塑料膜的彩色染色系统的制作方法

专利名称：塑料膜的彩色染色系统的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及塑料膜的彩色染色，和更具体地说，涉及使用染料在包括至少一部分的高分子量多元醇的载体中的溶液和使用该染料溶液在膜上的超声波施涂方法的浸染着色系统。
本发明的背景塑料膜，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，广泛地应用于许多目的。对于许多应用，希望让膜着色。现在，PET膜可以通过如下来着色溶液染色系统，其中在膜挤出之前染料混入到熔体中；印染技术，其中色料涂抹在膜上，然后由加热来定形；和浸染技术，其中膜被浸入到含有加热的染料溶液的瓮中和然后洗涤并干燥。
挤出染色可得到优异的结果，但是它对于膜的少量或小生产轮次是不切实际的，而且在各轮次之间彩色不易变化。印染技术通常导致在膜的仅仅一面上有颜色，而且它难以获得真正均匀颜色，即匀染。由浸染技术生产的着色膜倾向于改变颜色和/或快速地褪色并在最初的颜色和/或颜色强度中具有短寿命。在PET膜的普通浸染中，连续的膜幅在140℃到180℃的温度下浸入到并穿过加入了染料，染料载体，一种或多种润湿剂和各种处理助剂或添加剂的染色浴。该膜幅然后穿过装有溶剂的洗涤浴以便从膜幅上洗掉剩余的染料和添加剂。在洗涤之后，着色膜穿过干燥烘箱并在大约180℃的温度下干燥。
以前建议的染料载体包括各种乙二醇，丙二醇，此类二醇的甲基-乙基-单-和二-醚以及此类二醇的酯；以及甘油三乙酸酯(三醋精)。
US专利4,047,889，4,055,054和4,115,054公开纺织品和塑性材料的连续和无水染色工艺，其中染料溶解、悬浮或分散在高沸点溶剂如二醇或乙二醇醚中以进行染色步骤本身，在此之后染色的纺织品或塑性材料用低沸点液体如甲醇或乙醇或氯化烃溶剂洗涤，和随后干燥。整个系列的操作是在无水的或基本上无水的条件下进行，所使用的染料，所使用的高沸点溶剂和所使用的低沸点的洗涤液有基本上完全的回收和再循环利用。整个操作是在基本上完全封闭的循环系统中进行的，处理液体有基本上完全的回收和再利用。
US专利5,162,046和5,338,318公开了PET膜染色方法，其中膜浸在由溶剂染料溶于由甘油三乙酸酯组成的载体中所形成的染色浴中，该染色浴被加热，这样膜升高到膜的玻璃化转变温度，以及染料和载体吸收到膜中。剩余染料和载体通过洗涤浴而从膜表面上除去，该膜然后加热以除去被吸收在膜中的载体，但不会损害该染料或膜。
依照以上实践被用作染料载体的二醇和二醇-醚，即如在第一组专利中所述，具有低分子量，例如大约100或更低的分子量，以促进染色浴穿透进入膜中。然而，在染料、载体和膜之间有很少(如果有的话)的化学反应或分子结合，结果，低分子量载体和染料快速地从膜中迁移出来，引起膜改变颜色和褪色。
在第二组专利中用作载体的甘油三乙酸酯具有较高分子量，例如大约218，但是扩散进入膜的速度是缓慢的而且是低强度的。同样，该三乙酸酯不具有可共化学反应或分子结合用的任何hydroxol基团，与以上有同样的结果，即载体和染料从膜中迁移出来，引起膜改变颜色和褪色。
US专利4,419,160，标题为“Ultrasonic Dyeing of ThermoplasticNon-woven Fabric”，公开了将液体染料施涂于无纺织物的超声波结合的点结合上，之后或同时该交叉点被超声波能所结合，以使得该能量同时用于结合各点以及驱动和固定该染料在结合点上的一种工艺。
在北卡罗来纳州大学，纺织工程系，化学和科学专业的硕士研究生学习已经探索了超声波在纺织品的湿处理(染色)中的应用。
尽管前面有叙述，但仍然需要在塑料膜的彩色染色中获得改进。
本发明的目的本发明的主要目的是提供彩色快速浸染的塑料膜。
本发明的另一个目的是提供浸染塑料膜的方法，其中染料或染料类和染料载体以化学，机械和/或分子水平彼此结合和膜有持久的色牢度。
本发明的另一个目的是提供浸染塑料膜的方法，其中该染料载体包括具有高分子量和至少一个游离羟基的至少一种成分，该羟基能够以机械和化学方式将染料溶液或浴结合于膜的分子结构上。
本发明的再一目的是提供浸染塑料膜的方法，其中热能和超声波能被利用来加速该染色过程并增强染料在膜中的结合。
本发明的又一目的是提供浸染塑料膜的方法，它在实施中是方便和经济的和它生产出经济且极高质量的染色膜。
本发明的概述根据本发明，通过利用(1)高分子量多元醇作为染料载体或作为载体的成分和利用(2)热和超声波能作为驱动染料和染料载体进入膜中的相互作用力，来进行塑料膜的浸染。
高分子量多元醇在染料载体中的使用或作为染料载体的使用提供了以在染料或染料类，载体或载体类和膜之间的分子间相互作用，如氢键、融合和混溶性为基础的染色系统。因此，染色的膜是色牢固的。
在膜的玻璃化转变温度范围内和接近膜的熔点下加热，即100-180℃，引起膜膨胀和让染色浴进入膜结构中。染色浴的超声波激励和激发加速了染色浴穿透进入到膜中的速率和程度，尤其高分子量多元醇穿透进入膜中的速率和程度。两种能源也有助于多元醇，染料或染料类和膜的分子结合。
如此，该方法快速地与经济地进行和所获得的膜在长的时间中具有规定颜色强度和色牢度。
本发明的前述和其它目的和优点对于本技术领域中的普通技术人员从下面的详细叙述中，连同附图，而能够清楚地了解。
附图简述

图1是塑料膜浸染装置的示意图。
优选实施方案的详细说明下面是由本发明人认为是进行本发明的最佳方式的本发明某些实施方案的详细说明。
参见图1，典型的浸染装置包括卷辊形式的塑料膜的膜幅11的退绕站10，将膜幅以预定速率从卷辊上拉出并让膜幅前进到膜浸渍设备13中的退绕装置12，该膜浸渍设备13浸入到含有膜幅染色溶液的容器或槽14中。在吸收膜幅染色溶液后，该膜幅向上行进，从膜幅的表面上沥掉一些多余染料溶液。该膜幅然后翻越辊15而向下进入到已浸入到洗液的槽16中的浸渍设备17中，以便从膜幅的表面上洗掉剩下多余的染料和染料载体。从容器16中，该膜幅被导向装置18引导进入干燥烘箱19中，然后进入到卷取盘20。该卷取盘20与退绕设备同步地驱动并牵引该膜幅穿过两个槽和烘箱，然后将膜幅卷绕到染色膜的存储滚筒或卷筒上。
根据本发明，在槽14中的染色溶液包括已溶解、分散或悬浮在载体中的一种或多种染料，该载体是由高分子量多元醇组成或包括高分子量多元醇；在槽中的溶液被加热至膜的玻璃化转变温度或接近膜的玻璃化转变温度；膜穿过溶液的通行时间进行调节以便(a)使膜的温度升高到它的玻璃化转变温度或接近它的玻璃化转变温度和(b)让膜在浴中有一段停留时间，该时间足以使膜达到所需的彩色和颜色强度；以及该染色浴或溶液利用超声波能来激励或激发以增强该染色浴或溶液(尤其高分子量多元醇)进入膜中的穿透能力。
该染料体系考虑到了染料、载体和浴添加剂的溶混性，这基于分子间相互作用，在载体和染料和PET分子链之间的氢键相互作用，以及载体和染料在超声波激发下的扩散速度。该体系通过在PET链和染料之间的氢键作用在膜中提供优异色料吸取速度和色料穿透快速扩散，和高的染料稳定性。
该染料载体可以仅仅包括具有一个或多个游离羟基的高分子量多元醇，或该载体可以由此类高分子量多元醇和其它载体材料(例如前面所使用的乙二醇)的各种共混物组成。在该共混物中的高分子量多元醇仍然与PET和染料两者形成氢键和也由于多元醇的高分子量和高沸点而减轻了染料从膜中的迁移。
虽然更高分子量的多元醇倾向于降低扩散速度，但是超声波能不仅弥补了扩散速度，而且增强了染料吸取。下列配制料进行试验1.有聚合物载体的浸染配制料
2.有载体的共混物的浸染配制料
DOW Polyol 200聚合物载体具有200的分子量，可从Dow ChemicalCo.获得。该乙二醇具有92的分子量。三种染料是从Four Colors，Inc获得。这黑色染料确定为KENX-SF。
该试验程序如下该染料与水和载体或载体类混合而形成染液。染液被加热和进行机械搅拌而获得分散体和/或溶液。该染液然后过滤而除去任何杂质或残留物。所获得的染液被加热至并维持在所要求的温度，它是在100-180℃的范围内。0.50密耳(12.7μm)厚PET膜的未染色的样品在染液中浸泡大约五秒，然后样品用水和MEK漂洗以除去粘附于膜表面上的任何染液。样品然后在120℃下接受对流方式的热处理，以便快速蒸发掉所截留的残余载体和水。由两种配制料生产出均匀的活性炭彩色。试验也利用在80khz和110khz的双超声波频率下激发的染液浴来进行。这些试验成功地说明，在超声波激励下获得了更大的颜色强度，或相反地，与没有超声波激励时相比在有超声波激励时能够在较短时间中获得给定的颜色强度。
用于该工艺的实施中的温度范围一般是在PET膜的玻璃化转变温度范围内。该优选的范围是大约120℃到大约180℃。如果膜的厚度低于1密耳(25.4μm)，该温度应该是在该范围的低端。
多元醇的分子量的合适范围是大约200到大约600。如果分子量低于约200，则染料泳移和颜色褪去很可能发生。如果分子量高于600，则非常难以从染色膜上蒸发掉过量多元醇，考虑到对于PET膜的降解的180℃限制。如果使用多元醇和乙二醇的共混物，则二醇和多元醇的共混比率应该是在约20∶80到约80∶20(按重量计)范围内。在以上配制料中的水会增强染料或染料类的溶解并能够在大约15％到大约25％(按重量计)范围内。
所使用的染料是用于膜的染色的在现有技术中常见的那些染料。各种染料能够混合或共混以产生想望的颜色。对于浅的颜色，染料在溶液中的浓度可以是在大约2克-大约40克的染料/每升载体的范围内，并且在100℃到180℃的浴温度下，浸渍或接触时间可以是在大约两秒到大约十秒的范围内。对于更深的颜色，浓度能够增大到大约40克-大约110克/每升的载体以及浸渍或接触时间能够是大约五秒到大约九十秒。
染色浴的温度应该在规定的时间内足以使PET膜升高到它的玻璃化转变温度。在这一范围中，该PET材料膨胀而让染色浴进入该材料中。因为染料是在载体中的染液中，可以理解的是该载体和该染料进入该PET膜中。超声波的使用增大了聚合物溶胀和染料进入到聚合物中的扩散系数。另外，超声波通过降低边界层厚度和将胶束和高分子量聚集体破裂成在染色浴中的均匀分散体而能够提高膜/染色浴分配系数和增加了染料进入膜中的输送量。
因此，超声波在染色中的使用提供能量节约，降低的处理时间和更低的总处理成本。
在染色浴中处理之后，该PET膜被取出和让其沥干和然后浸入到洗涤浴中。该洗涤浴优选包括一种物质，它会溶解所粘附的多余染料和载体溶液，但是不侵袭或降解该PET膜。该洗涤浴应该是低沸点液体，因此它能够容易地从膜中除去。链烷烃醇满足这一要求，已经发现乙醇得到优异的结果。甲基乙基酮(MEK)也得到良好的结果。
在膜已经在洗涤浴中洗涤之后，膜被烘干。因为聚合物二醇是PET的增塑剂，痕量的载体或载体类在膜中的存在不会显著地改变膜的物理性能。因此，大多数的载体或载体类应该从膜上除去，但不必100％除去。可以考虑，在烘箱中的最终热处理将在100℃和175℃之间进行，其中暴露时间是大约3秒到大约30秒。
在最终的热处理中，有一点或根本没有染料泳移，因为该染料与该PET膜形成氢键。因此，高质量的染色不受到最终热处理的影响。
很清楚，为了改变颜色，仅仅需要改变染色浴和洗涤浴，因此完全的颜色变化能够快速和容易地实现。结果，通过使用本发明的方法能够经济地进行非常短的生产轮次。
本发明的目的和优点因此被显示以适宜的、经济的、实际的和轻易的方式实现。
尽管描述了本发明的某些优选实施方案，可以认识到，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，能够作各种变化，重新组合和改进。
权利要求
1.彩色染色塑料膜的方法，其中塑料膜浸入到染色浴中，该染色浴由溶解、悬浮或分散在液体载体中的染料组成，浸过的膜被洗涤和洗涤过的膜被干燥，在膜浸入具有液体载体的染色浴的步骤中，该液体载体包括至少部分的具有至少一个游离羟基和至少大约200的分子量的多元醇。
2.根据权利要求1的方法，其中多元醇具有在大约200到大约600范围内的分子量。
3.根据权利要求1或2的方法，其中该染色浴是由大约75％-85wt％的液体载体组成。
4.根据权利要求1到3中任何一项的方法，其中该液体载体包括乙二醇。
5.根据权利要求1到4中任何一项的方法，其中该液体载体包括多元醇和至少一种乙二醇以及多元醇与二醇的比率是在大约80∶20到大约20∶80范围内。
6.根据权利要求5的方法，其中液体载体包括大约75-85wt％的多元醇和二醇。
7.根据权利要求1到6中任何一项的方法，其中该液体载体包括水。
8.根据权利要求1到8中任何一项的方法，其中该液体载体包括大约15％-大约25wt％的水。
9.根据权利要求1到8中任何一项的方法，其中该液体载体包括多元醇，至少一种乙二醇和水。
10.根据权利要求9的方法，其中液体载体包括大约75-85wt％的多元醇和二醇，和大约15-25wt％的水。
11.根据权利要求1到10中任何一项的方法，包括在将膜浸渍在染色浴中的同时超声波激励该染色浴的步骤。
12.根据权利要求11的方法，包括在多个频率下超声波激励该染色浴的步骤。
13.彩色染色塑料膜的方法，包括以下步骤提供塑料膜的膜幅；提供由溶解、悬浮或分散在液体载体中的染料组成的染色浴，该液体载体包括至少部分的具有至少一个游离羟基和至少大约200的分子量的多元醇；将染色浴加热到塑料膜的大约玻璃化转变温度；让塑料膜的膜幅穿过染色浴，在染色浴中的停留时间应使得膜的温度维持在大约它的玻璃化转变温度和应使得膜吸收预定量的染料；从染色浴中取出膜和从膜表面上沥掉多余染色浴，和干燥膜以从膜上除去多余载体液体。
14.根据权利要求13的方法，包括在让膜的膜幅穿过染色浴的同时超声波激励该染色浴的步骤。
15.根据权利要求13或14的方法，其中染料在载体中的浓度是大约2-大约110克染料/每升的载体和膜在浴中的停留时间是大约两秒到大约90秒。
16.根据权利要求13到15中任何一项的方法，其中该多元醇具有在大约200到大约600范围内的分子量。
17.根据权利要求13到16中任何一项的方法，其中该染色浴包括大约75-85wt％的液体载体。
18.根据权利要求17的方法，其中该液体载体包括大约15％-大约25wt％的水。
19.根据权利要求13到18中任何一项的方法，其中该液体载体包括多元醇，至少一种乙二醇和水。
20.根据权利要求19的方法，其中液体载体包括大约75-85wt％的多元醇和二醇，和大约15-25wt％的水。
全文摘要
塑料膜如聚对苯二甲酸乙二醇酯的连续染色方法，其特征在于让膜穿过由溶解、悬浮或分散在液体载体中的染料组成的染色浴，该液体载体包括至少部分的聚合物，优选多元醇，该聚合物具有至少一个游离羟基和在大约200到大约600范围内的分子量。由羟基提供的氢键作用，连同多元醇的高分子量和高沸点，减轻了染料从膜中的迁移，即膜的褪色，和使膜具有持久的色牢度。染色浴进入膜中的快速扩散可通过染色浴的热和超声波激励来增强。
文档编号D06P5/20GK1608158SQ02825884
公开日2005年4月20日 申请日期2002年12月13日 优先权日2001年12月21日
发明者X·杨, R·B·特纳 申请人:贝克特股份有限公司