获得的或本领域技术人员能设计出的能够满足本发 明的运行需要的控制单元。
为有助于控制颜色变化的方法，成型机可以配合有非标准的深切低剪切 螺杆22以使该材料通过在螺旋传动器中同时进行的加热过程以很少的混合 向前移动。还可以通过控制材料注入到模具中时的旋转螺杆速度和运行压力 来将混合水平控制到低的状态。在一个原型机中，使用三种颜色赤褐色、 绿色和灰色。利用三种颜色，在生产中容易地制造出七种不同的彩色产品而 不用停止和清洁该机器。
如前所述，所述控制颜色变化的方法还包括以在模制件中实现可预见的 或可控制的随机色彩的方式供应不同的有颜色的材料。当然，这将依赖于在 模制品中颜色的数量和所需的比例，以及其它因素。具体来说，实施所述控 制颜色变化的方法包括以下
1)指定(确定、选择等)
a) 在模制件中要使用的颜色的数量("N")，
b) 在模制件中颜色的大致比例("R1 ->N"),
c) 在模制件中颜色的顺序("S1》N");2) 确定(演算、计算、估计等)模制件需要填充的总量("V"),即总的才莫
制量，包括要填充和然后从模制产品中修整或去除的任何区域；
3) 用因数"F"调整(修正、计算等)该总模制量以获得其非整数倍(例如， "V承二v承f"或V*="V+(V*f)");和
4) 重复地以以下方式将各个颜色供应到模制设备以制造多种模制件 以所需的顺序，以保持不同颜色的基本颜色完整性的方式(如上所述)，和以 所需的大致比例但与经调整的总模制量相关(即，作为其函 数)("Rl-〉N承f(Rl-〉N, V*)")。
这样， 一旦知道模制量，那么所述控制颜色变化的方法包括以下的材料 供应和模制过程中的可变的或可受控的参数
1) 指定颜色N(数量)、R^n(比例)和S^n(顺序)；
2) 用因数F(非整数)调整V0寞制量)以获得V*;和
3) 以顺序S^n和R^^并以保持不同颜色的基本颜色完整性的方式， 重复地供应颜色1》N到模制设备。
下面的实施例展示该控制颜色变化的方法的实施方式。 实施例1:用总量为30磅(包括修整的区域)的材料在有两个空腔的模具 中模制具有顺序排列的两种颜色(A、 B)的模制件，其中大致比例为60%的A 与40%的B。利用10%的增加因数调整该30磅的量以获得33磅经调整的 总量。经调整的模制量抵销了制造期间的颜色替换(placement)以防止在最终 产品中明显的重复颜色布置。采用与经调整的总量相关的所述60%与40%的 比例，按如下所述将所述两种颜色供应到模制设备中19.8磅的第一颜色(A), 然后13.2磅的第二颜色(B)，接下来19.8磅的A和13.2磅的B，在模制产品 的生产过程中重复该颜色顺序。如果模具的两个空腔顺序填充，则得到的模 制件中的颜色分布如下第一个物件-19.8A, 10.2B;第二个物件^3B, 19.8A, 7.2B;第三个物件=6B, 19.8A, 4.2 B;并且以此类推，直到在第 12个物件中基本重复第一个物件的颜色分布。然而，在为第12个物件进料 时或之前，编程使一个参数(如量调整因数或颜色分布比例)改变生效，甚至 能防止在模制件的颜色图案中这中不频繁的重复。
实施例2:除了利用实施例1的比例的倍数因数确定颜色顺序之外，采 用实施例1的模具和参数生产物件。在本实施例中，将60%-40%比例的颜色 顺序分为30% A、 20% B、 30% A、 20% B。在本实施例中，将该材料按如下所述供应到模制设备中9.9磅的第一颜色(A), 6.6磅的第二颜色(B), 9.9 磅的A， 6.6磅的B，以此类推。本实施例得到具有与实施例1相同的总颜 色比例，但在各物件中具有更频繁的颜色过渡的模制部件。如果同时填充实 施例1的模具的两个空穴，将得到相同的比例和顺序。
实施例3:利用实施例1的模具，但是利用三种颜色(A、 B、 C)采用两 种不同的颜色变化比例生产物件。第一比例是20%的颜色A、 20。/。的颜色B 和60%的颜色C,接下来为30%的颜色A、 30%的颜色B和40%的颜色C 的第二比例，然后重复该第一和第二颜色顺序比例。在这种情况下，按如下 将材料重复地供应到才莫制设备中6.6磅的第一颜色(A)、 6.6磅的第二颜色 (B)、 19.8磅的第三颜色(C)，接下来9.9磅的颜色A、 9.9磅的颜色B、 13.2 磅的颜色C。釆用两种或更多种的颜色顺序提供在模制物件中进一步的随机 性颜色变化。
实施例4:利用实施例1的模具和实施例2的颜色顺序生产物件，但是 利用10%降低因数调整30磅的总量以获得27磅的经调整的总量。然后，以 8.1磅的第一颜色(A)、 5.4磅的第二颜色(B)、 8.1磅的第一颜色、5.4磅的第 二颜色，以此类推，重复地将该有颜色的材料供应到模制方法。
通过例如有意地同时供应两种(或更多种)颜色以获得额外的排序混合 的颜色而不用在单独的进料器中提供这种颜色，可以实现控制颜色变化的方 法的实施方案的进一步调整。该方法的任何可变的或可控制的参数都可以由 操作者手动改变或"在工作中，，改变而不必停止该模制方法，或通过在该过 程控制器中编程以自动改变从而在该方法中的特定时间(例如，制造特定数 量的物件后或处理特定次数的运行顺序后)自动生效。
图3是三个模制件(14a、 14b、 14c)的透视图，它们以图l表示的颜色排 序方法随机带色。在这种情况下，这些是由以下模制方法制成的最先的三个 件，该方法供应了三种颜色，其中经调整的模制量超过实际模制量的10%, 且颜色比例和顺序为10%的A、 60%的B和30%的C。
图1所示的模制设置利用这样的进料系统实现了所需的颜色变化控制， 该系统采用用于不同颜色的独立的进料器。本领域技术人员知道，可以以很 多方式完成这样的材料处理功能，并且普通的进料设备可以用于或改型为以 控制颜色变化的方法中规定的量和比例供应不同的有颜色的材料，而不用混 合不同的颜色。在这方面，设置该进料系统以控制不同材料的输入并以最小的混合供应不同的材料。这样的颜色传输控制，通常可以通过如图1的新的 材料处理设备的配置，或通过精细调整或物理改变现有的设备来完成。
下面的实施例说明适于控制颜色变化的方法的材料处理的另外的实施 方式，应该理解，该方法可以应用于其他类型的进料系统，该系统可以在使 不同的颜色顺序供应时不混合的情况下，将有颜色的材料输送到模制设备。
例如，大多数塑料或橡胶挤出机的材料处理和进料系统设置成通过筒和 螺杆设计的高速旋转来迅速且有效地混合供应的材料，所述螺杆设计当它朝 着模制设备向前推进该材料时起搅拌器的作用。利用该基本类型的设备实施 本发明，包括控制螺旋驱动器的速度以限制不同的有颜色的材料的混合，
和/或通过增加挤出机内螺杆的尺寸和/或角度以不混合而是以"大口咬住(big bite)"的方式以有限的混合使该材料迅速向前。然后，以控制颜色变化的方 法中上述比例和量规定的用量将该不同的有颜色的材料供应到挤出机，其中 总模制设定为用于一个模制件供应通过挤压机的量或其整数倍。
在压缩成型中，如果使用挤出机生产彩色物件，则可应用前述段落中描 述的进料系统中的技术。或者，如果将不同的有颜色的材料像通常在热固性 材料的情况中进行的那样以"碎屑"或者"固体型"材料供应到模具中，则 调整或控制该材料进料系统以按照由所述比例和量的规定供应顺序的材料 量。
作为进一步的实施例，图4示出模制设置的另外的实施方式。该系统与 图l所示的系统相似，除了三个加料斗供应到单一的进料器16，并且材料传 输到加料斗的控制仅通过到加料斗控制器的控制信号(CSi')。该另外的系统的 优点包括由于较少的设备带来的较低的成本。该另外的系统的缺陷包括对将 不同的颜色供应到模制设备的较少的控制。该设置还表现出这样的潜能即 在某种程度上增加了两种颜色间的过渡中的颜色混合，这对于某些物件来说 是需要的。
以上说明清楚地表明，本发明给本领域带来了新的和独特的控制颜色变 化和颜色顺序的方法，该方法实现了在模制彩色塑料和复合材料物件中可预 测的随机颜色分布，因此，能够获得模制品中独特的颜色表现。该方法中的 变量可以在模制操作期间调节以在模制件中赋予额外的控制和随机性。可以 调整该方法中的配比、先后顺序等，直到在模制的产品中实现所需的外观。 该方法可用于多种类型的模制方法、物件和材料，且通过调整设备的精细调 节可以用于现有的常规设备，以允许以最小的混合供应有颜色的材料。
权利要求
1.一种用于采用模制设备制造塑料和复合材料彩色模制件的控制颜色变化的方法，该方法包括a)指定i)用于模制件中的颜色数量，ii)在模制件中颜色的大致比例，和iii)在模制件中颜色的顺序；b)确定经调整的量，该量为与所述模制件相关的总模制量的非整数倍；c)在与经调整的量有关的所述比例下、以所述顺序将各颜色供给到模制设备；然后d)进行下列之一i)重复所述将各颜色供给到模制设备，或ii)(a)再次指定所述颜色数量、所述大致比例或所述顺序之一，或(b)再次确定所述经调整的量；然后重复所述将各颜色供给到模制设备。
2. 如权利要求1的改变颜色变化的方法，其中与模制件相关的总模 制量包括被填充以及然后从模制件修整或去除的模制区域。
3. 如权利要求1的改变颜色变化的方法，其中模制设备包括模制件 的挤出机，且总模制量是用于一个模制件的通过挤出冲几供应的量或其整数倍。
4. 如权利要求1的改变颜色变化的方法，其中所述供应还包括单独 地控制各颜色到模制设备中的供应。
5. 如权利要求4的改变颜色变化的方法，其中模制设备包括用于各 颜色的公共入口 ，并且其中所述供应还包括感应入口内各颜色的浓度，和 响应于此控制下一颜色的供应，以协助保持两种颜色间的颜色完整性。
6. —种用于模制彩色物件的系统，包括 a)模制设备；b) 能单独地供应两种或更多种有颜色的材料到该模制设备的进料系统；c) 过程控制模块，其被编程为控制该进料系统，从而以物件的总才莫 制量的非整数倍确定的有顺序的比例重复传输有颜色的材料。
7. 如权利要求6限定的系统，其中该进料系统包括用于每种有颜色 的材料的单独的加料斗、单独的进料器和单独的材料流量控制模块。
8. 如权利要求7限定的系统，其中该模制设备包括高和低浓度输入 传感器，其提供信号到该过程控制模块以协助控制所述有颜色的材料传输 到模制设备中。
9. 如权利要求6限定的系统，其中该进料系统进一步设置为在基本 不混合的状态下将有颜色的材料传输到该模制设备中。
10. 如权利要求9限定的系统，其中该进料系统包括将有颜色的材料 传输到该模制设备的螺旋传动器，该螺旋传动器是能以基本不混合的状态 使所述材料朝该着模制设备向前移动的深切、低剪切的驱动器。
全文摘要
一种用于在彩色模制件中实现随机颜色变化的方法，包括以防止颜色的显著混合的预设顺序和方式，和以与模制件有关的量的非整数倍相关的预设比例，将单独的颜色供应到模制设备中。
文档编号B29C47/00GK101568421SQ200680040893
公开日2009年10月28日 申请日期2006年8月31日 优先权日2005年8月31日
发明者比利鲍勃·J·布尔 申请人:比利鲍勃·J·布尔