发明背景
本发明广泛涉及提供与单个纤维、编织物和层压材料着色相关的系统和方法。
在纺织纤维工业中,对纤维的着色存在大量要求,至少对大多数的军事、商业、服装、工业、医疗和航空应用来说是如此。然而,层压增强材料是素色的(plain),不利于染色或着色。用于向层压材料中添加颜色的一种已知技术是涂覆该材料。然而,涂料材料通过使用和随着时间的推移在阳光下褪色而使漆料脱落。这些缺陷在柔性层压材料中可能非常显着。在另一现有技术实施方式中,层压增强材料与附加的膜层或其它材料组合以产生纤维增强的柔性织物。其他附加材料可以包括能够染色的更传统的织布。这种材料通常存在于需要高性能的应用中,视觉或美观外观是次要的。典型的接受的外观是如所制造的素色的和/或缺乏视觉着色、图案或图形。
传统上,超高分子量聚乙烯(uhmwpe)纤维以单一且仅一种颜色(即半透明白色)可用。这种纤维例如以品牌名称
迄今为止,uhmwpe纤维如
在纺丝和拉伸操作之前将着色剂添加到聚乙烯聚合物前体中的尝试也一直不成功,这主要是由于链断裂和聚合物降解或者聚合物与着色剂之间的相互作用而导致的机械性能的不可接受的降低,通常降低大于50%,而且由于加工困难、供应链问题和必须支持前体聚合物的多种有色变体的制造复杂性、以及用于运行和不同着色纤维的设备的清洗和重新设置。即使有大量的清洗停机时间,也很难避免各种纤维颜色不同运行之间的交叉污染。
因此,期望生产经着色的或可着色的、图案化的或富集其它物理性质(如耐褪色性)的着色纤维、编织物和层压增强材料。
发明概述
在本公开的各种实施方式中,使用染料升华着色技术来着色uhmwpe材料。在各个方面,uhmwpe材料包括纤维、编织物和层压合复合材料中的任何一种。例如,根据本文方法着色的uhmwpe材料可以包括通过凝胶纺丝技术制成的拉伸uhmwpe纤维,例如
更重要的是,尽管其它着色技术可以不利地将uhmwpe纤维的机械性能降低50%或更多,但是通过本文的染料升华方法可以实现将着色剂注入纤维本身,而不会使纤维的机械性能(如强度和工程杨氏模量)有显著变化,这两者都对uhmwpe纤维至关重要,也是纤维的主要卖点。
在本公开的各种实施方式中,uhmwpe纤维和编织物沿着每个纤维或纤维编织物在多个部分中以两种(2)或更多种颜色着色,(a)不会使纤维/编织物的拉伸强度降低超过10%;(b)没有过多的着色剂残留物;和(c)不使用表面涂层(仅仅是着色剂/染料)。在各种实施方式中,所述方法包括将纤维缠绕在可膨胀心轴周围,并允许心轴在着色过程期间膨胀和张紧纤维。
在各个方面,将染料转移到复合材料的方法包括:将染料施加到转移介质以产生经着色的转移介质;将经着色的转移介质放置成与复合材料接触;并且例如通过使用高压釜施加热、外部压力和真空压力中的至少一种来将染料注入到复合材料中以产生经着色的复合材料。该方法可以进一步包括将复合材料冷却至使复合材料保持所期望形状的温度。在各个方面,该方法还可以包括通过对复合材料施加至少一种紫外线或电子束辐射来固化染料。此外,该方法可以进一步包括向复合材料添加涂层(例如聚酰亚胺)。此外,该方法可以进一步包括向复合材料添加聚氟乙烯(pvf)膜和/或将尼龙和/或聚氨酯涂层添加至复合材料。在各种实施方式中,使用膜作为颜色转移介质,使得在着色过程之后作为膜涂层保留在复合材料上。
在各种实施方式中,复合材料包括无纺材料或纺织材料。在各种实施方式中,复合材料包含至少一层纺织材料和至少一层无纺材料。转移介质可以包括转移纸、转移层压体或转移膜中的至少一种。染料可以以图案、图形或徽标的形式被施加到转移介质上,并且其中复合材料被分别注入匹配的图案、图形或标志。此外,可以使用直接印刷将染料施加到转移介质上。
附图说明
图1示出了旋转颜色转移系统的示例性实施方式;
图2a和2b示出了热压颜色转移系统和相应压力图的示例性实施方式;
图3示出了示例性热压工艺的流程图;
图4a和4b示出了高压釜颜色转移系统和相应压力图的示例性实施方式;
图5示出了示例性高压釜工艺的流程图;
图6示出了线性颜色转移系统的示例性实施方式;
图7示出了多层颜色转移叠层的示例性实施方式;
图8示出了根据本公开的可膨胀结构的实施方式;
图9示出了用于纤维和编织物样品的高压釜固化程序的实施方式,针对高压釜温度(°f)和部件温度(°f)绘制的温度与时间曲线;
图10示出了用于纤维和编织物样品的高压釜固化程序的实施方式,针对高压釜压力(psi)和真空度(psi)绘制的压力/真空度与时间曲线;
图11示出了作为原样接收(as-received)材料的
图12示出了作为原样接收材料的
图13示出了
图14示出了
图15示出了对于所接收的1000,400旦尼尔纤维的韧度与拉伸应变的曲线图;和
图16示出了用于染色的
发明详述
虽然本文中详细描述的示例性实施方式足以使本领域技术人员进行本发明,但是应当理解,可以实现其他实施方式,并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行逻辑性的材料、电气和机械变化。因此,仅为了说明性目的给出以下详细描述。
材料
在各种实施方式中,根据本公开对纤维、编织物、织物和层压材料着色。各种类型的纤维和编织物包括例如
各种类型的复合材料包括纺织材料和无纺材料。在示例性实施方式中,纺织材料包括许多低旦尼尔丝束(即轻质纤维)。纺织材料包括以纺织模式在彼此上方和下方通过的纤维,其可导致纤维中的一定程度的卷曲。而且,在纺织材料中,当试图拉直卷曲纤维时,拉伸载荷会引起纤维重叠部分的横向载荷。横向载荷降低了纤维强度向织物强度的平移,减少了长期疲劳性能和蠕变断裂性能。在示例性实施方式中,更高性能的工程纤维具有更显著的卷曲相关的减少性能。这在纤维中特别显著,其优化了轴丝性能并降低了丝线的横向性能。
如本文所用,复合材料被定义为在一个或多个方向上取向的一层或多层单向纤维和聚合物基质叠层。例如,相邻叠层中的单向纤维可以以它们的方向之间的角度偏移。相比之下,在示例性实施方式中,无纺复合材料使用高旦尼尔丝束以便于制造性。无纺复合材料,例如毡,包含不在彼此上方和下方通过且因而不会卷曲的纤维。无纺复合材料的优点是无限制的纤维面重(单位面积纤维的重量)。换句话说,较粗的纤维可以用于无纺材料中而不用于纺织材料中。无纺复合材料的另一个优点是能够以相对于其它层中的纤维任意角度取向的多层纤维形成复合材料。此外,在一个示例性实施方式中,无纺复合材料被设计为在特定位置处或者根据需要沿着预定的负载路径具有最佳重量、厚度和强度。此外,由高模量纤维构成的无纺复合材料可以具有用于工程设计的可预测的和线性性能。
根据示例性实施方式,复合材料在制造过程中被注入颜色。在各种实施方式中,复合材料包含一层或多层稀疏散布的高强度纤维,例如uhmwpe(例如作为
在本发明的上下文中,“高强度”是指至少1.5gpa、优选2.5gpa、更优选至少3.6gpa、最优选至少4.2gpa的拉伸强度。根据本文公开的方法进行着色的纤维除了通过特定化学组成的表征外,还可以通过各种物理性能来表征。这些性能例如涉及纤维的拉伸和强度。如astmd885m中规定的,定义并在复丝纱线上确定拉伸性能(在25℃下测量):拉伸强度(或强度)、拉伸模量(或模量)和断裂伸长率(或eab),使用标称标距长度为500毫米的纤维和50%/min的十字头速度。在测量的应力-应变曲线的基础上,将模量确定为约0.3和1%应变之间的梯度。为了计算模量和强度,将测得的拉力除以纤度,通过称重10米的纤维来确定纤度;假定密度为0.97g/cm3,以gpa来计算值。
(例如用于纤维的)聚合物通常具有能够根据astmd1601-2004(在135℃下,十氢化萘中)测定的“特性粘度”(iv),溶解时间为16小时,使用dbpc作为抗氧化剂,用量为2g/l溶液,通过将在不同浓度下测量的粘度外推至零浓度来测量。
线性聚合物的特征还在于存在的侧链的量。例如,uhmwpe样品中侧链的数量通过ftir在2mm厚的压缩模塑膜上确定,通过使用基于nmr测量的校准曲线来定量在1375cm-1波长处的红外辐射的吸收(如例如在ep0269151中公开)。
注入的颜色可以在复合材料的一侧或两侧上显示为纯色、图案或任何类型的图形,例如图片或徽标。其他可能性包括制造复合材料以具有条纹、圆点、图形、形状等。在一个示例性实施方式中,层压膜和/或织物还可以具有预先结合以与着色工艺相互作用、协同或修改的其它色调升华或不升华、着色基底、改性剂或紫外或颜色稳定剂。
根据本公开可用于升华/扩散的着色剂可以包括染料或颜料或其组合。例如,本发明使用的升华染料典型地来自以下类型的染料:酸染料、瓮(vat)染料、颜料染料、分散染料、直接染料和活性染料。在各种实施方式中,优选分散染料和直接染料。这些染料由称为偶氮、蒽醌和酞菁染料体系的化学类有机体系制备。在其它方面,颜色可能性包括颜料如二氧化钛、炭黑、酞菁蓝、喹吖啶酮红、有机黄、酞菁绿、深黄赭石、埃尔柯诺橙、威尼斯红、棕土色、古纳特绿(viridiangreen)、群青和锡灰。在纤维、编织物和复合材料着色的一些实施方式中,皇家蓝、水蓝(aquablue)、黑色、虹鳟灰(steelheadgray)、四色黄(processyellow)、火红(firered)、猩红(scarletred)、四色红(processred)、玫瑰红(rubinered)、洋红、海军蓝、四色蓝(processblue)和凯利绿(kellygreen)升华染料是有用的,并且可以单独使用或以各种组合使用来用于着色图案。术语“染料”和“颜料”在本文中可互换使用,通常是指该方法的着色剂。
在其他各种实施方式中,复合材料还可以具有被添加以改变材料的各种表面性质的各种涂层。各种涂层可以与添加到该材料中的彩色染料一起添加或者作为添加到该材料中的彩色染料的替代物。在第一示例性实施方式中,将膜涂层添加到材料中。特定的膜涂层可用于增加或减少复合材料的拉伸强度、坚韧性、化学和尺寸稳定性、焊接性、气体阻隔性能、电性能、耐高温性、紫外或红外辐射性能,和/或减少摩擦系数。在第二示例性实施方式中,将聚酰亚胺涂层加入到复合材料中。聚酰亚胺涂层可以改变材料的电性能和介电性能。此外,聚酰亚胺涂层可以被配置为在宽的温度范围内增加材料性能的稳定性。在第三示例性实施方式中,将诸如聚氟乙烯(pvf)膜
根据示例性实施方式,复合材料可以与纺织涂层层叠以产生复合材料混合物。纺织涂层可以并入以增加耐磨性。例如,复合材料上的纺织涂层可以包括尼龙纺织层。此外,在示例性实施方式中,复合材料混合物可以被设计成将复合材料和涂层的各种材料性质组合以产生高强度、尺寸稳定的柔性复合材料。复合材料混合物的示例性应用包括军事应用,例如高级视觉伪装和/或红外特征减少。另一个例子是在弹道盔甲背心中使用。
在示例性实施方式中,进行升华注入以实现复合材料的各种添加。添加物可以包括例如颜色、图案和光泽应用、镜面或红外反射率改性、抗微生物或药物、表面粘附改性剂、纳米材料输注、介电改性剂、印刷导电金属或聚合物材料,以添加电气/介电导电特征或电路图案,和/或引入阻燃材料或阻燃材料的协同组分在层压体、表面膜或表面织物中。在一个示例性实施方式中,将紫外线稳定或固化添加剂引入材料中。这些添加剂可以延长复合材料的使用寿命。
此外,在各种实施方式中,与复合材料一起使用阻燃粘合剂或聚合物。此外,可以将阻燃剂加入到易燃基质或隔膜中以改善复合材料的阻燃性。阻燃剂可以以多种方式起作用,例如吸热降解、热屏蔽、气相稀释或气相自由基淬灭。阻燃添加剂的实例包括:dowd.e.r.593溴化树脂,dowcorning3阻燃树脂和具有三氧化锑的聚氨酯树脂(例如来自pdmneptecltd.的emc-85/10a),尽管其它阻燃添加剂也可以是合适的,如本领域技术人员已知的那样。可用于改善阻燃性的阻燃添加剂的其它实例包括fyrolfr-2、fyrolhf-4、fyrolpnx、fyrol6和safron7700,尽管其它添加剂也可以是合适的,如本领域技术人员已知的。在各种实施方式中,也可以通过使用阻燃纤维、陶瓷或金属线丝、固有的阻燃纤维或通过涂布纤维将阻燃性和自熄性特征添加到纤维中。阻燃纤维的实例包括
在各种实施方式中,通过本文所阐述的各种施用方法中的任何一种,将复合材料组装成可以着色或纹理化的外表面层的多层复合材料。外表面层可以是单向叠层、膜、无纺织物或毡、织布、可焊接热塑性隔膜、防水透气隔膜和织物稀松布。这些外表面材料可以具有与各种输注转移、升华转移或辊转移方法互补的初始着色或图案,以获得所期望的美观效果或视觉效果。此外,为了调整成品着色材料的饱和度、色调、不透明度或光透射率,也可以将各种粉末着色剂、着色染料或升华着色剂添加到单向层叠层的粘结粘合剂或层压树脂组分中。为了进一步调节成品着色材料的饱和度、色调、不透明度或光透射率,可以在一个或多个层叠层间界面之间添加一个或多个有色、不透明或遮光的膜。
所述复合材料适用于多种应用:工业和技术纺织品、服装、运动用品、水上运动、划船和帆船材料、帆布、狩猎和钓鱼、气球和轻型航空车辆、商业织物、室内装潢、充气结构、军服、齿轮、医疗或防护用品或装置、张力结构、地震结构加固材料、横幅和标牌以及其它柔性材料或织物应用,其中柔性复合材料的高性能、轻质量、高强度、抗撕裂性、高柔韧性、弯曲寿命、耐久性、耐候性和独特特性是非常期望的,但是美观或视觉着色、图案、图形和其它视觉特性或效果也是材料或产品的预期目的的重要组成部分。诸如吸收或反射各种波长的紫外线区域、可见光区域、红外区域或电磁光谱的其它区域和/或表面纹理或形状、光泽(gloss或sheen)、不透明度、透光或挡光、或色牢度和抗褪色性的性质也是所期望的。
由于许多这些潜在的应用是消费者导向的,例如服装、户外、体育用品、狩猎和钓鱼、水上运动、划船和帆船、或医疗织物或纺织品,其具有特殊要求或特征,例如阻燃性或耐火性、防臭性、防霉性或抗微生物性、耐水性和/或透气性、耐化学性或耐磨性,所以考虑方法和材料的任何组合以满足预期应用的期望特性。
施加颜色的方法
可以实施各种方法以促进染料转移到复合材料。这些方法通常有两种类型的过程:连续过程和间歇过程。连续过程是以稳定的线速度或以稳定的逐步停止-起动速率展开材料的方法。将材料组装、固结、着色、纹理化,然后重新卷绕到回卷辊上。在间歇过程中,将复合材料成分和着色剂装载到压力机、真空袋或高压釜中,然后进行加热/固化过程。
根据示例性实施方式,染料转移的各种方法可以包括从印刷或饱和载体的热转移;通过喷墨或染料升华打印机直接印刷到层压体或表面膜上;将染料、色彩或升华的颜色或图案直接结合到复合材料或基质上或复合材料或基质中;热传递到复合材料或膜上;并浴浸渍或浸泡注入。在一个示例性实施方式中,升华油墨用于更耐用和永久的着色。
根据示例性方法,使用转移载体基材将颜色施加到复合材料上。作为初始步骤,选择转移载体,例如膜或纸。施加的颜色可以是纯色,或者可以是放置在转移载体上的图案或图形。转移载体着色方法可以使用喷墨打印机、凹版辊涂布机、狭缝式涂布头、浸渍浴槽涂布、网纹辊涂布、刮刀涂布机、倒辊涂布机和气刀涂布机中的至少一种。在各种示例性实施方式中,通过直接印刷或转移到层压材料的预期表面、层或层压材料与高压釜、带式压机、真空烘箱等的界面,可以促进对复合材料施加纯色。
在直接打印的各种示例性实施方式中,可以通过使用喷墨打印机、升华打印机、柔版印刷机工艺、网纹辊印刷和胶版印刷中的至少一种来促进将图案或图形应用于复合材料。
无论转移的是固体颜色还是图案/图案,转移载体基材都接近复合材料,使得通过各种方法和系统施加的热量(如果使用单独的载体),以将颜色或图案转移、注入或升华至复合材料上。
用于实现对复合材料的颜色转移的各种系统和方法包括加热的旋转系统、加热的压机系统、高压釜系统、染料注入系统、加热的线性颜色转移系统、真空烘箱和基质颜料色彩着色。
加热的旋转系统
在一个示例性实施方式中并且参考图1,旋转颜色转移系统100包括旋转加热辊110、张紧带120、用于接收颜色130的材料卷和颜色转移载体140。旋转颜色转移系统100是用于将颜色或图形应用于材料130的连续卷对卷过程。接收颜色的材料130可以是织物、布、膜或层压材料。然后可以将膜或织物用于制造复合材料。例如,成品复合材料、膜或织物前体的卷可以通过旋转颜色转移系统100运行以设置或注入颜色。在示例性实施方式中,材料130可以在通过旋转颜色转移系统100的带按压部分供料之前被预先涂覆或预先印刷有颜色。
在其它实施方式中,颜色转移载体140可以是膜或纸。颜色转移载体140可以通过旋转颜色转移系统100从展开辊上进行供料并加工,以将颜色或图案转移到材料130,例如膜、织物和复合材料。因此,张紧带120与旋转的加热辊110接触。此外,材料130和颜色转移载体140彼此接触地加工并在旋转加热辊110和张紧带120之间滚动。颜色可以通过直接打印(在线或离线)而施加到材料130。在线方法包括将颜色或图案涂覆或涂布到复合材料、膜或织物或颜色载体140上,作为旋转颜色转移系统100的带按压部分的一部分。离线方法包括将颜色或图案涂覆或涂布到层压体、膜或织物或颜色载体140上,作为单独的间歇过程的一部分,然后被设置到旋转颜色转移系统100的带按压部分上。在示例性实施方式中,加热的旋转带120可以被与层压过程在线使用。此外,颜色可以从颜色转移载体140来转移。在示例性实施方式中,在旋转加热辊110和张紧带120之间建立真空以便于颜色注入和转移。可以使用各种方法来产生如本领域技术人员已知的真空。
在一个示例性实施方式中,并且如图1所示,颜色转移载体140最靠近旋转的加热辊110,并且材料130最接近张紧带120。在其它示例性实施方式中,材料130最接近旋转加热辊110并且颜色转移载体140最靠近张紧带120。在一个示例性实施方式中,材料130和颜色转移载体140二者是具有如下特征的单个辊:通过如上所述的旋转带过程解卷、加工,然后重新卷绕到各个辊上。
加热的压机系统
根据一个示例性实施方式并且参考图2a和2b,加热的压机颜色转移系统200包括两个板210或其它类似的硬表面,用于接收颜色220的材料和颜色载体230。在另一个实施方式中,加热的压机颜色转移系统200还包括由天然或合成橡胶制成的增压器层240。作为一个例子,torrtechnologies或airtechinternational生产合适的衬件橡胶。增压器层240连接到两个板210中的至少一个的内部,使得增压器层240位于两个板210之间且与复合材料220和/或颜色载体230接触。在示例性实施方式中,增压器层240至少有一定的压缩能力。压缩有助于施加到两个板210上的附加压力并且转移到材料220和颜色载体230上。在各种实施方式中,增压器层240可以具有一个或多个光滑的镜面、光滑的无光泽表面、和纹理或图案表面的组合以提供补充着色剂的期望的表面光泽或纹理。
在一个示例性过程中并且参考图3,热压工艺300包括四个主要步骤。首先,将颜色色素/染料转移到彩色载体上,其可以包括在一侧或两侧上具有表面膜或布表面的复合材料,或者可以包括转移纸/膜载体(310)。在各种实施方式中,膜或布表面可以在层压体的一侧或两侧上引入互补颜色或预印的图案、图像或设计。此外,转移纸/膜载体可以包含纯色、一种或多种颜色图案或印刷图形以形成图像、设计或图片。此外,转移介质还可以包括光滑或有纹理的表面,以赋予表面在着色表面的一侧或两侧上具有所期望的光泽度或光滑纹理图案。第二,将颜色色素/染料转移定位成与复合材料(320)接触。第三,施加热和压力以将颜色、图形、纹理或图案转移、升华和/或注入材料(330)。温度通常为约70°f至约650°f,压力范围为从保持材料紧密接触的最小值(通常为2psi)至最大值10000psi。施加的温度和压力取决于所使用的特定着色剂、待施加着色剂的基材以及所期望的层压或固结程度。第四,将材料冷却到使成品保持平坦或所期望形状的温度,并且使得完成的着色材料不会损坏、变形或分层。一旦系统处于去除温度或低于去除温度,则从加热的压机(340)移除材料和着色载体。
在又一个示例性实施例中,加热的压机颜色转移系统还包括真空以增加该过程中的压力。示例性的真空可以通过将压机压板封闭在可密封的真空室内或通过将层压体封装在真空袋系统中来产生。所施加的真空度可以在约5至约29英寸汞柱(hg)的范围内。一旦施加真空,将组件放入压机中,使得压板在加热循环和冷却循环的配置(profile)期间施加适当的压力分布。
实施真空有利于帮助升华着色剂进入基材、降低发生升华着色剂转移的温度、从材料中除去任何被捕获的空气或气泡,并防止在较高温度下的氧化。如果合适,材料可能暴露于紫外线或电子束辐射,以固化或凝固可固化的色素或染料。
高压釜系统
根据一个示例性实施方式并且参考图4a和4b,高压釜颜色转移系统400包括刚性或加强的弹性体工具板410和任选地在真空袋430内的刚性或弹性的衬板(caulplate)420。在各种实施方式中,工具板410通常是具有光滑表面的刚性板,而衬板420可以比工具板410更薄和/或更柔顺。真空袋430由柔性的不可渗透材料制成,或者可以是柔性的、不可渗透的弹性隔膜。或者,真空袋430可以密封到第一衬板410的侧表面或外表面。真空袋430通常为0.001至0.015英寸厚的尼龙或其它用胶带或粘性高温堵缝材料密封的膜。合适的袋子和密封材料包括airtechsecurelonl500y尼龙真空袋和tmitackytape或aerotechat-200y密封胶带。此外,如果使用隔膜来代替真空袋,则隔膜通常是低硬度、耐高温硅橡胶,并且通常具有0.032-0.060英寸的厚度。
代替直接印刷或颜色转移到材料,高压釜系统400还包括一个或多个颜色转移载体440和着色剂接收材料或层压体450。颜色转移载体440放置成与接收材料450接触,其中两者在工具板410和衬板420之间。对于具有高压和高温操作或具有大面积的实施方式,可将可渗透的毛毡或无纺透气材料包裹在衬板的顶部上,以允许空气在真空袋430下自由流动以提供均匀的压实压力。合适的透气材料的一个例子是airtechairweave10。真空袋430内的空气通过真空抽头460去除,该真空抽头460在系统400中产生压力差,以在真空袋430内的部件上提供压实压力。在一个示例性实施方式中,真空袋430可以放置在加压高压釜470内,使得真空袋430外部的高压釜470内的高压被提升到预定水平。预定水平可以是高达1000psi的环境大气压力以提供压实力,而真空袋430下的压力保持在小于2至高达约29英寸hg的真空。
在一个示例性实施方式中,在高压环境中更容易产生热量,并有利于将染料转移到接收材料450上。高压釜内部的温度可以设定为预定的加热速率曲线、温度保持和冷却曲线。典型的温度升温速率从每分钟2-50°f变化到70°f至600°f的温度范围,冷却速率范围为每分钟2-20°f。对于冷却曲线,将材料冷却到使成品保持平坦或处于所期望形状并使得完成的着色材料没有损坏、变形或分层的温度。一旦系统处于去除温度或低于去除温度,将材料和着色载体从高压釜中取出并从袋中取出。在一个示例性实施方式中,高压釜颜色转移系统400是非常有效的并且可以被引入到复合材料制造过程中。
在一个示例性方法中并参照图5,高压釜方法500包括四个主要步骤:
(1)将颜色色素/染料转移施加到颜色载体上,其可以包括在一面或两面上具有表面膜或布表面的层压体,或者转移纸/膜载体(510)。膜或布表面可以在层叠体的一侧或两侧上引入互补颜色或预印图案、图像或设计。转移纸或介质可以包含不间断区域中的单一颜色、单色或多色图案或任何颜色组合的印刷图形,以形成图像、设计或图片。转移介质还可以包括光滑或有纹理的表面,以使表面具有给定的光泽度、在着色的一面或两面上的光滑纹理图案;
(2)放置颜色色素/染料转移物以与复合材料(520)接触;
(3)施加热和压力以及真空以将颜色、图形、纹理或图案转移和/或注入或升华到材料(530)。温度通常为约70°f至约650°f,压力范围为从保持材料紧密接触的最小值(通常为环境大气压)至最大值1000psi。施加的温度和压力取决于所使用的特定着色剂、待施加着色剂的基材以及所要求的层压或固结程度;和
(4)将材料冷却至使最终制品保持平坦或处于所期望形状并使得完成的着色材料没有损坏、变形或分层的温度。一旦系统处于去除温度或低于去除温度,材料和颜色载体从真空袋工具组件(540)中移除。在各种合适的实施方式中,材料可以暴露于紫外或电子束辐射以固化或设置可固化的色素或染料。
线性颜色转移系统
在一个示例性实施方式中并且参考图6,线性颜色转移系统600包括旋转水平带压机610,膜或隔膜620以及颜色转移载体630。环形旋转带形成连续过程,其能够对复合材料650以及颜色转移膜或纸载体630施加均匀的连续固结压力,以保持用于注入或升华颜色转移的紧密接触。将材料加热到足够的温度以在加压加热区域中进行颜色输注,然后将复合材料和颜色转移介质冷却至等于或低于复合材料的安全去除温度的温度。线性颜色转移系统600可以是用于将颜色或图形应用于复合材料650的连续卷对卷工艺。接收颜色的复合材料650可以是织物、布、膜或层压材料。然后可以将膜或织物620用于制造复合材料。例如,成品复合材料、膜或织物620前体的组装卷材层的网可以通过线性颜色转移系统600运行以设置或注入颜色。在一个示例性实施方式中,在通过打印机、涂布机或处理器660的方式被供料穿过线性颜色转移系统的带按压部分610之前,材料650可以被颜色预先涂覆或预先印刷。
着色的复合材料然后可以任选地穿过一组压延辊或压花辊670,以将光滑发亮或无光泽的表面施加到复合材料上,或者将纹理施加到一个或两个外表面。根据期望的表面光洁度、表面纹理、来自压机的带部分的复合材料的出口温度或特定材料,任选的辊670可以被加热、冷却或放置在室温下。复合材料网的典型运行速度范围为每分钟2-250英尺。压机610的带部分和辊670可以被设定为预定间隙或预设压力到预设辊间隙,或者将间隙设置为零,并且以预定压力来确保在给定压力分布下的完全固结。典型的间隙设置范围为0.0002″至0.125″,典型压力范围为每线性英寸宽度5至1000lbf。辊和带系统可以被加热以将材料固结和/或转移、注入或升华到复合材料的一侧或两侧中。复合材料的单个叠层可以通过手工铺设、通过自动铺带或通过自动化的机器人拾取和放置操作,来从辊卷解开、铺设在复合网上。典型的加热温度设定值范围为70°f至550°f。
此外,典型的加热温度设定点的范围为70°f至550°f。
诸如e-束或uv灯阵列的辐射固化系统可以被在线地布置。线性系统的一个优点是它可以将单向纤维叠层的组件集成到结构增强中,将着色剂的施加、各种任意的内部或表面膜层、无纺布层和纺织层结合到一个多步整合的制造工艺,其中基本的单向纤维叠层被转换成成品的着色卷料。
多层复合材料颜色输注
在一个示例性实施方式中,多层复合材料颜色输注可以使用加热的压机颜色转移系统(例如系统200)或高压釜颜色转移系统(例如系统400)进行。在任一过程中并参考图7,包含多个衬板710、阻挡层/透气层720、颜色载体730和层压体740的多层堆叠可以代替在系统200和系统400中描述的复合材料和颜色载体的单个堆叠。
间歇染料输注
在一个示例性实施方式中,复合材料、表面膜和表面织物也可以通过间歇染色或输注而引入颜色。在这个过程中,复合材料、膜或织物的卷被颜色介质或色素饱和并放置在容器中并暴露于合适的热、压力或真空分布以适用于注入颜色介质。然后将以这种方式处理的膜或织物引入层合体中。
基质颜料和色素着色
在染料升华/扩散到纤维和编织物中的替代方案中,可以将颜料加入用于单向纤维叠层制造工艺中的粘合剂树脂中,从而导致随后用于制造复合材料的颜色注入的单向带。例如,直接添加到粘合剂树脂中的材料包括但不限于二氧化钛、炭黑、酞菁蓝、喹吖啶酮红、有机黄、酞菁绿、深黄赭石、埃尔柯诺橙、威尼斯红、棕土色、古纳特绿、群青和锡灰。在一个示例性实施方式中,由使用着色的单向纤维叠层所产生的着色复合材料可以使用前述工艺进一步着色,即加热的旋转系统100、加热的压机系统200/300、高压釜系统400/500、线性系统600、多层层压颜色输注700和/或间歇染料输注。
张紧条件下的纤维和编织物着色-一般注意事项
在各种实施方式中,在着色期间纤维或编织物处于张力下。认为着色期间的张紧在一定程度上拉伸纤维,抵消了纤维的收缩并且消除了纤维每线性长度添加的着色剂的添加重量。不希望受任何特定理论的约束,相信在加热期间通过张紧来控制纤维的固有收缩使得纤维中延伸的聚合物链的干扰最小化。在着色期间张紧可以保持相对恒定,或者着色期间张紧可能变化(增加或减少)。此外,预先拉伸的纤维在着色期间随后暴露于热量时可能在一定程度上松弛,这意味着着色期间纤维的张力可能小于在着色之前施加的预张紧力。
在一个变例中,纤维或编织物缠绕在可调节的装置周围并且在着色过程开始之前预张紧到期望的张力(即力)。这种可膨胀结构可以包括可膨胀管状构件,例如膨胀筒,其具有周向布置的段,所述段通过例如具有比未膨胀段的内径(id)大的直径的螺栓的作用彼此分开地驱动。这种装置有时被称为“用于id保持的膨胀夹具”。装置的更精细的变化可以包括棘轮机构,其将相对方向上的成对元件(例如杆)推动,从而增加该对之间的距离,从而增加缠绕在其上的纤维或编织物上的张力。纤维或编织物的预张紧可以是数字上小于纤维或编织物的断裂点的任何水平的张紧。也就是说,纤维或编织物可以预张紧至其断裂强度的百分比(<100%)。例如,为了使拉伸强度为约3.6gpa的uhmwpe纤维着色,纤维在20℃下预张紧至其断裂强度的1-30%将等于在着色之前纤维预张紧至36mpa至约0.36gpa的力。在各种实施方式中,纤维在20℃下围绕合适的装置预张紧至等于纤维断裂强度的1-30%的力。在其它实施方式中,纤维在20℃预张紧至等于纤维断裂强度的2-20%的力。在其它实施方式中,纤维在20℃预张紧至等于纤维断裂强度的3-10%的力。在将纤维卷绕在整个纸上之前并且在通过膨胀螺栓或棘轮机构进行预张紧之前,可以将染料转移纸放置在整个装置上。在各种实施方式中,将另一层染料转移纸放置在预张紧纤维上。然后,在卷绕和预张紧纤维的一侧或两侧上具有一个或多个染料转移纸的组装装置被加热,以使着色剂从转移纸中升华并扩散到纤维中。在其它实施方式中,将纤维预张紧在张紧装置上,然后将该装置简单地浸入加热的染料容器中,直到张紧的纤维被着色。
在另一个变例中,纤维或编织物缠绕在着色过程期间膨胀的结构周围,在这种情况下,在着色过程开始时,纤维或编织物的张紧从着色过程开始时很少至没有的张力增加到在着色过程中期望的张力。当加热至高于环境温度至少约10℃时,这种结构可以以可测量和可预测的速率膨胀。例如,当基于已知的铝的热膨胀系数(cte)加热时,铝管或心轴的直径以已知的速率膨胀。当在纤维着色期间将管加热至至少10℃的温度升高时,管(例如铝管)的直径的逐渐增加导致缠绕在管周围的纤维的张力增加。
uhmwpe纤维,例如
在各种实施方式中,可膨胀结构包括由具有约5×10-6/k至约30×10-6/k的cte的材料制成的管。在各种实施方式中,可膨胀结构是由玻璃、金属、花岗岩、混凝土或石英制成的管。在各种实施方式中,金属选自铝、铜、纯铁、铸铁、银、铅、镍、钯和不锈钢。在各种实施方式中,可膨胀结构是id约为壁厚的20倍的玻璃、金属、花岗岩、混凝土或石英管。管的长度主要基于实用性来选择,例如用于施加热、压力、力和真空中的至少一种的高压釜或其他系统的尺寸,着色过程的规模(例如,多少米的纤维被着色),待着色的复合材料的宽度,管的成本等。
对于张紧纤维的间接涂布,可以使用具有纯色和图案化颜色的染料升华着色剂饱和的商业转移纸作为染料转移介质。尽管这些转移纸适用于较小规模的工艺,但对于生产应用,染料升华着色剂可以通过广泛的涂布方法(如凹版涂布)直接施加到模具心轴或加工设备。
在各种实施方式中,将染料转移到纤维、编织物或复合材料的方法包括:a)将所述纤维、编织物或复合材料包裹到可膨胀结构上;b)将染料施加到转移介质上以产生经着色的转移介质;c)将经着色的转移介质放置成与纤维、编织物或复合材料接触;以及d)施加热、外力、外部压力和真空压力中的至少一种以将染料注入到纤维、编织物或复合材料中,以产生经着色的纤维、编织物或复合材料。该过程的温度通常在约70°f至约650°f的范围内,并且压力范围从保持材料紧密接触的最小值(通常为环境大气压)至最大值1000psi。在优选的实施方式中,着色过程的温度接近但低于纤维的熔点。在各种实施方式中,经着色的转移介质是在一侧具有染料的染料转移纸。在其它实施方式中,高压釜可以与施加热、力、压力和/或真空结合使用。在各种实施方式中,可膨胀结构包括可调节的装置,其可以在20℃下膨胀以预先将纤维预张紧,优选为着色前纤维的断裂强度的1-30%,更优选2-20%,或最优选3-10%。在其它实施方式中,可膨胀结构是管,例如玻璃、金属、花岗岩、混凝土或石英,其在温度升高至少10℃时逐渐膨胀,以在着色过程中张紧纤维并抵消由于加热而发生的纤维的收缩。
在各种实施方式中,将染料转移到纤维、编织物或复合材料的方法包括:a)将染料施加于转移介质以产生染料转移介质;b)将染料转移介质包裹在可膨胀结构上,离开暴露的染料转移介质的染料涂层侧;c)将所述纤维、编织物或复合材料包裹在整个染料转移介质的顶部上并与染料转移介质接触;以及d)施加热、外力、外部压力和真空压力中的至少一种以将染料注入到纤维、编织物或复合材料中,以产生经着色的纤维、编织物或复合材料。在各种实施方式中,着色转移介质是在一侧具有染料的染料转移纸。在各种实施方式中,高压釜可以与施加加热、压力和/或真空结合使用。在各种实施方式中,待染色的材料可以直接缠绕在可膨胀结构上(例如绕着金属管或可膨胀装置缠绕纤维),或者染料转移介质可以被包裹在可膨胀结构上,然后纤维、编织物或复合物缠绕在染料转移介质周围,使得染料转移介质在可膨胀结构和待染色的纤维、编织物或复合物之间。该过程的温度通常在约70°f至约650°f的范围内,并且压力范围从保持材料紧密接触的最小值(通常为环境大气压)至最大值1000psi。在优选的实施方式中,着色过程的温度接近纤维的熔点。在各种实施方式中,可膨胀结构包括可调节的装置,其可以在20℃下膨胀以预先将纤维张紧,优选为着色前纤维的断裂强度的1-30%,更优选2-20%,或最优选3-10%。在其它实施方式中,可膨胀结构是管,例如金属管,诸如铝、铜、纯铁或铸铁,其在加热过程中逐渐膨胀以在着色过程中张紧纤维,并抵消由于加热发生的纤维的收缩。
在各种实施方式中,将染料转移到纤维、编织物或复合材料的方法包括:a)将染料施用于转移介质以产生染料转移介质;b)将染料转移介质包裹到可膨胀结构上;c)将所述纤维、编织物或复合材料包裹在整个染料转移介质的顶部上并与染料转移介质接触;d)在整个所述纤维、编织物或复合材料上包裹另外的染料转移介质,使得染料涂覆的一侧与纤维、编织物或复合材料接触;以及e)施加热、外力、外部压力和真空压力中的至少一种以将染料注入纤维、编织物或复合材料中,以产生经着色的纤维、编织物或复合材料。换句话说,可以使用两层染料转移介质来夹住要染色的纤维、编织物或复合材料,所有这些都以层的形式缠绕在可膨胀结构上。该过程的温度通常在约70°f至约650°f的范围内,并且压力范围从保持材料紧密接触的最小值(通常为环境大气压)至最大值1000psi。在优选的实施方式中,着色过程的温度接近但低于纤维的熔点。在各种实施方式中,可膨胀结构包括可调节的装置,其可以在20℃下膨胀以预先将纤维张紧,优选为着色前纤维的断裂强度的1-30%,更优选2-20%,或最优选3-10%。在其他实施方式中,可膨胀结构是玻璃、金属、花岗岩、混凝土或石英管,例如诸如铝、铜、纯铁或铸铁的金属,当温度升高至少10℃时,其逐渐膨胀以在着色过程张紧纤维,并抵消了由于加热而发生的纤维的收缩。
张力下纤维着色的示例性程序
在该实施例中,当纤维和可膨胀结构两者一起加热时,通过差异(和相反)的热膨胀在二者之间提供张力。金属通常是适合根据本发明方法使用的可膨胀结构的结构材料,其中金属管是理想的。在各种实施方式中,可膨胀结构包括具有任何壁厚、直径和长度的金属管。在各种实施方式中,金属管包括铝、铜、纯铁或铸铁。在各种实施方式中,可膨胀结构包括具有约20倍壁厚的id的铝管。在各种实施方式中,可膨胀结构包括具有0.5英寸壁厚的10英寸id铝管。
图8描绘了在该实施例中使用的可膨胀结构。管890是具有0.5英寸壁厚和10英寸id的铝心轴。在该实施例中使用的纤维是
在将染料升华转移纸施加到铝心轴的表面之前,通过用甲基乙基酮(mek)或其它溶剂饱和的溶剂擦拭物擦洗表面来清洁心轴以除去任何油或污染物。随后使用手持加热的气枪冲洗mek,并将染料升华转移纸紧紧缠绕在心轴的外表面上,染料升华侧指向外侧,以便用作与待着色的纤维和编织物的接触表面。将纯色和图案化的染料升华转移纸用于本研究,当将纯色转移到纤维或编织物时使用纯色,并且当颜色的多色分割图案沿着纤维或编织物的长度施加时使用图案化的转移纸。转移纸用胶带固定在心轴上。
一旦将转移纸固定到心轴上,使用可充气的芯卡盘(corechuck)将心轴安装到张力控制的卷绕机上,并将纤维或编织线轴安装在张力控制的送经机构(letoff)。然后将
在心轴上的转移纸的外层被一层无孔的2密耳厚的
使用液环真空泵将27英寸hg的真空度施加到袋装组件上,以便检查袋或密封系统中的泄漏。
将完成的心轴组件保持在真空下并置于高压釜中。一旦在高压釜中,心轴上的真空抽头便连接到高压釜的内部真空系统。用干燥氮气将高压釜加压至5psi以保持袋不移动,并且在高压釜加热过程中将心轴上的袋下真空排气至大气以在升华纸上保持大气压,以防止在
将高压釜温度升至275-280°f的升华转移温度,并保持在该温度,直到隔热工具和
表1:纤维和编织物样品的高压釜固化程序
图9和图10是来自表1的数据的曲线图。图9和图10提供了用于着色循环的高压釜染料升华输注时间、温度、高压釜压力和心轴袋下压力安排。
在输注循环结束时,将心轴组件从高压釜中取出,并且将真空袋、透气布、
使用可充气的芯卡盘将心轴重新安装到张力控制的卷绕机上,并且将纤维或编织物重新卷绕到合适的芯上。然后将经着色的纤维和编织物在适当装备的测试实验室中进行拉伸测试。
对于测试,使用由instron的bluehill机械测试控制和数据采集系统控制的instron5667通用测试负载框架。将500牛顿instron称重传感器与一系列针对
图11是在“原样接收”状态(即在着色过程之前)对
相比之下,图13是从上面刚刚描述的方法得到的经着色的
结果
皇家蓝色1740dtex编织物的平均破坏载荷测量为89.1lbs,相应的平均强度为22.78cn/dtex。在白灰色商品未着色的1740dtex编织物中原样接收的平均破坏载荷为90.9lbs,相应的平均强度为23.24cn/dtex。比较图11与图13以表格形式比较测试结果,并比较图12至图14,来比较经着色和未着色的1740dtex编织物样品的韧度与应变的曲线图。当测试数据中的异常值被排除时,重新计算百分比强度差值下降到经着色编织物的拉伸强度降低到1.1%。
根据测试结果,确定经着色的1740dtex的
经着色的1740dtex编织物的平均模量为126.67cn/dtex,实际上比未着色的白色1740dtex编织物的平均模量(其以125.07cn/dtex测得)略微高1.2%。虽然不希望受任何特定理论的束缚,但是经着色编织物的模量的这种改进被认为是在一定程度上归因于在着色热和压力循环期间引起的张力下编织物的热定型和纤维取向。图12和图14中拉伸测试结果的强度与应变曲线的检验倾向于支持由于热定形假设而改善伸长率。
从图中可以看出,经着色编织物具有更紧密、更可再现的载荷/位移关系,最有可能是由于编织物的热定形引起。表2总结了根据本文的方法“原样接收”的
表2平均强度和平均模量
皇家蓝色着色的
表3:400旦尼尔纤维的平均强度和平均模量
图15和16是未着色(图15)和经着色(图16)的400旦尼尔(425dtex)的
测试结果显示,经着色的400旦尼尔(425dtex)的
经着色的400旦尼尔(425dtex)的
使用印刷图案染料升华转移纸间接将多种颜色施加于编织物。
在多色示例性实施方式中,使用多色“水蓝/黑色条纹/虹鳟灰(aquablue/blackstripe/steelheadgray)”彩色图案染料升华转移样品对
关于材料、工艺、方法和制造的附加细节,参考1995年11月28日发布的题为“用于制造帆和其他制品的复合材料”的美国专利5,470,062和1994年8月2日发行的题为“用于制造帆的材料”的美国专利5,333,568和2011年6月24日提交题为“用于制造柔性隔膜和其他制品的防水可渗透复合材料”的美国专利申请号13/168,912;这些专利的内容通过引用整体并入本文用于任何目的。
以上已经针对特定实施方式描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而,可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更加明显的任何要素的益处、优点和问题的解决方案不应被解释为任何或全部权利要求的关键的、必需的或必要的特征或要素。如本文所使用的,术语“包括(include)”、“包括(including)”、“包含(comprise)”、“包含(comprising)”或其任何其它变体旨在涵盖非排他性包含,使得包含一系列要素的工艺、方法、制品或装置不仅仅包括包括那些要素,而是可以包括未明确列出的或其它这些工艺、方法、制品或装置所固有的要素。此外,除非明确地描述为“必需”或“关键”,否则本发明的实施不需要本文所述的要素。
虽然申请人已经描述了本发明的申请人的优选实施方式,但是应当理解,本发明的最广泛的范围包括诸如不同形状、尺寸和材料的修改。这样的范围仅由与上述说明书相关的下述权利要求限制。此外,根据上述描述和下面的权利要求,本发明的许多其他优点对于本领域技术人员是显而易见的。