KR101883019B1 - 적층물에 대한 색 및 다른 물성의 전사 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전사 매체에 염료를 적용하여 착색된 전사 매체를 생성하는 단계, 상기 착색된 전사 매체를 복합 물질과 접촉시키는 단계, 오토클레이브를 이용하여, 상기 복합 물질에 상기 염료를 주입하기 위해 열, 외부 압력, 진공 압력 중 하나 이상을 적용하여 착색된 복합 물질을 생성하는 단계를 포함하는 복합 물질에 대한 염료 전사 방법에 관한 것이다.

Description

적층물에 대한 색 및 다른 물성의 전사 {TRANSFER OF COLOR AND OTHER PHYSICAL PROPERTIES TO LAMINATES}
- 관련 출원에 대한 교차 참조-
본 출원은 "적층 복합 물질 및 다른 물품으로의 색 전사를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND METHOD FOR COLOR TRANSFER TO LAMINATE COMPOSITE MATERIALS AND OTHER ARTICLES)"이라는 명칭의 2010년 8월 3일자로 출원된 미국특허 가출원 제 61/370,448호이며, 이를 본원에 참고로 인용한다.
통상의 종래 실시예에서, 적층된 보강 물질들은 있는 그대로의 색깔이며 염색 또는 착색되기에 좋지 않다. 적층된 물질에 색을 추가하기 위한 하나의 공지된 기술은 물질을 페인팅하는 것이다. 그러나, 물질을 페인팅하는 것은 사용을 통해 얇게 벗겨지고 오래 시간 후에 햇빛에 바랜다는 단점을 갖는다. 이들 결점은 가요성 라미네이트 물질에서 상당할 수 있는 것으로 발표되었다. 다른 종래 실시예에서, 적층된 강화 물질은 섬유 강화 가요성 천을 생산하기 위해 추가의 필름 층과 다른 물질들과 혼합된다. 다른 추가의 물질들은 염색될 수 있는 추가의 전통적인 직물을 포함할 수 있다. 이러한 유형의 물질들은 일반적으로 고성능을 요구하는 분야에서 발견되며, 시각적 또는 미용적 외관은 2차적이다. 일반적인 외관은 제조된 상태 그대로이고/이거나 시각적인 색상, 패턴 또는 그래픽은 부족하다.
그러나, 여러 분야에서 소비자에게 보다 시각적으로 호소할 수 있는 물질이 바람직할 수 있다. 따라서, 물질이 바래지 않고, 착색가능하거나, 패터닝 가능하거나, 또는 다른 물리적 특성을 갖는 적층된 강화 물질들을 제조하는 것이 바람직하다.
도 1은 회전식 색 전사 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 가열식 가압 색 전사 시스템 및 대응하는 압력 그래프의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 예시적인 열 가압 프로세스의 플로우 챠트를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 오토클레이브 색 전사 시스템 및 대응하는 압력 그래프의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5는 예시적인 오토클레이브 프로세스의 플로우 챠트를 도시한다.
도 6은 선형 색 전사 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 다층 색 전사 스택의 예시적인 실시예를 도시한다.
본 발명의 장점들과 특정 실시예들은 아래의 도면들과 함께 고려한 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참조로 해당 분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다.
본 발명을 실시하고자 하는 통상의 기술자가 가능하도록 예시적인 실시예들을 여기에 충분히 상세히 설명하지만, 다른 실시예들이 구현될 수도 있고 타당한 물질, 전기적, 그리고 기계적 변화가 본 발명의 정신과 범위에서 벗어남이 없이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
물질들
여러 유형의 복합 물질들은 직조 물질 및 부직 물질 모두를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 직조 물질들은 많은 낮은 데니어 삼(denier tow)(경량 섬유)을 사용한다. 직조 물질들은 "주름진" 섬유가 되게 하는, 짜여진 형태로 서로 위 아래로 넘어가는 섬유들을 포함한다. 또한, 직조 물질들에서, 주름진 섬유들이 직선화되면서 인장 하중이 섬유 중첩 섹션에 횡방향 로드를 유도한다. 횡방향 로드는 섬유 강도의 천 강도로의 변형을 감소시키고 장기 피로 및 크리프 파단(creep rupture) 성능을 감소시킨다. 예시적인 실시예에서, 보다 높은 성능의 엔지니어링 섬유들이 보다 현저한 주름-관련 감소 특성을 갖는다. 이것은 특히 축방향 필라멘트 특성과 필라멘트의 감소된 횡방향 특성이 최적화된 섬유들에서 두드러진다.
본원에 사용된 복합 물질은 단방향 섬유 및 하나 이상의 방향으로 배향된 폴리머 매트릭스 플라이(polymer matrix ply)로 형성된 층들을 하나 이상 갖는 것으로서 정의된다. 반대로, 예시적인 실시예에서, 부직포 복합 물질은 보다 용이한 제작성을 위해 높은 데니어 삼을 사용한다. 부직포 복합 물질은 서로의 위 아래로 건너가지 않아서 주름을 갖지 않는 섬유들을 포함한다. 부직포 복합 물질의 장점은 단위 면적 당 섬유 중량인 섬유 면적당 중량에 제한이 없다. 즉, 직조 물질보다 두꺼운 섬유들이 사용될 수 있다. 다른 장점은 다른 층에 대해 임의의 각도로 배향된 복수 층을 이용하여 복합 물질을 형성하는 능력이다. 또한, 예시적인 실시예에서, 부직포 복합 물질은 원하는 대로 특정 위치들에서 또는 미리정해진 부하 경로를 따라 최적의 중량, 두께 및 강도로 설계된다. 또한, 높은 탄성률(modulus) 섬유로 구성된 부직포 복합 물질은 엔지니어링 디자인에 대해 예측가능한 선형 특성을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 복합 물질은 제조 공정 동안 색이 주입된다. 여러 실시예들에서, 복합 물질은 예컨대 다이니마(Dyneema®), 벡트란(Vectran®), 아라미드, 폴리에스테르, 탄소 섬유, 질론(Zylon) PBO, 또는 접착제 또는 다른 물질로 코팅된 다른 물질, 또는 이들의 조합물과 같은 얇게 펼처진 고강도 섬유의 하나 또는 그 이상의 층들로 이루어진다. 색은 복합 물질의 하나 또는 양 측면 상의 단색(solid color), 패턴, 또는 사진 또는 로고와 같은 임의 유형의 그래픽일 수 있다. 주입된 색의 범위는 제한되지 않으며, 넓은 범위의 착색된 물질 가능성을 허용한다. 예컨대, 이러한 색상 가능성은 이산화 티타늄, 카본 블랙, 프탈로 블루, 퀴나크리돈 레드, 유기 옐로우, 프탈로 그린, 다크 옐로우 어커(dark yellow orcher), 에로콜라노 오랜지, 베네치아 레드, 암갈색, 비리디언 그린, 울트라마린 블루 및 땜납 그레이를 포함한다. 다른 가능성은 줄무늬, 물방울 무늬, 그림, 형상 등을 가지도록 복합 물질을 제조하는 것을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 적층 필름 및/또는 천은 또한 색조 프로세스와 상호작용하거나, 협력작용시키거나 또는 변경시키도록 사전-병합된 다른 색조 승화(tint sublimating) 또는 비승화, 칼라 베이스(color base), 변경기 또는 자외선 또는 색 안정기를 구비할 수 있다.
다른 여러 실시예에서, 복합 물질은 또한 물질의 표면 특성을 변경하도록 추가되는 여러 코팅을 구비할 수도 있다. 여러 코팅들은 물질에 추가될 수 있거나, 또는 추가된 색 염료에 대한 대체물로서 추가될 수 있다. 제1 예시적인 실시예에서, 물질에 필름 코팅이 추가된다. 특정 필름 코팅은 복합물의 인장 강도, 인성, 화학적 및 차원적 안정성, 용접성, 가스 배리어(barrier) 특성, 전기적 특성, 고온 저항, 자외선 또는 적외선 성능을 증가 또는 감소시키고/또는 마찰 계수를 감소시킨다. 제2 예시적인 실시예에서, 폴리이미드 코팅이 복합 물질에 추가된다. 폴리이미드 코팅은 물질의 전기 및 유전 특성을 변경시킬 수 있다. 또한, 폴리이미드 코팅은 넓은 범위의 온도에 걸쳐 물질 특성의 안정성을 증가시키도록 구성될 수 있다. 제3 예시적인 실시예에서, 테들라(Tedlar)와 같은 폴리비닐 플로라이드(PVF) 필름이 복합 물질에 추가된다. PVF 필름은 추가된 기후 내구성, 장기 내구성 및 환경 안정성을 용이하게 한다. 유사하게, 제4 예시적인 실시예에서, 나일론 및 우레탄 코팅 모두는 인성을 증가시키고 보다 낮은 기계적 및 투과 특성과 함께 가요성을 갖는다.
예시적인 실시예에 따라, 복합 물질은 복합 물질 하이브리드를 생성시키도록 직조 코팅(woven coating)으로 적층된다. 직조 코팅은 내마모를 증가시키도록 혼입될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에서, 복합 물질 하이브리드는 고강도, 차원적으로 안정한 가요성 복합 물질이 되도록 복합 물질과 코팅의 여러 물질 특성을 조합하도록 구성될 수 있다. 복합 물질 하이브리드 분야의 실례는 향상된 시각적 위장 및/또는 적외선 신호 감소와 같은 군사 분야를 포함한다. 다른 실례는 방탄 조끼에 사용된다.
예시적인 실시예에서, 복합 물질에 다양한 첨가를 달성하기 위해 승화 주입(sublimation infusion)이 이행된다. 이러한 첨가는 예컨대 색조, 패턴 및 광택 적용, 반사 또는 적외선 반사율 개질, 항균성 또는 약제, 표면 접착 개질제, 나노-물질 주입, 유전체 개질제, 전기/유전 전도도 특성 또는 전기 회로 패턴을 추가하기 위한 도전성 금속 또는 폴리머 물질의 프린팅, 및/또는 라미네이트, 표면 필름 또는 표면 직물 내의 난연제 물질을 위한 상승 성분 또는 난연제 물질의 혼입을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 자외선 안정 또는 경화 첨가제가 상기 물질 내에 혼입된다. 이들 첨가제들은 복합 물질의 유효 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 여러 실시예에서, 난연성 접착제 또는 폴리머가 복합 물질과 함께 사용된다. 또한, 복합 물질의 내연성을 향상시키기 위해 인화성 매트릭스 또는 박막(membrane)에 난연제가 첨가될 수 있다. 난연제는 흡열성 저하, 열 차폐, 가스 상의 희석 또는 가스 상 급속 ?칭과 같이 여러 방식으로 작용할 수 있다. 난연성 첨가제의 실례는 다우(DOW) D.E.R 593 브롬화 수지, 다우 코닝(Dow Corning) 3 난연성 수지, 및 (피디엠 넵텍사(PDM Neptec Ltd.)에서 시판되는 EMC-85/10A와 같은) 삼산화 안티몬을 갖는 폴리우레탄 수지를 포함하지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 널리 공지된 바와 같은 다른 난연성 첨가제가 적합할 수도 있다. 내화성을 향상시키는데 사용될 수 있는 난연성 첨가제의 추가의 실례는 피롤(Fyrol) FR-2, 피롤 HF-4, 피롤 PNX, 피롤 6 및 사프론(SaFRon) 7700을 포함하지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 널리 공지된 바와 같은 다른 난연성 첨가제가 적합할 수도 있다. 여러 실시예들에서, 난연성 섬유, 세라믹 또는 금속 와이어 필라멘트, 내재적 난연성 섬유를 사용함으로써, 또는 섬유를 코팅함으로써 난연성 및 불연성이 또한 섬유에 부여될 수도 있다. 난연성 섬유의 실례는 노멕스(Nomex) 또는 케블라(Kevlar)를 포함한다. 내재적 난연성 섬유들은 섬유 제조 프로세스 동안 섬유 형성물에 직접 첨가된 난연성 화합물을 갖는 섬유들을 포함한다. 또한, 섬유는 본원에 설명되는 바와 같은 사이징된 폴리머 또는 접착물 함유 난연성 화합물, 또는 당해 분야의 통상의 기술자에게 널리 공지된 바와 같은 다른 적합한 화합물로 코팅될 수도 있다. 추가의 다른 실시예들에서, 복합 물질 내에 사용된 임의의 직조 또는 스크림(scrim) 물질들이 공급물 또는 코팅물에 의해 난연성을 위해 사전처리되거나, 제조 공정 동안 난연성 화합물이 주입될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 자외선 안정화 또는 경화 첨가제가 복합 물질에 혼입된다. 이들 첨가제는 물질의 유효 수명을 연장시킬 수 있다.
복합 물질은 본원에 설명되는 임의의 여러 적용 방법을 통해 착색되거나 텍스처화될 수 있는 외부 표면층의 다층 복합체로서 조립된다. 외부 표면층들은 일방향 플라이, 필름, 부직포 또는 펠트, 직조물, 접합가능한 열가소성 박막, 방수 통기성 박막 및 섬유 스크림일 수 있다. 이들 외부 표면 물질들은 원하는 외관 또는 시각적 효과를 얻기 위해 주입 전사, 승화 전사 또는 롤 전사의 여러 방법들에 상호 보완적인 초기 색상 또는 패터닝을 가질 수 있다. 또한, 마감질된 착색된 물질들의 포화, 색깔, 불투명함 또는 빛 투과를 추가로 조절하기 위해, 다양한 분말 색조, 유색 염료 또는 승화 색료가 또한 접합 접착제 또는 유니테이프(unitape) 층들의 적층 수지 성분에 첨가될 수 있다. 추가로, 마감질된 착색된 물질들의 포화, 색깔, 불투명함 또는 빛 투과를 추가로 조절하기 위해, 하나 또는 그 이상의 착색된 불투명 또는 빛 차단 필름이 적층물 플라이 인터페이스의 하나 또는 그 이상의 사이에 추가될 수 있다.
고성능, 경량, 고강도, 찢김 및 인열 저항, 고 가요성, 플렉스 수명, 내구성, 내후성 및 가요성 복합 물질의 특유한 특징이 상당히 요구되지만 외관 또는 시각적 색상, 패턴, 그래픽 및 다른 시각적 특성 또는 효과가 또한 물질 또는 물품의 의도된 목적의 중요한 성분인 산업 및 기술적 섬유, 의류, 스포츠 용품, 수상 스포츠, 보트 및 요트 물질, 요트 천, 사냥 및 낚시, 기구 및 공기보다 가벼운 운송기구, 상업 직물, 천 덮개, 팽창 구조물, 군용 의류, 기어, 의학적 또는 보호 물품 또는 장치, 인장 구조물, 내진 구조 강화 물질, 배너 및 신호체계 및 다른 가요성 물질 또는 섬유 제품의 복합 물질에 적합한 여러 적용례가 존재한다. 자외선, 가시선, 적외선 또는 전자기 스펙트럼의 다른 영역의 흡수 또는 반사 및/또는 표면 텍스처 또는 형상, 광택 또는 윤택, 불투명성, 빛 투과 또는 차단 또는 염색견뢰도(colorfastness) 및 바램 저항(fade resistance) 등과 같은 특성들이 또한 요구된다.
다수의 이들 잠재 분야들은 난연성 또는 내연성, 악취 제거, 곰팡이 방지 또는 내항균성, 방수 및/또는 통기성, 내화학성 또는 내마모성과 같은 특수한 요건과 특성을 갖는 의류, 아웃도어, 스포츠 용품, 사냥 및 낚시, 수상 스포츠, 보트 및 요트, 또는 의료 섬유 또는 직물과 같이 소비자 지향적이기 때문에, 목적하는 분야에 대한 바람직한 특징을 충족하기 위해 이들 방법과 물질들의 임의의 조합이 고려된다.
색의 적용 방법
복합 물질로 염료의 전사를 용이하게 하기 위해 다양한 방법들이 실시될 수 있다. 이들 방법들은 대체로 연속 프로세스와 배치(batch) 프로세스의 2가지 유형의 프로세스이다. 연속 프로세스는 물질이 안정된 웨브 속도(steady web speed) 또는 안정된 단계적 스탑-및-스타트 비율로 펼쳐지는 것이다. 물질은 조립되고, 통합되며, 착색되고, 텍스처화된 후 재감기 롤 상에 다시 감겨진다. 배치 프로세스에서, 복합 물질 성분 및 색료가 프레스, 진공 백 또는 오토클레이브 안으로 로딩된 후 가열/경화 프로세스로 가게 된다.
예시적인 실시예에 따르면, 염료 전사의 다양한 방법들은 인쇄된 또는 포화된 캐리어로부터 열 전달; 잉크 젯 또는 염료 승화 프린터를 통해 적층물 또는 표면 필름 상에 직접 프린팅; 복합 물질 또는 매트릭스 상에 또는 안에 염료, 색조, 또는 승화 색상 또는 패턴의 혼입; 복합 물질 또는 필름 상으로의 열 전달; 및 욕조 또는 담금 주입을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 승화 잉크는 추가의 저항 및 영구 색상을 위해 사용된다.
예시적인 방법에 의하면, 전사 캐리어 기판(transfer carrier substrate)을 이용하여 복합 물질에 색이 인가된다. 초기 단계로서, 필름 또는 종이와 같은 전사 캐리어가 선택된다. 인가된 색은 전사 캐리어 상에 위치되는 단색일 수 있거나 패턴 또는 그래픽일 수 있다. 여러 예시적인 실시예에서, 복합 물질로의 단색의 적용은 의도하는 표면, 층 또는 적층 물질의 인터페이스 상에 직접 프린팅 또는 이전을 통해 용이할 수 있다. 이러한 전사 프로세스는 잉크젯 프린터, 그라비어 롤 코팅기, 슬롯 다이 코팅 헤드, 디프 바 베쓰 코팅(dip bar bath coating), 아닐록스(anilox) 롤 코팅, 롤 코팅기 상의 나이프, 반대 롤 코팅기, 및 에어 나이프 코팅기 중 하나 이상을 이용할 수 있다.
다양한 예시적인 실시예에서, 복합 물질로의 패턴 또는 그래픽의 적용은 잉크젯 프린터, 승화 프린터, 플렉소(flexo) 프린터 프로세스, 아닐록스 롤 프린팅, 및 오프셋 프린팅 중 하나 이상을 이용하여 용이할 수 있다. 단색 또는 패턴/그래픽이 전사되든지 간에, 전사 캐리어 기판은 복합 물질에 근접해 있어서, 복합 물질 상에 색 또는 패턴을 전사, 주입 또는 승화시키는데 개별 캐리어가 사용되는 경우에 여러 방법 및 시스템을 통해 열이 인가되도록 한다.
복합 물질로의 색 전사를 달성하기 위해 적용된 여러 시스템 및 프로세스들은 가열식 회전 시스템, 가열식 프레스 시스템, 오토클레이브 시스템, 염료 주입 시스템, 가열식 선형 색 전사 시스템 및 매트릭스 색소 색조 색상처리(matrix pigment tint coloring) 공정을 포함한다.
가열식 회전 시스템
도 1과 관련한 하나의 예시적인 실시예에서, 회전식 색 전사 시스템(100)은 회전 가열식 롤(110), 인장식 벨트(120), 색을 수용하기 위한 롤(roll)의 물질(130), 및 색 전사 캐리어(140)를 포함한다. 회전식 색 전사 시스템(100)은 물질(130)에 색 또는 그래픽을 적용하기 위한 연속적인 롤-대-롤(roll-to-roll) 프로세스이다. 색을 수용하는 물질(130)은 섬유, 천, 필름, 또는 적층 물질일 수 있다. 이때 필름 또는 섬유가 복합 물질의 제조에 사용될 수 있다. 예컨대, 마감질된 복합 물질, 필름 또는 섬유 전구체의 롤들이 색을 고착 또는 주입하기 위해 회전식 색 전사 시스템(100)을 통해 운행될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 물질(130)은 회전식 색 전사 시스템(100)의 벨트 프레스 부분을 통해 공급되기 전에 색으로 사전 코팅되거나 사전 프린팅될 수 있다.
다른 실시예에서, 색 전사 캐리어(140)는 필름 또는 종이일 수 있다. 색 전사 캐리어(140)는 필름, 섬유 및 복합 물질과 같은 물질(130)에 색 또는 패턴을 전사시키기 위해 롤로부터 풀려 공급되며 회전식 색 전사 시스템(100)을 통해 처리될 수 있다. 따라서, 인장식 벨트(120)가 회전 가열식 롤(110)과 접촉해 있다. 또한, 물질(130) 및 색 전사 캐리어(140)는 서로 접촉하여 처리되며 회전 가열식 롤(110)과 인장식 벨트(120) 사이에서 롤링된다. 색은 인-라인(in-line) 또는 오프-라인(off-line) 중 하나로 직접 프린팅을 통해 물질(130)에 적용될 수 있다. 인-라인 프로세스는 회전식 색 전사 시스템(100)의 벨트 프레스 부분의 일부로서 색 전사 캐리어(140), 또는 복합 물질, 필름 또는 섬유에 색 또는 패턴을 적용 또는 코팅하는 것을 포함한다. 오프-라인 프로세스는 회전식 색 전사 시스템(100)의 벨트 프레스 부분 상에 셋업하기 전에 개별의 배치 프로세스의 일부로서 색 전사 캐리어(140), 또는 적층물, 필름 또는 섬유에 색 또는 패턴을 적용 또는 코팅하는 것을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 가열된 회전 벨트(120)는 적층 프로세스와 인라인으로 사용될 수 있다. 또한, 색은 색 전사 캐리어(140)로부터 전사될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 회전 가열식 롤(110)과 인장식 벨트(120) 사이에 색 주입 및 전사를 용이하게 하기 위해 진공이 형성된다. 해당 분야의 통상의 기술자에 공지된 바와 같이 진공을 형성하기 위해 여러 방법들이 사용될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 색 전사 캐리어(140)는 회전 가열식 롤(110)에 가장 근접해 있으며 물질(130)이 인장식 벨트(120)에 가장 근접해 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 물질(130)이 회전 가열식 롤(110)에 가장 근접하고 색 전사 캐리어(140)가 인장식 벨트(120)에 가장 근접한다. 예시적인 실시예에서, 물질(130) 및 색 전사 캐리어(140)는, 풀려서, 상기한 바와 같은 회전식 벨트 프로세스를 통해 처리된 후 개별의 롤 상에 다시 감기는 모든 개별 롤이다.
가열 프레스 시스템
도 2a 및 도 2b와 관련하여 예시적인 실시예에 따르면, 가열식 프레스 색 전사 시스템(200)은 2개의 플레이트(210) 또는 다른 유사한 경화면, 색을 수용하기 위한 물질(220), 및 색 캐리어(230)를 포함한다. 다른 실시예에서, 가열식 프레스 색 전사 시스템(200)은 천연 또는 합성 고무로 이루어진 압력 강화 층(240)을 더 포함한다. 실례를 통해, 토르 테크놀러지(Torr Technologies) 또는 에어텍 인터내셔널(Airtech International)에 의해 적합한 코올 러버(caul rubber)가 생산된다. 압력 강화 층(240)은 2개의 플레이트(210) 중 하나 이상 내부에 연결되어, 압력 강화 층(240)이 2개의 플레이트(210) 사이 내 그리고 복합 물질(220) 및/또는 색 캐리어(230)와 접촉하게 된다. 예시적인 실시예에서, 압력 강화 층(240)은 적어도 압축하는 약간의 능력을 갖는다. 이 압축은 추가의 압력으로 2개의 플레이트(210)에 적용되며 물질(220)과 색 캐리어(230)에 전사되는 것을 용이하게 한다. 다양한 실시예에서, 압력 강화 층(240)은 색료를 보완하는 원하는 표면 광택 또는 텍스처를 제공하기 위해 하나 이상의 매끄러운 거울면, 매끄러운 매트 면, 및 텍스처화된 또는 패터닝된 표면의 조합을 가질 수 있다.
도 3과 관련한 예시적인 프로세스에서, 열 압력 프로세스(300)는 4개의 주요 단계를 포함한다. 첫째는 색 캐리어로의 색조/염료 전사를 적용하는 단계로서, 이 단계는 한쪽 또는 양쪽 측면 상에 표면 필름 또는 천 표면을 갖는 복합 물질을 포함할 수 있거나, 전사 용지/필름 캐리어(310)를 포함할 수 있다. 여러 실시예들에서, 필름 또는 천 표면은 적층물의 한쪽 또는 양쪽면 상에 보충 색 또는 미리프린트된 패턴, 이미지 또는 디자인을 갖는 복합 물질을 포함할 수 있다. 또한, 전사 용지/필름 캐리어는 단색, 하나 또는 그 이상의 색 패턴 또는 인쇄된 그래프를 포함할 수 있어서, 이미지, 디자인 또는 사진을 형성한다. 추가로, 전사 매체는 또한 착색된 표면의 일측 또는 양측면 상에 원하는 정도의 광택 또는 평활도 텍스처 패턴을 갖는 표면을 부여하도록 매끄럽거나 텍스처화된 표면을 포함할 수 있다. 둘째는 복합 물질(320)과 접촉 상태로 색조/염료 전사를 위치시키는 단계이다. 셋째는 물질(330)로 색, 그래픽, 조직 또는 패턴을 전사, 승화, 및/또는 주입하기 위해 열과 압력을 적용하는 단계이다. 온도는 통상 약 70℉ 내지 약 650℉의 범위이며, 물질들이 긴밀한 접촉을 계속 유지하기 위해 통상 2 psi의 최소 압력에서 10,000 psi의 최대 압력 범위를 갖는다. 적용된 온도 및 압력은 사용된 특정 색료, 색료가 적용되는 기판, 및 요구되는 적층 정도 또는 압밀도에 좌우된다. 넷째로는 평평하게 또는 원하는 형상으로 마감질된 물품이 유지될 정도로, 그리고 손상, 비틀림, 또는 박리가 없을 정도의 온도로 물질을 냉각하는 단계이다. 시스템이 제거 온도에 또는 그 아래에 일단 있게 되면, 가열된 프로세스(340)로부터 물질 및 색 캐리어를 제거한다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 가열식 프레스 색 전사 시스템은 프로세스 내의 압력을 증가시키기 위한 진공을 추가로 포함한다. 예시적인 진공은 밀봉식 진공 챔버 내부의 프레스 압반을 밀봉함으로써, 또는 진공 백 시스템 내의 적층물을 밀봉함으로써 생성될 수 있다. 인가된 진공은 약 5 내지 29 인치의 수은(Hg) 범위일 수 있다. 진공이 일단 적용되면, 프레스 안으로 조립물이 위치되어, 프레스 압반이 가열 사이클 및 냉각 사이클의 프로파일 동안 적절한 압력 프로파일을 인가한다. 진공을 구현하는 것은 승화 색료 전사가 발생되는 온도를 낮추기 위해, 물질들로부터의 임의의 포획된 공기 또는 버블을 제거하기 위해, 그리고 보다 높은 온도에서 산화를 방지하기 위해, 기판 안으로의 승화 색료를 돕는데 유리하다. 적절하다면, 경화가능한 색조 또는 염료를 경화시키거나 고착시키기 위해 상기 물질을 자외선 또는 전자 비임 조사선에 노출시킬 수 있다.
오토클레이브 시스템
도 4a 및 도 4b와 관련한 예시적인 실시예에 의하면, 오토클레이브 색 전사 시스템(400)은 진공 백(430) 내부에 경질 또는 강화 엘라스토머 툴(tool) 플레이트(410), 및 선택적으로 경질 또는 엘라스토머 코올 플레이트(420)를 포함한다. 여러 실시예들에서, 툴 플레이트(410)는 통상 평탄면을 갖는 강성 플레이트(stiff plate)인 한편, 코올 플레이트(420)는 툴 플레이트(410) 보다 얇고/또는 유연할 수 있다. 진공 백(430)은 가요성의 불투과성 물질로 이루어질 수 있거나, 가요성의 불투과성 엘라스토머 격벽으로 이루어질 수 있다. 대안으로, 진공 백(430)은 제1 코올 플레이트(420)의 측면 또는 외부면에 밀봉될 수도 있다. 진공 백(430)은 조잡한 고온 콕(caulk)의 테잎 또는 스트립으로 밀봉되는 적합한 온도 및 압력 저항을 갖는 통상 0.001~0.015 인치 두께의 나일론 또는 다른 가요성 필름이다. 적합한 백 및 밀봉 물질은 에어테크 시큐얼론(Airtech Securelon) L500Y 나일론 진공 백 및 티엠아이 택키 테이프(TMI Tacky Tape) 또는 에어로테크(Aerotech) AT-200Y 밀봉 테이프를 포함한다. 또한, 격벽이 진공 백의 위치에 사용된다면, 격벽들은 통상 낮은 경도계, 높은 내온 실리콘 고무이며, 대체로 0.032~0.060 인치의 두께를 갖는다.
물질로의 직접 프린팅 또는 색 전사 대신에, 오토클레이브 색 전사 시스템(400)은 하나 또는 그 이상의 색 전사 캐리어(440) 및 색료 수용 물질 또는 적층물(450)을 더 포함한다. 색 전사 캐리어(440)는 수용 물질(450)과 접촉 상태로 위치되며, 여기서 이들 모두는 툴 플레이트(410)와 코올 플레이트(420) 사이에 있다. 대면적을 갖거나 높은 압력 및 온도 작동을 갖는 실시예들에 대해, 투과성 펠트 또는 부직포 브리더 물질(breather material)은 균일한 압밀 압력을 제공하기 위해 진공 백(430) 아래로 공기가 자유로이 유동하도록 코올의 상부 상에 포함될 수 있다. 적합한 브리더 물질의 하나의 실례는 에어테크 에어위브(Airtech Airweave) 10 이다. 공기 내부 진공 백(430)은 진공 백(430) 내부의 일부에 압밀 압력을 제공하도록 시스템(400) 내에 차압을 생성시키는 진공 탭(460)을 통해 제거된다. 예시적인 실시예에서, 진공 백(430)은 가압된 오토클레이브(470) 내부에 위치되어, 진공 백(430) 외부, 오토클레이브(470) 내부의 고압성 압력이 미리정해진 레벨로 상승된다. 미리정해진 레벨은 압밀 힘을 제공하기 위한 1000 psi까지의 대기 압력인 한편, 진공 백(430) 하에서의 압력은 2 내지 29 인치 Hg의 진공에서 유지된다.
예시적인 실시예에서, 고압 환경에서 열은 보다 용이하게 생성되며, 수용 물질(450)로 염료의 전사를 용이하게 한다. 오토클레이브 내부의 온도는 미리정해진 가열률 프로파일, 온도 유지 및 냉각 프로파일로 설정될 수 있다. 통상의 온도 램프율은 분 당 2 내지 50℉, 70 내지 600℉ 범위의 온도로 변화하며, 분 당 2 내지 20℉의 범위의 냉각률을 갖는다. 냉각 프로파일에 대해, 마감질된 물품이 평편하거나 원하는 형상으로 유지되도록 그리고 마감질된 착색된 물질의 손상, 비틀림 또는 박리가 없도록 물질을 냉각시킨다. 시스템이 일단 제거 온도 또는 그 아래에 있는 경우, 오토클레이브로부터 물질 및 색 캐리어를 제거하고 백으로부터 제거한다. 예시적인 실시예에서, 오토클레이브 색 전사 시스템(400)은 매우 효과적이며 복합 물질 오토클레이브 또는 진공 백 제조 프로세스에 병합될 수 있다.
도 5와 관련한 예시적인 프로세스에서, 오토클레이브 프로세스(500)는 4개의 주요 단계를 포함한다. 첫째는 색 캐리어로 색조/염료 전사를 적용하는 단계로서, 이 단계는 한쪽 또는 양쪽 측면 상에 표면 필름 또는 천 표면을 갖는 복합 물질을 포함할 수 있거나, 전사 용지/필름 캐리어(310)를 포함할 수 있다. 여러 실시예들에서, 필름 또는 천 표면은 적층물의 한쪽 또는 양쪽면 상에 보충 색 또는 미리프린트된 패턴, 이미지 또는 디자인을 갖는 복합 물질을 포함할 수 있다. 또한, 전사 용지 또는 매체는 단색, 하나 또는 복수 색 패턴 또는 인쇄된 그래프를 포함할 수 있어서, 이미지, 디자인 또는 사진을 형성한다. 전사 매체는 또한 착색된 표면의 일측 또는 양측면 상에 주어진 정도의 광택 또는 평활도 조직 패턴을 갖는 표면을 부여하도록 매끄럽거나 텍스처화된 표면을 포함할 수 있다. 둘째는 복합 물질(520)과 접촉 상태로 색조/염료 전사를 위치시키는 단계이다. 셋째는 물질(530)로 색, 그래픽, 조직 또는 패턴을 전사, 승화, 및/또는 주입하기 위해 열과 압력을 적용하는 단계이다. 온도는 통상 약 70℉ 내지 약 650℉의 범위이며, 물질들이 긴밀한 접촉을 계속 유지하기 위한 통상 주변 대기 압력의 최소 압력에서 1000 psi의 최대 압력 범위를 갖는다. 적용된 온도 및 압력은 사용된 특정 색료, 색료가 적용되는 기판, 및 요구되는 적층 정도 또는 압밀도에 좌우된다. 넷째는 평평하게 또는 원하는 형상으로 마감질된 물품이 유지될 정도로, 그리고 손상, 비틀림, 또는 박리가 없을 정도의 온도로 물질을 냉각하는 단계이다. 시스템이 제거 온도에 또는 그 아래에 일단 있게 되면, 진공 백 툴 조립체(540)로부터 물질 및 색 캐리어를 제거한다. 여러 실시예들에서, 경화가능한 색조 또는 염료를 경화 또는 고착시키기 위해 상기 물질을 자외선 또는 전자 비임 조사선에 노출시킬 수 있다.
선형 색 전사 시스템
도 6과 관련한 하나의 예시적인 실시예에서, 선형 색 전사 시스템(600)은 회전 수평 벨트 프레스(610), 필름 또는 박막(620), 및 색 전사 캐리어(630)를 포함한다. 무한 회전 벨트는 주입 또는 승화 색 전사를 위해 긴밀한 접촉을 유지하도록 복합 물질(650), 및 색 전사 필름 또는 종이 캐리어(630)에 균일한 연속적인 압밀 압력을 적용할 수 있는 연속 프로세스를 형성한다. 이 물질들은 가압 가열로 색 주입을 실행하기에 충분한 온도로 가열된 후, 복합 물질에 대한 안전한 제거 온도로 또는 그 아래 온도로 복합 물질과 색 전사 매체를 냉각시킨다. 선형 색 전사 시스템(600)은 복합 물질(650)에 색 또는 그래픽을 적용하기 위한 연속적인 롤-대-롤 프로세스일 수 있다. 색을 수용하는 복합 물질(650)은 직물, 천, 필름 또는 적층된 물질일 수 있다. 필름 또는 직물(620)은 이때 복합 물질의 제조에 사용될 수 있다. 예컨대, 마감질된 복합 물질, 필름 또는 직물(620) 전구체의 조립된 층들의 웨브는 색을 고착 또는 주입하도록 선형 색 전사 시스템(600)을 통해 운행될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 물질(650)은 프린터, 코팅기 또는 처리기(660)에 의해 선형 색 전사 시스템(610)의 벨트 프레스 부분을 통해 공급되기 전에 색으로 사전 코팅되거나 사전 프린팅될 수 있다. 착색된 복합 물질은 이후 복합 물질에 매끄러운 광택 또는 매트 면을 적용하도록, 또는 하나 또는 양쪽 외부면에 조직을 적용하도록 일련의 캘린더 또는 엠보싱 롤(670)을 통해 운행될 수 있다. 롤(670)은 원하는 표면 마감질, 표면 조직, 프레스의 벨트 부분으로부터 복합 물질 또는 특정 물질의 출구 온도에 따라서 가열되거나, 식혀지거나 또는 실온에서 방치될 수 있다. 복합 물질 웨브에 대한 통상의 운행 속도는 분 당 2 내지 250 피트의 범위이다. 닙 롤(nip roll; 670) 및 프레스(610)의 벨트 부분은 주어진 압력 분포로 전체 통합을 보장하기 위해 미리고착된 압력으로 제로(O)로 설정된 간극으로 또는 미리정해진 간극에 대해 또는 미리설정된 압력에 대해 설정될 수 있다. 통상의 간극 설정은 0.0002" 내지 0.125"의 범위이며, 통상의 압력은 5 내지 1000 lbf /폭의 선형 인치(linear inch of width) 범위이다. 롤 및 벨트 시스템은 물질들을 통합하도록 및/또는 복합 물질의 하나 또는 양측면으로 전사, 주입 또는 승화하도록 가열될 수 있다. 개별의 플라이는 수동식 래이업(hand layup), 자동식 테입 래이업(tape layup) 또는 자동식 로봇 집기 및 위치 작동(pick and place operation)에 의해 웨브 상에 적층될 수도 있다. 또한, 통상의 가열 온도 설정점은 70℉ 내지 550℉의 범위이다.
E-비임 또는 UV 램프 배열체와 같은 조사 경화 시스템이 인-라인으로 위치될 수 있다. 선형 시스템의 하나의 장점은 단일 테잎 플라이의 조립체를 구조적 보강재 내로 통합시킬 수 있고, 색료를 적용할 수 있고, 다양한 임의의 내부 또는 표면 필름층, 부직포 층 및 직조 층을 마감질된 착색된 롤 상품으로 베이스 단일 테잎을 변환시키는 다단계 통합 제조 프로세스에 병합시킬 수 있다는 점이다.
복수층 복합 물질 색 주입
예시적인 실시예에서, 복수층 복합 물질 색 주입은 시스템(200)과 같은 가열식 프레스 색 전사 시스템 또는 시스템(400)과 같은 오토클레이브 색 전사 시스템 중 어느 하나를 이용하여 실행될 수 있다. 도 7을 참조하여 어느 하나의 프로세스에서, 복수의 코올 플레이트(710), 배리어/브리더 층(720), 색 캐리어(730) 및 적층물(740)을 포함하는 복수 적층된 스택이 시스템(200) 및 시스템(400)에서 설명된 복합 물질 및 색 캐리어의 단일 스택 대신 대체될 수 있다.
배치 염료 주입
예시적인 실시예에서, 복합 물질, 표면 필름 및 표면 직물은 또한 배치 염색 또는 주입을 통해 병합된 색을 가질 수 있다. 이 프로세스에서, 복합 물질, 필름 또는 직물의 롤은 색 매체 또는 색조로 포화되고 용기 내에 배치되며 적절한 열, 압력 또는 진공 프로파일에 노출되어 색 매체 주입에 적용된다. 이러한 방식으로 처리된 필름 또는 직물은 이후 적층물 내에 병합될 수도 있다.
매트릭스 안료 및 색조 컬러링
예시적인 실시예에서, 단일방향 섬유 테잎 제조 프로세스에 병합되는 접착제에 안료가 첨가됨으로써, 복합 물질의 제조에 계속 사용되는 색 주입된 단방향 테잎이 된다. 예컨대, 이러한 색 첨가제는 이산화 티타늄, 카본 블랙, 프탈로 블루, 퀴나크리돈 레드, 유기 옐로우, 프탈로 그린, 다크 옐로우 어커, 에로콜라노 오랜지, 베네치아 레드, 암갈색, 비리디언 그린, 울트라마린 블루 및 땜납 그레이를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 착색된 단일 태잎의 사용으로부터 기인한 착색된 복합 물질은 상기한 프로세스들 즉, 가열식 회전 시스템(100), 가열식 프레스 시스템(200/300), 오토클레이브 시스템(400/500), 선형 시스템(600), 복수층 적층물 색 주입(700), 배치 염색 주입 프로세스를 이용하여 추가로 채색될 수 있다.
물질, 프로세스 및 제조와 관련한 추가의 상세 사항은 참조로 여기 병합된 "돛 및 다른 물품의 제조용 복합 물질(COMPOSITE MATERIAL FOR FABRICATION OF SAILS AND OTHER ARTICLES)"라는 명칭의 1995년 11월 28일자로 등록된 미국특허 제 5,470,062호, "돛의 제조용 물질(MATERIAL FOR THE FABRICATION OF SAILS)"라는 명칭의 1994년 8월 2일자로 등록된 미국특허 제 5,333,568호, 및 "가요성 박막 및 다른 물품의 제조용 방수 통기성 복합 물질(WATERPROOF BREATHABLE COMPOSITE MATERIALS FOR FABRICATION OF FLEXIBLE MEMBRANES AND OTHER ARTICLES)"이라는 명칭의 2011년 6월 24일자로 출원된 미국특허출원 제 13/168,912호를 참조한다.
유리한 점, 다른 장점들과 문제에 대한 해결방안을 특정 실시예들과 관련하여 상술하였다. 그러나, 임의의 유리한 점, 장점 또는 해결방안을 야기할 수 있거나 추가로 공표될 수 있는 이들 유리한 점, 장점들, 문제에 대한 해결방안 및 임의의 요소들은 임의의 또는 모든 청구범위의 중요한, 필요한, 또는 필수적인 특성 또는 요소로서 고려되어선 안 된다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "포함(include), 포함(including), 포함(comprise), 포함(comprising) 또는 임의의 다른 변경들은 배타적이지 않은 포함을 커버하고자 하는 것이므로, 구성요소의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치는 이들 구성요소만을 포함하는 것이 아니라 이러한 프로세스, 방법, 물품, 또는 장치에 명확히 리스트되지 않거나 내재적인 다른 구성요소를 포함할 수도 있다. 또한, "필수적인(essential)" 또는 "중요한(critical)"과 같이 명확하게 기술하지 않았다면, 본 발명의 실시를 위해 여기에 설명된 구성요소가 필요한 것은 아니다.

Claims (13)

  1. 전사 매체(transfer media)에 염료를 적용하여 착색된 전사 매체를 생성하는 단계,
    상기 착색된 전사 매체를 복합 물질과 접촉시키는 단계, 및
    오토클레이브를 이용하여, 상기 복합 물질에 상기 염료를 주입하기 위해 열, 외부 압력, 진공 압력 중 하나 이상을 적용하여 착색된 복합 물질을 생성하는 단계
    를 포함하며, 이때
    상기 복합 물질은, 하나 이상의 방향으로 배향된 플라이 층을 하나 이상 포함하고, 상기 플라이는 얇게 펼쳐진 단방향(unidirectional) 고강도 섬유 및 폴리머 매트릭스로 구성된, 복합 물질에 대한 염료 전사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유가 겔 스펀(gel spun) 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 섬유인, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전사 매체가 전사 용지, 전사 라미네이트(laminate) 또는 전사 필름 중 하나 이상인, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 염료는 패턴, 그래픽 또는 로고(logo)의 형상으로 상기 전사 매체에 적용될 수 있고, 상기 착색된 복합 물질은 각각 부합하는 패턴, 그래픽 또는 로고로 주입되는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 염료는 직접 프린팅을 이용하여 상기 전사 매체에 적용되는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질이 원하는 형상을 유지하도록 하는 온도로 상기 복합 물질을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질에 자외선 또는 전자 비임 복사선 중 하나 이상을 적용함으로써 상기 염료를 경화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질에 폴리이미드 코팅을 추가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질에 폴리비닐 플로라이드(PVF) 필름을 추가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질에 나일론 코팅 및 우레탄 코팅을 추가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질이 부직 물질인, 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질이 직조 물질인, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 물질이 하나 이상의 직조 물질 층 및 하나 이상의 부직 물질 층을 포함하는, 방법.
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