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Die
Erfindung betrifft das Gebiet des Färbens von Kunststoffen. Insbesondere
betrifft es das Färben
von Polycarbonat mit photochromen Farbstoffen.
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Es
wurden Versuche unternommen, photochrome Farbstoffe mit Thermoplasten
zu vermischen, wie mit Polycarbonat, bei welchem es sich um ein
Kondensationspolymer handelt, welches normalerweise aus der Reaktion
von Bisphenol A Derivaten mit Phosgen resultiert. Die Farbstoffe überstehen
jedoch die Temperaturen, die beim Erwärmen des Polycarbonats zur
Formung der geformten Erzeugnisse notwendig sind, nicht. Typischerweise
wird das Polycarbonat in Pellets bereitgestellt, die zur Gefällezufuhr
in das Fass einer Formungsvorrichtung geeignet sind.
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Um
dieses Problem zu überwinden,
offenbart der Stand der Technik die Behandlung der Polycarbonatpellets
mit einer Lösung
aus photochromen Farbstoffen in einem Cyklohexanon-Lösungsmittel
und Trocknen der behandelten Pellets, um das Cyklohexanon in einem
ersten Trocknungsschritt zu verdampfen. Diese Pellets koaleszieren
jedoch zu Klumpen und schließen
etwas Cyklohexanon ein, welches nicht ausgetrieben werden kann.
Man hat herausgefunden, dass Versuche, diese Klumpen zum Formen zu
verwenden, fehlschlagen, da das Formmaterial eine viskose Masse
bildet, welche an der Form haftet und nicht das gewünschte Erzeugnis
bilden kann. Die Klumpen müssen
zu Teilchen mit einer Größe gemahlen
werden, welche der Größe der Originalpellets
entspricht oder kleiner ist, um die das Lösungsmittel einschließenden Oberflächen freizulegen.
Die gemahlenen Teilchen werden einem zweiten Trocknungsschritt unterworfen,
um das eingeschlossene Lösungsmittel
zu verdampfen; und die getrockneten Teilchen werden verwendet, um
ein Erzeugnis zu formen. Während
das Lösungsmittel
Cyklohexanon es ermöglicht,
dass die photochromen Farbstoffe die Formung überstehen, übt die Verwendung von Cyclopentanon-
oder Cycloheptanon-Lösungsmittel
eine geringe Wirkung auf die Bereitstellung eines geformten thermoplastischen
Erzeugnisses mit photochromen Eigenschaften auf.
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DE-A-4304488,
auf welchem der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, offenbart ein
Verfahren zur Erzeugung photochromer Farbstoffformen bzw. -abformen,
wobei Granulate, welche die Farbstoffe enthalten, erhalten werden,
indem diese mit einem Lösungsmittel,
welches den photochromen Farbstoff enthält, getränkt werden.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Mahl- und zweiten
Trocknungsschritte zu eliminieren, welche im Stand der Technik notwendig sind.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Pellets
mit einer kontinuierlichen Länge
zu extrudieren, welche in einem einzelnen Schritt mit einer Cyclohexanon-Farbstofflösung behandelt
und anschließend
getrocknet wird.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Pellets
mit einer Vielzahl von diskreten Längen zu extrudieren und, während ihre Oberflächen getrennt
voneinander gehalten werden, die Vielzahl von Längen zu behandeln und zu trocknen.
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Noch
ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, das Einschließen von
Cyclohexanon innerhalb des thermoplastischen Materials zu verhindern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines photochromen
thermosplastischen Materials bereitgestellt, umfassend die folgenden
Schritte: Extrudieren wenigstens einer Länge des thermoplastischen Materials,
wobei die oder jede Länge
eine Oberfläche
und zwei Querschnittsabmessungen aufweist, von denen eine klein im
Vergleich mit der wenigstens eine Länge ist; gekennzeichnet durch
die weiteren Schritte des Behandelns der oder jeder Länge mit
einer Lösung,
umfassend einen photochromen Farbstoff, welcher in einem Lösungsmittel
aufgelöst
ist, und welcher das thermoplastische Material angreift bzw. beeinflusst; und
Trocknen des Lösungsmittels
von der oder jeder Länge,
während
die Oberfläche
der oder jeder Länge von
den anderen Längen
getrennt ist. Insbesondere wird die Länge entweder als ein Blatt
mit einer geringen Dicke und einer deutlich größeren Breite hergestellt oder
als ein Stab, wobei beide Querschnittsrichtungen relativ klein sind.
Die Länge
wird mit einer gewärmten
Lösung
eines photochromen Farbstoffes in einem Cyclohexanonlösungsmittel
behandelt, welcher die Oberfläche
des Polycarbonats angreift. Die Länge wird getrocknet, um das
Lösungsmittel
zu verdampfen und anschließend
in kleine Stücke
geschnitten, welche zur Lagerung geeignet sind, oder welche direkt
in eine Formungssvorrichtung eingeführt werden.
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Vorzugsweise
wird eine Vielzahl von Längen mit
wenigstens einer relativ kleinen Querschnittsabmessung, wie oben
beschrieben, bereitgestellt. Während
die Oberflächen
der Längen
voneinander getrennt gehalten werden, werden sie mit der erwärmten Lösung behandelt
und getrocknet. Die getrockneten Längen werden in kleine Stücke geschnitten,
welche für
die Lagerung geeignet sind oder geeignet sind, direkt in eine Formungsvorrichtung
eingeführt zu
werden.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung, wird im Folgenden eine Ausführungsform dieser beschrieben,
welche als Beispiel dient, wobei auf die begleitenden Bezeichnungen
Bezug genommen wird, wobei
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1 ein Flussdiagramm darstellt,
welches die Schritte zur Verarbeitung einer einzelnen kontinuierlichen
Länge des
Thermoplasten zeigt;
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2 eine schematische Ansicht
zeigt, welche die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens aus 1 darstellt.
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3 ein Flussdiagramm zeigt,
welches die Schritte zur Verarbeitung einer Vielzahl von diskreten Längen des
Thermoplasten darstellt.
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Bezugnehmend
auf 1, werden die thermoplastischen
Pellets 10, zum Beispiel aus Polycarbonat, in einen Extruder
eingeführt,
in welchem sie auf eine Schmelztemperatur von zwischen 232°C und 260°C (450°F und 500°F) erwärmt werden,
und kontinuierlich mit einer unbestimmten Länge in Schritt 12 extrudiert
werden. Die Querschnittsfläche der
verlängerten
bzw. erweiterten Länge
sollte wenigstens eine relativ kleine Abmessung aufweisen. Die extrudierte
Länge kann
in der Form eines Blattes mit einer schmalen Querschnittsabmessung
oder in der Form eines Stabes vorliegen, mit einer kreisförmigen,
quadratischen oder anderen Querschnittsform, wobei beide Querschnittsabmessungen
klein sind. Ein wesentliches Merkmal ist, dass das Oberflächen-zu-Volumen
Verhältnis
der extrudierten Länge ausreichend
hoch ist, um die Absorption einer wirksamen Menge der Farbstofflösung zu
ermöglichen.
Für bekannte
Farbstoffkonzentrationen, die auf der Pelletgröße basieren, kann die extrudierte
Länge einfach
dimensioniert werden, um das gleiche Oberflächen-zu-Volumen Verhältnis wie
die Pellets 10 bereitzustellen, was im Folgenden im einzelnen
diskutiert wird.
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Die
Länge wird
anschließend
bei einer erhöhten
Temperatur mit einer Lösung
aus einem photochromen Farbstoff, welcher in Cyklohexanon aufgelöst ist,
in Schritt 14 behandelt. Die Länge wird in Schritt 16 getrocknet,
um das Lösungsmittel
zu verdampfen. Die getrocknete Länge
wird anschließend in
Schritt 18 in kleinere Stücke geschnitten. Die kleineren
Stücke
sind grob betrachtet äquivalent
im Hinblick auf das Volumen oder die Größe zu den Pellets 10,
welche normalerweise in herkömmlichen
Formungsvorrichtungen als Ausgangsmaterial verwendet werden. Die
kleinen Stücke
können
zur nachfolgenden Verwendung gelagert werden oder direkt einer Formungsvorrichtung
zugeführt
werden, um photochrome Erzeugnisse 20 zu bilden.
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Bezugnehmend
auf 2, führt der
Zufuhrbehälter 8 Pellets 10 in
den Extruder 12, in welchem sie zu einer einzelnen Länge L aus
Thermoplast in der Form eines Stabes oder Blattes extrudiert werden,
welcher(s) nachfolgend der Sprühkammer 14, der
Trocknungskammer 16 und dem Schneider 18 zugeführt wird.
Die Geschwindigkeit, mit welcher die Länge durch die nachfolgenden
Stationen durchgeführt
wird, wird durch eine Regelungssteuerung 30 bestimmt. Die
Regelungssteuerung 30 beeinflusst die Geschwindigkeit des
Extruders 12, welcher die Länge L durch die verschiedenen
Stationen schiebt. Es ist klar, dass der Zufuhrbehälter 8 Mittel
umfasst, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit welcher die Pellets 10 dem
Extruder 12 zugeführt
werden, um den Einlass des Einfülltrichters
auf einem konstanten Maß zu
halten. Schneider 18 schneiden die Länge L in kleine Stücke 18a,
welche in einem Container oder Trichter 20 gesammelt werden,
welcher der Einlass einer Formvorrichtung sein kann.
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Ein
Reservoir 32 enthält
eine Lösung
aus photochromen Farbstoff in Cyclohexanlösungsmittel. Die Lösung wird
in die Sprühkammer 14 durch
Düsen gepumpt,
um auf die Länge
aufzutreffen, während
sie hindurchgeführt
wird. Eine Temperaturregelung 34 regelt die Heizer innerhalb
der Kammer 14, um die Lösung
auf einer Temperatur in dem Bereich von ungefähr 121 °C bis 143°C (250°F bis 290°F) zu halten. Die Temperatur
sollte relativ hoch sein, um die Rate zu erhöhen, mit welcher das Lösungsmittel
den Thermoplast in der Kammer 14 angreift, jedoch einen
sicheren Bereich unterhalt des Siedepunkts von Cyclohexanon von
155°C (311°F) liegen.
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Die
Trocknungskammer 16 umfasst auch eine Temperatursteuerung 36,
welche die Heizer regelt, welche die behandelte Länge auf
einer Temperatur in dem Bereich von 166°C bis 240°C (330°F bis 400°F) hält. Die Temperatur sollte oberhalb
des Siedepunktes von Cyclohexanon von 155°C (311 °F) liegen, jedoch einen sicheren
Abstand unterhalb des Schmelzpunktes von Polycarbonat, welcher in
dem Bereich von 232°C
bis 260°C
(450°F bis
500°F) liegt. Blasvorrichtungen
können
innerhalb der Trocknungskammer 16 bereitgestellt sein,
um erwärmte
Luft mit hoher Geschwindigkeit auf die eine oder mehreren Oberflächen der
behandelten Längen
zu richten und die Trocknungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Das
verdampfte Lösungsmittel
wird gesammelt, zum Beispiel durch Abkühlen und Kondensieren des Dampfes
in einem Kondensator 38. Das kondensierte Lösungsmittel
wird durch die Leitung 38a zu dem Reservoir 32 zurückgeführt. Ein
zusätzlicher
Farbstoff wird dem Reservoir 32 von einer photochromen
Farbstoffquelle 40 bereitgestellt.
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Cyclohexanon
ist eine Flüssigkeit,
welche die Oberfläche
des Polycarbonats angreift, und so das Eindringen des photochromen
Farbstoffes ermöglicht.
Das Cyclohexanon greift die Oberfläche der Länge L über eine Zeit an, die sich
von der Anwendung bis zur vollständigen
Verdampfung erstreckt. Das Zeitintervall zwischen der Behandlung der
Länge L
und des Trocknens des Lösungsmittels wird
danach bestimmt, wie schnell die Länge durch die Sprühkammer 14 und
die Trocknungskammer 16 bewegt wird; dieses Zeitintervall
ist durch die Mengenregelung 30 einstellbar. Das Oberfläche-zu-Volumen
Verhältnis
der Länge
in Verbindung mit der Regelungssteuerung 30 bestimmt die
Farbstoffdichte innerhalb des getrockneten Stückes 18a.
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Bezugnehmend
auf 3, werden die thermoplastischen
Pellets 10 auf eine Schmelztemperatur von 232°C bis 260°C (450°F bis 500°F) erwärmt und
mit einer unbestimmten Länge
extrudiert, welche in eine Vielzahl von diskreten Längen mit
Oberfläche in
Schritt 13 geschnitten wird. Die extrudierte Länge weist
wenigstens eine kleine Querschnittsabmessung auf, mit der Länge, wie
oben in Bezug auf 1 beschrieben.
Die Längen
sind für
den Transport der Reihe nach durch die Sprühkammer 15 und die
Trockenkammer 17 zu dem Schneider 19 voneinander beabstandet,
so dass sich ihre Oberflächen
nicht in Kontakt zueinander befinden. Die Längen werden in Schritt 15 mit
einer Lösung
aus photochromen Farbstoff in Cyclohexanon-Lösungsmittel behandelt. Die behandelten
Längen
werden in Schritt 17 getrocknet und in Schritt 19 in
kleinere Stücke
geschnitten. Die kleineren Stücke
werden für
die nachfolgende Verwendung gelagert oder direkt in eine Formungsvorrichtung
eingeführt,
um in Schritt 23 photochrome Erzeugnisse zu formen.
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Die
zylindrischen Polycarbonatpellets 10, die als Ausgangsmaterial
verwendet werden, können
einen Durchmesser von 3,2 mm (1/8 in) und 3,2 mm Länge (1/8
in) aufweisen, wie die, die unter der Marke Miles FCR 2405-1112
vertrieben werden. Die Länge L
kann ein quadratischer Stab sein mit Querschnittabmessungen von
2,5 mm × 2,5
mm (0,1 in × 0,1
in). Es sollte festgehalten werden, dass solch ein quadratischer
Stab ein Oberflächen-zu-Volumen
Verhältnis von
40:1 aufweist, welches etwas geringer ist als das der Pellets, die
als Ausgangsmaterial verwendet werden. Die Verringerung der Querschnittsabmessungen
auf 2,1 mm × 2,1
mm (0,0833 in × 0,00833
in) bietet eine Oberflächen-zu-Volumen
Verhältnis
von 48:1, welches dem der Pellets 10 entspricht. Alternativ
kann der kontinuierlich extrudierte Stab oder Strang mit einem kreisförmigen Querschnitt
bereitgestellt werden, welcher zum Beispiel einen Durchmesser von
2,1 mm (0,0833 in) aufweist, um ein Oberflächen-zu-Volumen Verhältnis von
48:1 zu erhalten. Die extrudierte Länge kann eine Platte sein mit
einer Dicke von 1,06 mm (0,0417 in), um ein Oberflächen-zu-Volumen
Verhältnis
von 48:1 bereitzustellen.
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Die
photochromen Farbstoffe können
Variacrol Blue A, Variacrol Blue D, Variacrol Red PNO und Variacrol
Photo L sein, welches auch als Variacrol (gelb) L bekannt ist und
welche von Enichem America, Inc. New York, New York erhältlich sind.
Diese Farbstoffe oder deren Äquivalente
können
individuell oder in Kombinationen für unterschiedlich gefärbte Farben
eingesetzt werden. Zum Beispiel können 0,095 Gramm jeder dieser
vier Farbstoffe je Pfund Polycarbonat verwendet werden. Die Lösung kann 8,33
Gramm Farbstoff je Liter Cyclohexanon umfassen; und jeder Liter
der Lösung
kann 10 Kilogramm Polycarbonat behandeln. Eine Quetschwalze kann an
dem Auslass der Sprühkammer
angeordnet sein, um einen Überschuss
an Lösung
zu entfernen, mit Ausnahme einer dünnen Schicht auf der Oberfläche des
Stabes.
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Der
Stab wird anschließend
in die Trocknungskammer geführt,
die auf einer Temperatur von 177°C
(350°F)
gehalten wird. Erwärmte
Luft wird auf die Oberflächen
des Stabes gerichtet, um die Verdampfung der Lösung zu vereinfachen. Eine
Blasvorrichtung kann Dampf aus der Trocknungskammer entlang eines
Weges über
einen Kondensator zirkulieren. Das Lösungsmittel wird aus dem Dampf
kondensiert und dem Reservoir 32 zurückgeführt. Die Luft, welche kein
verdampftes Lösungsmittel
aufweist, wird anschließend
wieder auf 177°C
(350°F) erwärmt und
zurück
auf die Oberfläche
des Stabes gerichtet. Basierend auf der Extrusionsrate, sollte die Trocknungskammer
ausreichend lang sein, um im Wesentlichen das ganze Cyclohexanon-Lösungsmittel
von der Oberfläche
des Stabes zu verdampfen.
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Die
Cyclohexanon-Farbstofflösung
greift nach dem Aufbringen die Oberfläche des Stabes an und dieser
Angriff setzt sich über
einen deutlichen Anteil des Durchgangs durch die Trocknungskammer fort,
bis das Lösungsmittel
vollständig
verdampft ist. Diese Angriffsdauer wird im Wesentlichen durch die Extrusionsrate
gesteuert und bestimmt das Gewicht des Farbstoffes je Einheitsfläche der
Länge.
Der Vorteil des Verfahrens ist, dass der kontinuierliche Stab eine
gleichförmige
Oberfläche
zur Verdampfung des Lösungsmittels
bereitstellt. Im Gegensatz hierzu verklumpen die Pellets oder Granulate
des Standes der Technik und fingen oder schlossen das Lösungsmittel
ein, welches nicht verdampft werden konnte, es sei denn, die Klumpen
wurden in ihrer einzelnen Pellets, Teilchen oder Granulate zerlegt,
und einem zweiten Trocknungsschritt unterworfen.
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Die
Stäbe treten
aus der Trocknungskammer bei 177°C
(350°F)
aus. Mit 2,5 mm (0,1 in) Intervallen entlang der Länge wird
der Stab zum Beispiel schnell in Würfel geschnitten, welche als
Ausgangsmaterial für
nachfolgendes Formen von photochromen Erzeugnissen gesammelt werden.
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Probenlinsen
mit 50 mm Durchmesser und 2 mm Dicke, wurden zwischen zwei polierten
rostfreien Stahlplatten geformt. Die Linsen wiesen eine anfängliche
durchlässigkeit
in dem nicht angeregten Zustand von 70 % auf. In dem angeregten
Zustand, nach der Bestrahlung für
fünf Minuten
mit 8 inch Entfernung von einer BLE Spectraline Modell B100 Schwarzlichtquelle,
welche Licht über
einen breiten UV-Bereich und Blaulichtwellenlängenbereich emittiert, mit
einer Peak-Emission von ungefähr
165 nm, zeigten die Probenlinsen eine Durchlässigkeit von 35 %. Die Relaxation
in dem nicht angeregten Zustand trat bei Bedingungen eines Umgebungsraumlicht
auf.
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Durch
die Verdampfung im Wesentlichen allen Cyclohexanons wird der resultierende
Thermoplast mit dem photocromen Farbstoff bereitgestellt, welcher
das Formungsverfahren übersteht.
Bei der Herstellung von Linsen oder anderen optischen Einrichtungen
gemäß der Erfindung,
wurden ausgezeichnete photochrome Eigenschaften beobachtet, ohne
die physikalischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften des
Polycarbonats zu beeinflussen.
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Gemäß des Verfahrens
aus 3, können die
Vielzahl von Längen
eine gleiche Länge
aufweisen, in dem Bereich von 25 mm bis 91 cm (1 in bis 36 in) oder
mehr. Vorzugsweise ist die Länge
zehnmal größer, oder
mehr, als die relativ kleine Querschnittsabmessung. Bei dieser Länge werden
die Endoberflächen
vernachlässigbar,
wenn die Oberflä chen-zu-Volumen
Verhältnisse
berechnet werden. Die geschnittenen Längen können seitlich auf ein Transportband
gelegt werden, welches in Schritten bewegt wird. Das Band kann mit
Ansätzen
ausgestattet sein, um die Trennung zwischen den benachbarten Stäben oder
Platten sicherzustellen. Benachbarte Stäbe oder Platten werden voneinander
getrennt, während
sie durch die Behandlungs- und Trocknungsbereiche geleitet werden,
so dass das Lösungsmittel
nicht zwischen den Kontaktflächen
eingeschlossen wird. Die Stäbe
werden nachfolgend in Würtel
oder Zylinder geschnitten. Geformte optische Polycarbonateinrichtungen,
gebildet aus den kleineren Stücken 19,
besitzen ausgezeichnete photochrome Eigenschaften.
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Es
wird deutlich, dass die Gegenstände
der Erfindung erzielt wurden. Es wurde ein Verfahren zur Einführung photochromer
Farbstoffe in Polycarbonat bereitgestellt, ohne die physikalischen
und mechanischen Eigenschaften des Polycarbonats zu beeinflussen,
wodurch es ein ideales Formungsmaterial für optische Einrichtungen wird.
Dies wurde durch das kontinuierliche Extrudieren des Polycarbonats mit
einer undefinierbaren Länge
erzielt, mit wenigstens einer relativ kleinen Querschnittsabmessung. Die
Länge wird
behandelt und getrocknet, wobei die einzelne gleichförmige Außenoberfläche die
vollständige
Verdampfung des Lösungsmittel
ermöglicht, ohne
Einschließungen.
Die Länge
wird in photochrome thermoplastische Pellets geschnitten, welche
vorher nur hergestellt werden konnten, indem ein Mahlschritt eingesetzt
wurde, der einem zweiten Trocknungsschritt folgte.
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Es
wurde ein Verfahren bereitgestellt, wobei eine Vielzahl von Längen extrudiert
werden und voneinander getrennt gehalten werden, während der
Behandlungs- und Trocknungsschritte. Die Trennung der Längen stellt
eine Vielzahl von gleichförmigen Außenoberflächen bereit,
und ermöglichen
wiederum die vollständige
Verdampfung des Lösungsmittels ohne
Einschluss. Das Verfahren ermöglicht
eine wirksame Steuerung der Farbstoffdichte durch selektive Einstellung
des Querschnittes der Länge
oder der Länge
in Bezug auf die Extrusionsgeschwindigkeit. Das Verfahren kann so
eingestellt werden, dass kontinuierlich photochromer Thermoplast
in einen Einlasstrichter einer Formungsvorrichtung zugeführt wird.