DE69620779T2

DE69620779T2 - Mikrostrukturierter gegenstand mit einem träger und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE69620779T2
Application number: DE69620779T
Authority: DE
Inventors: C. Coderre; D. Janovec; E. Lasch; L. Smith
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2016-11-02
Also published as: CA2236603A1; DE69620779D1; EP0858609A1; JP2000500407A; KR100443626B1; WO1997016753A1; KR19990067166A; CA2236603C; MX9803456A; US6004422A; AU7724196A; CN1147742C; EP0858609B1; CN1201531A

Description

Die Erfindung betrifft mikrostrukturierte Gegenstände (z. B. rückstrahlende Folienmaterialien vom Würfeleckentyp) mit Trägerbestandteilen.
Gegenstände mit rückstrahlender Sichtauffälligkeit (z. B. auf Mikrokügelchen basierende rückstrahlende Gegenstände und solche vom Würfelecken- oder prismatischen Typ) sind für die Verwendung zur Erhöhung der Sicherheit und Sichtauffälligkeit insbesondere während Zeiträumen verringerter Sichtbarkeit entwickelt worden. Eine breite Vielfalt von Anordnungen von Würfelecken mit verschiedenen Geometrien ist offenbart worden. Es ist bekannt, die Würfeleckenelemente mit einer Dichtungsschicht zu bedecken, um eine wirksame rückstrahlende Leistung aufrechtzuerhalten. Siehe zum Beispiel die US-Patentschrift 4,025,159 (McGrath).
Es ist wünschenswert, daß ein rückstrahlender Gegenstand an einem gewünschten Substrat für die Lebensdauer des Substrats, oder bis beabsichtigte Entfernung gewünscht wird, haftet. Schwierigkeiten wurde beim Anbringen von rückstrahlenden Folienmaterialien auf flexiblen polymeren Substraten, wie mit hochgradig monomer weichgemachtem Polyvinylchlorid ("PVC") beschichtete Gewebe, ohne die Lebensdauer und Funktion der Substrate zu beeinträchtigen, begegnet. Gegenstände, die polymerbeschichtete oder polymerabgedichtete Gewebematerialien verwenden, wie die Planen eines Lastwagenanhängers und einige Aufrollschilder, haben typischerweise eine Lebenszeit von etwa drei bis fünf Jahren und bis zu etwa zehn Jahren. Aufrollschilder werden häufig von Straßenbautruppen verwendet, um Arbeitszonen, Gefahren auf der Straße und dergleichen zu bezeichnen. Fahrzeugabdeckungen aus polymerbeschichtetem Gewebe sind besonders bequem, indem sie dem Führer des Fahrzeugs gestatten, schnell und bequem Zugang zu dem Inneren von Lastwagenanhängern zu gewinnen und vernünftige Wetterfestigkeit aufrechtzuerhalten. Der Fahrzeugführer kann die Gewebeabdeckung jeden Tag viele Male öffnen und schließen. Daher sollte die Abdeckung flexibel, aber stark sein. Polymerbeschichtete und polymerabgedichtete Gewebe widerstehen vorzugsweise harschen Wetterbedingungen ebenso wie den mechanischen Anforderungen, die an sie durch den Fahrzeugführer (im Fall von Lastwagenplanen) und die Bauarbeiter (im Fall von Aufrollschildern) gestellt werden. Lastwagenabdeckungen und Aufrollschilder können Extremen in der Temperatur, chemischen Angriffen aus Luftverschmutzung und Straßensalz und Photoreaktion einschließlich infraroter, sichtbarer und ultravioletter Strahlung vom Sonnenlicht begegnen. Ein rückstrahlendes Folienmaterial, angebracht auf einer derartigen Vorrichtung, bleibt vorzugsweise während der erwarteten Lebenszeit des Gegenstands flexibel und wetterbeständig.
Viele polymerbeschichtete und polymerabgedichtete Materialien umfassen eine Gewebeschicht aus Polyester, Nylon oder Baumwolle, beschichtet oder abgedichtet auf einer oder beiden Hauptoberflächen mit einem Polymer, das vorzugsweise auf die gewünschte Verwendung abgestimmt ist. Ein gewöhnlich verwendetes Polymer ist hochgradig monomer weichgemachtes PVC. Hochgradig monomer weichgemachtes PVC ist haltbar und bequem zu handhaben, weil es normalerweise mit der Verwendung von Heiß- oder Radiofrequenz-(RF)- Schweißen an sich selbst oder irgendein anderes kompatibles Polymer schmelzklebbar ist. Großräumige mit PVC beschichtete Gewebematerialien werden durch Zusammenschweißen kleinerer Gewebebahnen hergestellt. Verzerrte oder beschädigte PVC beschichtete Gewebematerialien werden oftmals repariert, während sie noch auf dem Fahrzeug sind.
Probleme entstehen, wenn versucht wird, einen tragfähigen rückstrahlenden Gegenstand (wie gemessen durch T-Ablösetesten oder andere ähnliche Verfahren) durch Schmelzkleben eines rückstrahlenden Folienmaterials zu erzeugen, das aus polymeren Materialien hergestellt ist, welche inkompatibel (von dem Standpunkt, unfähig zu sein, eine starke und dauerhafte Schmelzbindung zu erzeugen) mit Materialien sind, die typischerweise für Lastwagenplanen oder Aufrollschilder verwendet werden, wie monomer weichgemachtes PVC und Copolymere von Ethylen und Comonomeren (wie Acrylsäure oder Vinylacetat). Ein Beispiel eines Paars von Materialien, die Schmelzklebkompatibilität zeigen, ist hochgradig weichgemachtes PVC und Polyurethan. Ein Beispiel eines Paars von Materialien, die Schmelzklebinkompatibilität aufweisen, ist hochgradig weichgemachtes PVC und Polycarbonat (ein Material, das häufig in rückstrahlenden Folienmaterialien verwendet wird) aufgrund der wesentlich höheren Schmelztemperatur des Polycarbonats. Ein anderes Beispiel eines Paars von Materialien, die Schmelzklebinkompatibilität aufweisen, ist hochgradig weichgemachtes PVC und vernetzte Acrylwürfelecken. Monomere Weichmacher, die in der Plane vorhanden sind, schwächen typischerweise die Schmelzbindung und verursachen Verlust ihrer Kohäsionsfestigkeit.
RF-Schweißen erreicht Verschmelzen von polymeren Materialien durch die Anwesenheit von polaren Gruppen, die die Radiofrequenz-("RF")-Energie in kinetische Bewegung umwandeln, welche das Polymer erwärmt. Wenn ein Radiofrequenzfeld auf ein thermoplastisches Polymer, das polare Seitengruppen hat, angewendet wird, bestimmt die Fähigkeit der polaren Gruppen, die Orientierung in Phase mit der Radiofrequenz zu wechseln, den Grad, in dem RF-Energie absorbiert und in kinetische Bewegung der polaren Gruppe umgewandelt wird. Diese kinetische Energie wird als Wärme dem Polymermolekül zugeführt; wenn genügend RF-Energie angewendet wird, erwärmt sich das Polymer hinreichend um zu schmelzen. Ein verwendbares Maß zum Bestimmen des Grades, bis zu dem ein Polymer Energie aus einem Wechselstromfeld absorbiert, ist die Beziehung der Dielektrizitätskonstante des Polymers und des dielektrischen Dissipationsfaktors, bekannt als Verlustfaktor, und ist gegeben durch die folgende Beziehung:
N = 5,55 · 10&supmin;¹³ ( )( ²)(K)(tan δ) (1)
wobei N der elektrische Verlust in Watt/Zentimeter³-Sekunde ("Watt/cm³-s") ist, die Frequenz in Hertz/s ist, oder Tau die Feldstärke in Volt/cm ist, K die Dielektrizitätskonstante ist, δ oder Gamma der Verlustwinkel ist und tan δ der Dissipationsfaktor ist.
Der Dissipationsfaktor ist das Verhältnis von phasengleicher zu phasenverschobener Energie. Wenn die polaren Gruppen in einem thermoplastischen Polymer eine relative Unfähigkeit haben, Orientierungen in dem RF-Feld zu wechseln, führt dieses zu einer Phasenverzögerung, die als Dissipationsfaktor bekannt ist. Je höher der Dissipationsfaktor ist, desto größer ist die Menge an Wärme, die ein RF-Feld erzeugt. Untersuchungen mit thermoplastischen Polymeren und Radiofrequenzschweißen haben gezeigt, daß thermoplastische Polymere mit Dissipationsfaktoren von ungefähr 0,065 oder höher verwendbare Schweißverbindungen erzeugen können. Zum Beispiel hat PVC einen Dissipationsfaktor von ungefähr 0,09 bis 0,10 bei 1 MHz, hat Nyloncaprolactam einen Dissipationsfaktor von 0,06 bis 0,09 und hat Polycarbonat einen Dissipationsfaktor von nur 0,01 bei der gleichen Frequenz. Die Dielektrizitätskonstanten für diese drei Verbindungen sind 3,5, 6,4 bzw. 2,96 bei 1 MHz.
Polyethylen, Polystyrol und Polycarbonat haben sehr niedrige Dissipationsfaktoren und haben im praktischen Gebrauch ein schlechtes Radiofrequenzschweißvermögen. Polyvinylchloride, Polyurethane, Polyamide und Polyester haben ziemlich hohe Dissipationsfaktoren, und es wurde gefunden, daß sie im praktischen Gebrauch sehr funktionelle RF-Schweißverbindungen erzeugen. Es wird Bezug auf den Artikel "RF-Schweißen von PVC und anderen thermoplastischen Verbindungen" von J. Leighton, T. Brantley und E. Szabo in ANTEC 1992, S. 724-728, genommen. Diese Autoren haben nicht versucht, Polycarbonat mit den anderen Polymeren zu verschweißen, weil es sich auf dem Fachgebiet verstand, daß es immer mißlingen würde, eine verwendbare Schweißverbindung unter Verwendung von RF-Energie zu erzeugen.
Nur diese polaren Gruppen werden innerhalb des RF-Feldes in Bewegung versetzt und sind so Gegenstand des Erwärmens. Außerdem können RF-Felder im Vergleich zu Verfahren thermischer Wärmeanwendung in gut definierten Zonen oder Feldern angewendet werden. Als Ergebnis können RF-Schweißverfahren verwendet werden, um mit wenig Notwendigkeit für thermische Isolierung leicht Schmelzbindungen an gewünschten Stellen zu erreichen.
Die PCT-Anmeldung WO 93/10985 (Oppenhejm), veröffentlicht am 10. Juni 1993, offenbart unter anderem das Anbringen von rückstrahlenden PVC-Gegenständen auf einem mit PVC beschichteten Planenstoff unter Verwendung von RF-Schweißen. Dieser Verbundstoffgegenstand kann dann mit einer ebenfalls mit PVC beschichteten Planenfahrzeugabdeckung heißluftverschmolzen werden. Um den mit PVC beschichteten Stoff thermisch mit der mit PVC beschichteten Planenabdeckung zu verschweißen, werden die beiden Oberflächen mit Luft auf ungefähr 400ºC bis 600ºC erwärmt und die Oberflächen dann zusammengepreßt, um das Heißluftverschmelzen zu erreichen. Der Zweck des Anbringens des Planenstoffes dazwischen ist, thermische Isolierung zwischen der heißen Luft und dem auf dem Planenstoff angebrachten rückstrahlenden Gegenstand bereitzustellen, um thermisches Schmelzen, Verlust an Rückstrahlung und Zerstörung des rückstrahlenden Gegenstands zu verhindern.
Ein im Handel erhältliches Produkt von Reflexite Corporation, von dem angenommen wird, daß es die Bezeichnung 393-2457-372 hat, umfaßt ein mit Würfelecken rückstrahlendes Folienmaterial, das PVC-Würfelecken aufweist, wobei die Würfelecken an ein PVC-beschichtetes Gewebe schmelzgebunden sind. Mit Würfelecken rückstrahlende Gegenstände, bei denen die Würfelecken aus PVC aufgebaut sind, haben relativ niedrige Koeffizienten des Rückstrahlvermögens, im allgemeinen in der Größenordnung von 250 Candela/Lux/Quadratmeter oder weniger für ein klares, farbloses Folienmaterial.
WO 94/19711 (Martin et al.) offenbart eine rückstrahlende Struktur, umfassend eine Schicht aus durchsichtigen Prismen, erzeugt auf einem Substrat, wie beispielsweise eine Plane. Die Prismen sind durch eine Metallbeschichtung, wie Aluminium, Gold oder Silber, rückstrahlend gemacht. Ein Verfahren der Herstellung einer derartigen rückstrahlenden Struktur ist ebenfalls offenbart.
Die europäische Patentanmeldung des Inhabers dieses Patents EP-A-372727 (Bacon) offenbart ein rückstrahlendes Folienmaterial, umfassend eine Monoschicht aus rückstrahlenden Elementen, teilweise eingebettet in eine elastomere Stützschicht. Zumindest die Rückschicht der Stützschicht ist ein vulkanisiertes oder härtbares Elastomer, und teilweise eingebettet in den rückwärtigen Anteil der Stützschicht ist ein in allen Richtungen elastisches verstärkendes Gewebe.
Die US-Anmeldungen des Inhabers dieses Patents Serien No. 08/236,339, eingereicht am 2. Mai 1994, und 08/434,347, eingereicht am 2. Mai 1995, beschreiben einen flexiblen, dauerhaften, rückstrahlenden Gegenstand mit hoher Helligkeit, umfassend eine polymere rückstrahlende Schicht vom Würfeleckentyp mit einer polymeren kompatibel machenden Schicht zur Anbringung auf einem flexiblen polymerbeschichteten Gewebematerial. Das rückstrahlende Folienmaterial umfaßt der Reihe nach: eine polymere, mit Würfelecken rückstrahlende Schicht, eine polymere kompatibel machende Schicht und ein flexibles polymer beschichtetes Gewebe, wobei das beschichtete Gewebe auf jeder Hauptoberfläche eine nichtkompatible polymere Beschichtung hat. In diesen Konstruktionen gibt es so immer mindestens eine nichtkompatible Polymerschicht zwischen dem Gewebe und der rückstrahlenden Schicht. Die kompatibel machende Schicht ist ein polymeres Material mit Eigenschaften, die unter Bedingungen, die Hochfrequenzschweißen und/oder gemustertes thermisches Schweißen verwenden, zum Binden an sowohl die rückstrahlende Schicht als auch an ein polymerbeschichtetes oder polymerabgedichtetes Gewebematerial geeignet sind. Alle Verfahren zur Herstellung dieser rückstrahlenden Gegenstände beinhalten das Bereitstellen eines gesonderten polymerbeschichteten Gewebes, wobei der Gewebeanteil auf beiden Hauptoberflächen vollständig mit einem nichtkompatiblen Polymer überflutet wird und danach alle drei Schichten durch Wärme oder RF zusammengeschweißt werden. Die Verwendung einer gesonderten, polymeren, kompatibel machenden Schicht und einer Schicht von nichtkompatiblem beschichteten Gewebe vergrößert die Kosten ebenso wie die Dicke derartiger Gegenstände, die daher dazu neigen, ihre Flexibilität zu verringern, und Gegenstände mit höherem Biegeradius ergeben. Es würde höchst wünschenswert sein, wenn rückstrahlende Gegenstände hergestellt werden könnten, die sich mit der Zeit nicht im Rückstrahlvermögen oder in der Haftung der rückstrahlenden Schicht an dem Substrat verschlechtern, auf Grund von verringerter Dicke flexibel bleiben und vorzugsweise weniger kostspielig und leichter herzustellen sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt flexible mikrostrukturierte Gegenstände mit Trägerbestandteilen bereit. In einer typischen Ausführungsform ist der Gegenstand ein rückstrahlender Gegenstand vom Würfeleckentyp. Der Trägerbestandteil stellt die gewünschte Verstärkung und den Schutz für den mikrostrukturierten Bestandteil bereit und stellt in einigen Ausführungsformen Mittel zum Befestigen des Gegenstands an einem gewünschten Substrat bereit. Gegenstände der Erfindung können überraschende Kombinationen von gewünschter Flexibilität, Dauerhaftigkeit und geringen Kosten zeigen.
In kurzer Zusammenfassung umfassen mikrostrukturierte Gegenstände der Erfindung:
(a) einen mikrostrukturierten Bestandteil, der (1) eine Rumpfschicht und (2) eine mikrostrukturierte Schicht, umfassend eine Anordnung von mikrostrukturierten Elementen, umfaßt, wobei mindestens eines der mikrostrukturierten Elemente und der Anteil der Rumpfschicht, der am nächsten zu der mikrostrukturierten Schicht ist, ein erstes Polymer (hier manchmal als erstes funktionelles bindendes Polymer bezeichnet) umfaßt;
(b) eine Dichtungsschicht mit ersten und zweiten Oberflächen und umfassend ein zweites Polymer (hier manchmal als zweites funktionelles bindendes Polymer bezeichnet) auf zumindest der ersten Oberfläche davon, wobei zumindest ein Anteil der ersten Oberfläche der Dichtungsschicht an den Anteil des ersten Polymers des mikrostrukturierten Bestandteils schmelzgebunden ist; und
(c) einen Trägerbestandteil, umfassend eine Faserbahn, umfassend eine Mehrzahl von Multifilamentsträngen, umfassend ein drittes Polymer (hier manchmal als drittes funktionelles bindendes Polymer bezeichnet), und mit ersten und zweiten Seiten, wobei die erste Seite der Bahn an die zweite Oberfläche der Dichtungsschicht schmelzgebunden ist. Wie nachstehend diskutiert, kann der Trägerbestandteil gegebenenfalls weiterhin einen strangeinkapselnden Bestandteil (hier manchmal als Matrixschicht bezeichnet) umfassen. "Funktionelles bindendes Polymer" bedeutet, daß der betreffende polymere Bestandteil eine bestimmte Funktion zusätzlich zum Binden an einen anderen Bestandteil hat, wie hier gezeigt wird. Zum Beispiel könnten in einigen Ausführungsformen die mikrostrukturierten Elemente Polycarbonat umfassen, und beim Gebrauch stellt das Polymer die notwendige Dimensionsstabilität und gewünschte Lichtrefraktion und -reflexion bereit. Die polymere Dichtungsschicht ist eine selbsttragende Folie oder ein Blatt, das dem Gegenstand bestimmte Zug- und Zerreißfestigkeitseigenschaften verleiht, während die mikrostukturierten Elemente vor unerwünschtem Kontakt mit von außen kommenden Agentien geschützt werden. In diesen beiden Ausführungsformen dient das betreffende Polymer einer bestimmten Funktion zusätzlich dazu, lediglich Haftung für einen anderen Bestandteil bereitzustellen. Ein polymerer Klebstoff, der lediglich zum Zusammenkleben von zwei anderen Bestandteilen dient, würde nicht als funktionelles bindendes Polymer angesehen werden.
Die Faserbahn in dem Trägerbestandteil ist aus einer Mehrzahl von Multifilamentsträngen hergestellt, die, wie nachstehend diskutiert, nicht mit einkapselndem Harz gesättigt sind. Als Ergebnis bleiben die individuellen Stränge flexibler, und die so erhaltene Bahn und der Gegenstand zeigen größere Flexibilität und größere Zerreißfestigkeit.
In einigen Ausführungsformen stellt die Erfindung rückstrahlende Gegenstände bereit, die in zahlreichen Anwendungen verwendbar sind, zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, die Verwendung in Kleidungsstücken der Sicherheit oder der Mode wegen oder Accessoires wie eine Handtasche oder ein Rucksack, die Verwendung für Gegenstände für Haustiere und andere Tiere, ebenso wie Schilder, wie Straßenschilder und Aufrollschilder, flexible Fahrzeugabdeckungen, Planen, Warnstreifen und Sichtmarkierungen. Diese Materialien können auch in Dekorations- und Strukturgurtband zum Zeigen von graphischen Entwürfen und Logos ebenso wie zum Bereitstellen von Flecken zum Anbringen auf derartigen Gegenständen verwendbar sein. Gegenstände der Erfindung können bisher unerreichte Kombinationen von hoher Flexibilität und Anpaßbarkeit, Zerreißfestigkeit, Zugfestigkeit und Klebfilmdauerhaftigkeit bereitstellen.
Kurz zusammenfassend umfaßt das Verfahren der Erfindung:
(a) Bereitstellen eines mikrostrukturierten Bestandteils, der (1) eine Rumpfschicht und (2) eine mikrostrukturierte Schicht, umfassend eine Anordnung von mikrostrukturierten Elementen, umfaßt, wobei mindestens eines der mikrostrukturierten Elemente und der Anteil der Rumpfschicht, der am nächsten zu der mikrostrukturierten Schicht ist, ein erstes Polymer umfaßt; und
(b) Bereitstellen einer Dichtungsschicht mit ersten und zweiten Oberflächen und umfassend ein zweites Polymer, und Schmelzbinden zumindest eines Anteils der ersten Oberfläche der Dichtungsschicht an den Anteil des ersten Polymers des mikrostrukturierten Bestandteils;
(c) Bereitstellen eines Trägerbestandteils, umfassend eine Faserbahn, umfassend eine Mehrzahl von Multifilamentsträngen, umfassend ein drittes Polymer, und mit ersten und zweiten Seiten; und
(d) Schmelzbinden der ersten Seite der Bahn an die zweite Oberfläche der Dichtungsschicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird bezüglich der Zeichnungen weiter erklärt, wobei:
Fig. 1a-d Querschnittsansichten von verschiedenen veranschaulichenden Konstruktionen von auf dem Fachgebiet bekannten rückstrahlenden Schichten sind, die hier als mikrostrukturierte Bestandteile verwendet werden können;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines veranschaulichenden Multifilamentstranges in einem Trägerbestandteil der Erfindung ist;
Fig. 3 und 4 jeweils eine Querschnittsansicht eines Teils eines Gegenstands der Erfindung während des Schmelzbindens sind;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Hochfrequenzbindungsschrittes zur Herstellung eines rückstrahlenden Gegenstands der Erfindung ist;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines thermischen Befestigungsschrittes zur Herstellung eines rückstrahlenden Gegenstands der Erfindung ist;
Fig. 7 eine Draufsicht, darstellend eine Oberfläche eines typischen Prägezylinders, verwendbar bei dem in Fig. 6 veranschaulichten Verfahren, ist; und
Fig. 8a und 8b Querschnittsansichten von Bindungen zwischen der Dichtungsschicht und zwei verschiedenen mikrostrukturierten Bestandteilen von zwei veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung sind.
Diese Figuren, die idealisiert sind, sind nicht maßstabgerecht und sollen lediglich veranschaulichend und nicht begrenzend sein.
Wie vorstehend dargelegt umfassen mikrostrukturierte Gegenstände der Erfindung der Reihe nach:
(a) einen mikrostrukturierten Bestandteil, umfassend (1) eine Rumpfschicht und (2) eine mikrostrukturierte Schicht, umfassend eine Anordnung von mikrostrukturierten Elementen, wobei mindestens eines der mikrostrukturierten Elemente und der Anteil der Rumpfschicht, der am nächsten zu der mikrostrukturierten Schicht ist, ein erstes Polymer umfaßt;
(b) eine Dichtungsschicht mit ersten und zweiten Oberflächen und umfassend ein zweites Polymer auf zumindest der ersten Oberfläche davon, wobei zumindest ein Anteil der ersten Oberfläche der Dichtungsschicht an zumindest einen Anteil des ersten Polymers des mikrostrukturierten Bestandteils schmelzgebunden ist; und
(c) einen Trägerbestandteil, umfassend eine Faserbahn, umfassend eine Mehrzahl von Multifilamentsträngen, umfassend ein drittes Polymer und mit ersten und zweiten Seiten, wobei die erste Seite der Bahn auf der zweiten Oberfläche der Dichtungsschicht angebracht ist. Die Faserbahn in dem Trägerbestandteil ist aus einer Mehrzahl von Multifilamentsträngen hergestellt, die im wesentlichen nicht mit einkapselndem Harz gesättigt sind.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "mikrostrukturierter Bestandteil" einen Bestandteil, umfassend eine Rumpfschicht und eine mikrostrukturierte Schicht. Die Rumpfschicht kann aus einer einzigen Schicht oder aus einem Verbundstoff mit mehr als einer Schicht hergestellt sein. Die Rumpfschicht funktioniert typischerweise, indem sie den mikrostrukturierten Gegenstand vor Umweltelementen schützt und/oder indem sie bedeutsamen mechanischen Zusammenhalt für den mikrostrukturierten Bestandteil bereitstellt. Die mikrostrukturierte Schicht ist auf einer Seite der Rumpfschicht angeordnet. Die mikrostrukturierte Schicht umfaßt eine Anordnung von mikrostrukturierten Elementen, z. B. Würfeleckenelementen, die rückstrahlende Eigenschaften bereitstellen, und kann gegebenenfalls eine Schicht umfassen, die die mikrostrukturierten Elemente miteinander verbindet oder zusammenbindet. In einem typischen Nachbildungsverfahren wird die Anordnung von Elementen durch eine Schicht aus dem gleichen Material wie die Elemente, die manchmal als Gratschicht bezeichnet wird, miteinander verbunden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung sind die Gratschicht und die Rumpfschicht der gleiche Bestandteil, in anderen Ausführungsformen sind sie verschiedene Schichten aus dem gleichen Material oder verschiedene Schichten aus verschiedenen Materialien, die miteinander verbunden sind.
Der mikrostrukturierte Bestandteil wird großenteils basierend auf den Eigenschaften, die von dem so erhaltenen Gegenstand gewünscht werden, ausgewählt. Zu veranschaulichenden Beispielen gehören Oberflächen mit einer Anordnung von Würfeleckenelementen, die daraus herausragen, wie in dem Fall von rückstrahlenden Gegenständen, und Oberflächen mit einer Anordnung von parallelen Prismen, die daraus herausragen, wie in dem Fall einiger optischer Produkte. Wie für den Fachmann selbstverständlich ist, können andere mikrostrukturierte Oberflächen wie gewünscht in Gegenständen der Erfindung verwendet werden.
Die Fig. 1a-d veranschaulichen verschiedene Konstruktionen von im Stand der Technik bekannten rückstrahlenden Schichten, die, wenn gewünscht, in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
In Fig. 1a ist der mikrostrukturierte Bestandteil 20 ein rückstrahlender Bestandteil mit einer einzigen Schicht, umfassend die Gratschicht 22 und die mikrostrukturierte Schicht 24 mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen in Form von Würfelecken.
In Fig. 1b ist der mikrostrukturierte Bestandteil 26 ein rückstrahlender Verbundstoffgegenstand, umfassend die Rumpfschicht 28 und die mikrostrukturierte Schicht 30. In einigen Ausführungsformen umfassen die für die Rumpfschicht 28 und die mikrostrukturierte Schicht 30 verwendeten polymeren Materialien verschiedene Materialien. In einem bevorzugten Beispiel dieser Ausführungsform besteht die Rumpfschicht 28 aus Polyurethan und besteht die mikrostrukturierte Oberfläche 30 aus Polycarbonat- Würfeleckenvorsprüngen.
In Fig. 1c umfaßt der mikrostrukturierte Bestandteil 32 (1) die mikrostrukturierte Schicht 33, die die mikrostrukturierten Elemente 36 und die Gratschicht 34 umfaßt, und (2) die Rumpfschicht 38.
In Fig. 1d umfaßt der mikrostrukturierte Bestandteil 40 die mikrostrukturierte Schicht 43 und die Rumpfschicht 41. Die Rumpfschicht 41 umfaßt mehrfache Schichten 46 und 48. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schicht 46 eine Strukturdeckschicht und ist Schicht 48 ein Schutzmantel. Die mikrostrukturierte Schicht 43 umfaßt die Gratschicht 42 und die mikrostrukturierten Elemente 44.
Der Fachmann ist imstande, geeignete Rumpfschichten und mikrostrukturierte Schichten für spezielle Anwendungen auszuwählen.
In einigen bevorzugten rückstrahlenden Ausführungsformen der Erfindung ist der mikrostrukturierte Bestandteil ein hochflexibles rückstrahlendes Folienmaterial vom Würfeleckentyp. Ein veranschaulichendes Beispiel, das zur Verwendung hier geeignet ist, ist das Folienmaterial, das in der europäischen Patentanmeldung des Inhabers dieses Patents No. 94.931935.4 (Bacon et al.), eingereicht am 20. Oktober 1994 über die PCT-Anmeldung No. US94111945, offenbart ist. Diese Anmeldung offenbart anpaßbare Folienmaterialien, umfassend eine Mehrzahl von diskreten Würfeleckensegmenten, die anpaßbar aneinander gebunden sind, wobei jedes Würfeleckensegment einen Rumpfanteil mit einer im wesentlichen ebenen vorderen Hauptoberfläche und mindestens einem ganz kleinen rückstrahlenden Würfeleckenelement umfaßt, das rückwärts aus dem Rumpfanteil herausragt und eine Würfeleckenpunktseite des Würfeleckensegments definiert. Ein anderes zur Verwendung hier geeignetes veranschaulichendes Folienmaterial ist das flexible Folienmaterial, offenbart in der europäischen Patentanmeldung No. 95.900384.9 (Benson et al.), eingereicht am 20. Oktober 1994 über die PCT-Anmeldung No. US94/11940. Dieses Folienmaterial umfaßt: a) eine zweidimensionale Anordnung von im wesentlichen unabhängigen vernetzten Würfeleckenelementen, wobei die Anordnung ein erstes polymeres Material umfaßt, und b) eine Deckschichtfolie mit zwei Hauptoberflächen und umfassend ein zweites polymeres Material, wobei die Anordnung an die erste Hauptoberfläche der Deckschichtfolie gebunden ist. In diesen Ausführungsformen wird die Dichtungsschicht in Kontakt mit der Deckschichtfolie zwischen Würfeleckenelementen erzeugt und wird an die Deckschichtfolie schmelzgebunden.
Der Fachmann ist imstande, diesen und andere geeignete mikrostrukturierte Bestandteile zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Leichtigkeit auszuwählen.
Das Polymer der mikrostrukturierten Elemente wird im Hinblick auf die Eigenschaften, die von dem so erhaltenen Gegenstand erwünscht sind, die Mittel, die zur Erzeugung der mikrostrukturierten Merkmale verwendet werden, die Bindungsfähigkeit an das zweite Polymer der Dichtungsschicht und die Natur aller anderen Komponenten des mikrostrukturierten Bestandteils ausgewählt. Das Polymer kann wie gewünscht ein thermoplastisches oder wärmehärtendes Harz sein.
In rückstrahlenden Ausführungsformen der Erfindung zeigt der mikrostrukturierte Bestandteil vorzugsweise hohe rückstrahlende Helligkeit, d. h. hat einen hohen Koeffizienten des Rückstrahlvermögens. Rückstrahlvermögen der Folienmaterialien, ausgedrückt als Koeffizient der Rückstrahlung, RA, in den Einheiten Candela/Lux/Quadratmeter, wird unter Verwendung des standardisierten Tests ASTM E 810-93b bestimmt. Typischerweise zeigen die rückstrahlenden Ausführungsformen der Erfindung einen Koeffizienten des Rückstrahlvermögens von mindestens etwa 250, vorzugsweise mehr als etwa 400 und stärker bevorzugt mehr als etwa 600, Candela/Lux/Quadratmeter bei einem Beobachtungswinkel von 0,2º und einem Eingangswinkel von -4º für den Mittelwert von 0º- und 90º-Orientierungswinkeln. Derartige rigorose Helligkeitskriterien schließen PVC-Würfeleckenelemente aufgrund der Nichteignung von PVC, einen hohen Koeffizienten des Rückstrahlvermögens für eine beliebige Zeitlänge bereitzustellen, als ungeeignet aus. Dieses ist hauptsächlich auf die Verwendung der monomeren Weichmacher innerhalb des PVC der rückstrahlenden Schicht und die Tatsache zurückzuführen, daß PVC-Materialien nicht hinreichend dimensionsstabil sind.
Einige Faktoren sind beim Erreichen einer hohen rückstrahlenden Helligkeit wichtig. Zum Beispiel sollte das die mikrostrukturierte Oberfläche erzeugende Polymer im wesentlichen optisch durchsichtig sein (es kann wenn gewünscht gefärbt sein), ob die Dichtungsschicht an die Oberfläche schmelzgebunden ist oder nicht. Außerdem sollte das Polymer Würfeleckenelemente bilden, die dimensionsstabil sind, so daß die genaue, für die Rückstrahlung gewünschte Geometrie aufrechterhalten wird.
Verwendbare polymere Materialien für den mikrostrukturierten Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise imstande, für Wellenlängen im Bereich von etwa 400 bis etwa 700 Nanometern bei einer gegebenen Wellenlänge mindestens 70% des auf das Polymer einfallenden Lichts hindurchzulassen. Stärker bevorzugt haben die Polymere bei diesen Wellenlängen eine Lichtdurchlässigkeit von mehr als 80 Prozent und am meisten bevorzugt von mehr als 90%.
Zu veranschaulichenden Beispielen von thermoplastischen Polymeren, die als das erste funktionelle bindende Polymer in mikrostrukturierten Bestandteilen der Erfindung verwendet werden können, gehören Acrylpolymere wie Poly(methylmethacrylat); Polycarbonate;
Cellulosen; Polyester wie Poly(butylenterephthalat); Poly(ethylenterephthalat);
Fluorpolymere; Polyamide; Polyetherketone; Poly(etherimid); Polyolefine; Poly(styrol); Poly(styrol)copolymere; Polysulfon; Urethane einschließlich aliphatischer und aromatischer Polyurethane; und Gemische der vorstehenden Polymere wie beispielsweise ein Poly(ester)- und Poly(carbonat)-Gemisch und ein Fluorpolymer- und Acrylpolymergemisch. Zum Beispiel sind einige wärmebeständige thermoplastische aliphatische Urethane, die hier verwendet werden können, in der US-Patentschrift 5,117,304 (Huang et al.) offenbart.
Zu anderen veranschaulichenden Polymermaterialien gehören reaktive Harzsysteme, die imstande sind, durch Einwirkung von aktinischer und/oder Teilchenstrahlung, zum Beispiel Elektronenstrahl, ultraviolettes Licht oder sichtbares Licht, durch einen Radikalpolymerisationsmechanismus vernetzt zu werden. Zusätzlich können diese Materialien mit dem Zusatz eines thermischen Initiators wie Benzoylperoxid durch thermische Mittel polymerisiert werden. Durch Strahlung initiierte kationisch polymerisierbare Harze können ebenfalls verwendet werden.
Reaktive Harze, die zur Erzeugung der mikrostrukturierten Schicht und Verwendung als erste funktionelle bindende Polymere geeignet sind, können Gemische von Photoinitiator und mindestens einer eine Acrylatgruppe tragenden Verbindung einschließen. Vorzugsweise enthält das Harzgemisch eine monofunktionelle, eine difunktionelle oder eine polyfunktionelle Verbindung, um die Erzeugung eines vernetzten polymeren Netzwerks bei Bestrahlung zu sichern.
Zu veranschaulichenden Beispielen von zur Verwendung hier geeigneten Harzen, die imstande sind, durch einen Radikalmechanismus polymerisiert zu werden, gehören Harze auf Acrylbasis, abgeleitet von Epoxiden, Polyestern, Polyethern und Urethanen, ethylenisch ungesättigte Verbindungen, Aminoplastderivate mit mindestens einer Acrylatseitengruppe, Isocyanatderivate mit mindestens einer Acrylatseitengruppe, von acrylierten Epoxiden verschiedene Epoxidharze und Gemische und Kombinationen davon. Die Bezeichnung Acrylat wird hier verwendet, um sowohl Acrylate als auch Methacrylate zu umfassen. Die US-Patentschrift 4,576,850 (Martens) offenbart Beispiele von vernetzten Harzen, die verwendet werden können, um die Spitzen der rückstrahlenden Schicht der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
Zu ethylenisch ungesättigten Harzen, die hier verwendbar sind, gehören sowohl monomere als auch polymere Verbindungen, die Atome von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und gegebenenfalls Stickstoff, Schwefel und Halogenen enthalten. Sauerstoff oder Stickstoffatome oder beide sind im allgemeinen in Ether-, Ester-, Urethan-, Amid- und Harnstoffgruppen vorhanden. Ethylenisch ungesättigte Verbindungen haben vorzugsweise ein Molekulargewicht von weniger als etwa 4000 und sind vorzugsweise Ester, hergestellt aus der Umsetzung von Verbindungen, die aliphatische Monohydroxygruppen, aliphatische Polyhydroxygruppen enthalten, und ungesättigten Carbonsäuren wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Maleinsäure und dergleichen. Zu veranschaulichenden Beispielen von Photopolymerisationsinitiatoren, die zur Verwendung hier mit Acrylverbindungen gemischt werden können, gehören: Benzil, Methylo-benzoat, Benzoin, Benzoinethylether, Benzoinisopropylether, Benzoinisobutylether usw., Benzylphenon/tertiäres Amin, Acetophenone wie 2,2-Diethoxyacetophenon, Benzylmethylketal, 1-Hydroxycyclohexylphenylketon, 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropin- 1-on, 1-(4-Isopropylphenyl)-2-hydroxy-2-methylpropan-1-on, 2-Benzyl-2-N,N- dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-1-butanon, 2,4,6-Trimethylbenzoyldiphenylphosphinoxid, 2-Methyl-1-(4-methylthio)phenyl-2-morpholino-1-propinon usw. Diese Verbindungen können typischerweise einzeln oder in Kombination verwendet werden. Zu veranschaulichenden Beispielen von kationisch polymerisierbaren Materialien, die zur Verwendung hier geeignet sind, gehören epoxy- und vinyletherfunktionelle Gruppen enthaltende Materialien. Diese Systeme werden durch Oniumsalzinitiatoren wie Triarylsulfonium- und Diaryliodoniumsalze photoinitiiert.
Zu bevorzugten Polymeren zur Erzeugung der Anordnung von Würfeleckenelementen in rückstrahlenden Ausführungsformen der Erfindung gehören Poly(carbonat), Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylenterephthalat), aliphatische Polyurethane und vernetzte Acrylate wie multifunktionelle Acrylate oder Epoxide und acrylierte Urethane, gemischt mit mono- und multifunktionellen Monomeren. Diese Polymere werden aus einem oder mehreren der folgenden Gründe bevorzugt: thermische Stabilität, Umweltstabilität, Klarheit, ausgezeichnetes Ablösen aus dem Werkzeug oder der Form und Fähigkeit, eine reflektierende Beschichtung aufzunehmen.
Viele der vorstehend erwähnten Polymere zur Verwendung bei der Erzeugung der mikrostrukturierten Oberfläche bilden direkt keine angemessenen Bindungen zu hochgradig weichgemachtem PVC oder Ethylencopolymeren wie EAA. Weiterhin können diese mikrostrukturierten Oberflächen aufgrund von Wanderung und Ablagerung von monomeren Weichmachern aus weichgemachtem PVC-Material, entweder aus direktem Kontakt oder als Dampf, der Zersetzung unterworfen werden. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, daß die Dichtungsschicht als Sperrschicht für die Wanderung des monomeren Weichmachers aus Fasermaterialien mit Beschichtungen aus weichgemachtem PVC auf die rückstrahlenden Elemente wirken kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Dichtungsschicht das Einbringen von Faserbahnen und Matrixschichten, die kompatibel oder inkompatibel mit dem mikrostrukturierten Bestandteil sind, gestatten kann. In einer Ausführungsform ist die Rumpfschicht eine flexible ultraviolett absorbierende Deckschicht.
Die Dichtungsschicht wird an den mikrostrukturierten Bestandteil entweder an der Rumpfschicht oder an der mikrostrukturierten Oberfläche oder beiden schmelzgebunden. Typischerweise ist im Fall einer rückstrahlenden Ausführungsform die Dichtungsschicht an den mikrostrukturierten Bestandteil in einem Netzwerk von Verbindungskleblinien schmelzgebunden, wobei eine Anordnung von verschlossenen Zellen erzeugt wird, die eine Mehrzahl von Würfeleckenelementen enthalten. Wie in der US-Patentschrift 4,025,159 (McGrath) diskutiert wird, stellen ein derartiges Netzwerk von Bindungen und der Rumpf der Dichtungsschicht hermetisch abgeschlossene Zellen von rückstrahlenden Elementen bereit, bei denen eine Luftgrenzfläche auf den Oberflächen der Würfeleckenelemente aufrechterhalten wird. Vorzugsweise ist die mikrostrukturierte Schicht spiegelnd beschichtet oder metallisiert. In einigen Ausführungsformen kann die mikrostrukturierte Oberfläche metallisiert sein und kann die Dichtungsschicht an die Metalloberfläche im wesentlichen kontinuierlich oder in diskontinuierlicher Weise schmelzgebunden sein.
Zusätzlich wirkt die Dichtungsschicht, indem sie den mikrostrukturierten Bestandteil an den Trägerbestandteil durch Schmelzbinden, z. B. Hochfrequenzschweißen und/oder gemustertes thermisches Schweißen, bindet.
Ein Vorteil der Erfindung ist, daß die Dichtungsschicht zuerst im gewünschten Muster an den mikrostrukturierten Bestandteil schmelzgebunden werden kann, wobei mögliche Auswirkungen des Dichtungsmusters auf die gewünschte Erscheinungsform des Bestandteils von der vorderen Oberfläche, die gewünschte rückstrahlende Leistung des so erhaltenen Gegenstands usw. berücksichtigt werden, und dann nachfolgend an den Trägerbestandteil schmelzgebunden werden kann, im wesentlichen ohne die Schmelzbindung an den mikrostrukturierten Bestandteil zu stören. Dies gestattet die gesonderte Optimierung beider Grenzflächen und die Optimierung des Endprodukts. Zum Beispiel kann die Dichtungsschicht an die mikrostrukturierte Oberfläche in einer Mehrzahl von einzelnen Punkten oder in einem Verbindungsnetzwerk von Bindungen schmelzgebunden werden, wie in der US-Patentschrift 4,025,159 (McGrath) offenbart ist, um das Zerreißen der mikrostrukturierten Oberfläche zu minimieren (wenn nicht die Oberfläche metallisiert ist, sind die Bereiche, an die die Dichtungsschicht schmelzgebunden ist, optisch unterbrochen, so daß die rückstrahlende Wirkung des Folienmaterials verringert wird), während die Dichtungsschicht im wesentlichen vollständig über im wesentlichen dessen gesamte Oberfläche an den Trägerbestandteil schmelzgebunden wird, wobei eine starke kohäsive Grenzflächenbindung bereitgestellt wird. Wenn gewünscht könnte die Dichtungsschicht an den Trägerbestandteil in einem Muster, z. B. Punktbindungen, oder einem Netzwerk von Bindungen, das von dem Muster, in dem die Dichtungsschicht an die mikrostrukturierte Oberfläche schmelzgebunden ist, verschieden ist, gebunden werden.
Das zweite Polymer der Dichtungsschicht ist mit dem ersten Polymer des mikrostrukturierten Bestandteils kompatibel, d. h., die beiden können miteinander schmelzgebunden werden, ohne die mikrostrukturierten Merkmale des mikrostrukturierten Bestandteils unerwünscht zu verschlechtern. Vorzugsweise stellt die Dichtungsschicht eine Bindung zwischen dem mikrostrukturierten Bestandteil und dem Trägerbestandteil bereit, gekennzeichnet durch eine mittlere T-Ablösekraft (gemessen gemäß dem nachstehend in den Beispielen beschriebenen Testverfahren) von mindestens etwa 0,2 lbsf (0,9 Newton), stärker bevorzugt mindestens etwa 0,8 lbsf (3,6 Newton), stärker bevorzugt mehr als etwa 2 lbsf (9 Newton).
Eine manchmal erwünschte Eigenschaft der Dichtungsschicht ist, daß das zweite Polymer als Sperrschicht für die Wanderung von monomeren Weichmachern wirkt, z. B. solchen, wie sie aus einem mit PVC beschichteten flexiblen Gewebematerial, auf dem der rückstrahlende Gegenstand angebracht ist, herauswandern könnten. Sperrschichten verzögern oder beseitigen die Wanderung von monomerem Weichmacher auf die mikrostrukturierte Oberfläche, wodurch die gewünschte Leistung des so erhaltenen Gegenstands bewahrt wird.
Zu veranschaulichenden Beispielen von Polymeren, die für die Verwendung in einer Dichtungsschicht geeignet sind, gehören Polyurethane, Alkylen/Alkylacrylat-Copolymere wie Ethylen/Methylacrylat-Copolymer, Ethylen/n-Butylacrylat-Copolymer, Ethylen/Ethylacrylat- Copolymer, Ethylen/Vinylacetat-Copolymere, polymer weichgemachtes PVC und mit Polyurethan grundiertes Ethylen/Acrylsäure-Copolymer. Gemische derartiger Materialien können wenn gewünscht verwendet werden. Der Fachmann erkennt, daß der Begriff "Polyurethan" typischerweise Polymere mit Urethan- und/oder Harnstoffbindungen einschließt, und so ist die beabsichtigte Bedeutung hier und schließt Polyether-Polyurethane, Polyester-Polyurethane und Polycarbonat-Polyurethane ein. Ein veranschaulichendes Beispiel eines geeigneten EAA-Materials für die Verwendung in der Erfindung ist das, das unter der Handelsbezeichnung PRIMACOR Brand 3440, von Dow Chemical Company, Midland MI, bekannt ist, welches ein Copolymer von Ethylen und Acrylsäure ist, wobei die letztere in einem Gewichtsprozentsatz von etwa 9 Prozent als einem Prozentsatz des Gesamtgewichts von Ethylen- und Acrylsäuremonomer vorhanden ist, wobei das Copolymer einen Schmelzindex von etwa 10 hat. Polymer weichgemachtes PVC wird als deutlich von monomer weichgemachtem PVC verschiedenes Material angesehen, weil polymere Weichmacher nicht aus dem PVC herauswandern. Polymer weichgemachtes PVC bleibt flexibel und verursacht keine Verschlechterung der optischen Leistung der rückstrahlenden Schicht.
Zu geeigneten Polyurethanen für die Verwendung als Dichtungsschichten gehören Polyether-Polyurethane, Polyester-Polyurethane, Polycarbonat-Polyurethane, von denen alle in der Natur aliphatisch oder aromatisch sein können, und Gemische von diesen. Ein geeignetes Gemisch umfaßt etwa 50 bis etwa 99 Gewichtsprozent aliphatischen Polyester-Polyurethan mit etwa 1 bis 50 Gewichtsprozent eines pigmentierten aromatischen Polyether-Polyurethans. Ein Beispiel eines geeigneten Gemisches ist das von 60 Gewichtsprozent des aliphatischen Polyester-Polyurethans, bekannt unter der Handelsbezeichnung MORTHANE Brand PN03.214, von Morton International, Seabrook, New Hampshire mit 40 Gewichtsprozent eines pigmentierten aromatischen Polyether-Polyurethans. Das pigmentierte aromatische Polyether-Polyurethan umfaßt 50 Gewichtsprozent aromatischen Polyether-Polyurethan, bekannt unter der Handelsbezeichnung ESTANE Brand No. 58810, erhältlich von B. F. Goodrich Co., Cleveland, Ohio, und 50 Gewichtsprozent Titandioxid, vorher durch geeignete Mittel, wie in einem Doppelschneckenextruder, compoundiert und nachfolgend pelletisiert. Ein anderes veranschaulichendes Beispiel eines geeigneten Polyurethans kann durch Doppelschneckencompoundierung von etwa 1 bis etwa 50 Gewichtsprozent Titandioxid direkt in ein aliphatisches Polyurethan wie MORTHANE Brand PN03.214 hinein hergestellt werden.
Ein verwendbares Ethylen/Vinylacetat-("EVA")-Copolymer ist das, das unter der Handelsbezeichnung ULTRATHANE UE Brand 646-04 von Quantum Chemical Company, Cincinnati, Ohio bekannt ist. Der Fachmann ist imstande, über T-Ablösetests zu bestimmen, daß Ethylencopolymere mit höheren Comonomergehalten und Schmelzindizes leichter schmelzgebunden werden. Jedoch ist bei sehr hohen Schmelzindizes und/oder Comonomergehalten ersichtlich, daß die Schmelzbindungsfestigkeiten abnehmen.
In einigen Ausführungsformen des Gegenstands innerhalb der Erfindung kann eine mehrschichtige Dichtungsschicht verwendet werden. Ein veranschaulichendes Beispiel einer Mehrschichtversion ist eine Ethylen/Vinylacetat-Copolymer-("EVA")-Schicht, aufgebracht auf eine Schicht von Ethylen/Acrylsäure-Copolymeren ("EAA"), wobei die EAA-Schicht gegenüber dem Trägerbestandteil angeordnet ist und die EVA-Schicht etwa 15 bis etwa 50 Molprozent Vinylacetat ("VA"), stärker bevorzugt etwa 30 bis etwa 50 Molprozent VA, aufweist. Eine Schicht kann wegen der Eigenschaften einer Weichmachersperrschicht und/oder der Haftung an dem Verstärkungsbestandteil und die andere Schicht wegen der Haftung an der mikrostrukturierten Oberfläche ausgewählt werden.
Der Trägerbestandteil ist eine Faserbahn, umfassend eine Mehrzahl von Multifilamentsträngen, umfassend ein drittes Polymer und mit ersten und zweiten Seiten, wobei die erste Seite der Bahn an die zweite Oberfläche der Dichtungsschicht schmelzgebunden ist. Die Matrixschicht umfaßt vorzugsweise Polymere, ausgewählt aus hochgradig monomer weichgemachtem PVC, Ethylen/Acrylsäure-Copolymer und Polyurethan. Die Faserbahn in dem Trägerbestandteil ist aus einer Mehrzahl von Multifilamentsträngen hergestellt, die im wesentlichen nicht mit einkapselndem Harz gesättigt sind. Jeder Strang umfaßt eine Mehrzahl von Filamenten, die wie gewünscht miteinander verflochten oder verdreht sein können oder nicht. Die Filamente in einem Strang können wie gewünscht von im wesentlichen gleichem Querschnittsdurchmesser oder unterschiedlichem Durchmesser sein. Die verschiedenen Stränge in einem gegebenen Trägerbestandteil können wie gewünscht im wesentlichen gleichmäßig oder verschieden im Durchmesser, in der Anzahl der Filamente, der Länge, der Zusammensetzung der Filamente usw. sein.
Die Stränge umfassen vorzugsweise mindestens sieben Filamente, stärker bevorzugt 15 oder mehr Filamente und noch stärker bevorzugt etwa 30 oder mehr Filamente. Zumindest einige der Filamente innerhalb eines Stranges sind frei, sich mit Bezug aufeinander zu bewegen, d. h. die Filamente sind nicht so fest miteinander verwunden oder miteinander verbunden, oder die Zwischenräume innerhalb des Stranges sind nicht mit Harz (z. B. von der Dichtungsschicht oder Matrixschicht) gesättigt, um unabhängige Bewegung zu verhindern. Als Ergebnis ist der Strang flexibler, vermittelt größere Flexibilität an den so erhaltenen Gegenstand, von dem er ein Teil ist. Während des Schmelzbindens der Dichtungsschicht an den Trägerbestandteil werden die Stränge nicht mit dem Material der Dichtungsschicht gesättigt, wenn die Dichtungsschicht in Kontakt direkt mit der Faserbahn gebracht wird, oder der Matrixschicht, wenn vollständig darin eingebettet wird, wodurch sie gemäß der Erfindung mehr Flexibilität behalten.
Fig. 2 veranschaulicht einen Querschnitt von Strang 100, umfassend eine Mehrzahl von Filamenten 102 im Trägerbestandteil 104, an den die Dichtungsschicht 106 schmelzgebunden worden ist. Zusätzlich zum Strang 100 umfaßt der Trägerbestandteil 104 weiterhin die Matrixschicht 108. Gemäß der Erfindung sind die umgebenden polymeren Materialien an den Strang gebunden, aber durchdringen die inneren Anteile davon nicht, so daß zumindest einige der einzelnen Filamente frei bleiben, sich unabhängig voneinander zu bewegen.
Zu veranschaulichenden Beispielen von geeigneten Faserbahnen für die Verwendung in oder als Trägerbestandteile hier gehören Gewebe, Vliese und Gestricke sowie Gewebe aus losen Fasern, von denen alle eines oder mehrere von Polyamid, Polyester und Cellulosefaser umfassen können. Geeignete Trägerbestandteile haben Basisgewichte (unbeschichtet) im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 20 Unzen/Quadratyard (etwa 17 bis etwa 680 Gramm/Quadratmeter (g/m²)), abhängig von der für den so erhaltenen Gegenstand gewünschten Flexibilität.
Die Faserbahn und/oder die Matrixschicht, wenn vorhanden, können polymere Materialien umfassen, die inkompatibel mit dem ersten Polymer des mikrostrukturierten Bestandteils sind, d. h. polymere Materialien, die nicht, wenn gewünscht, daran schmelzgebunden werden können. Die Faserbahn kann so sein, daß sie an die Dichtungsschicht und/oder die Matrixschicht schmelzgebunden wird. Jedoch wird typischerweise die Faserbahn daran meist nur schwach schmelzgebunden oder wird im wesentlichen nicht schmelzgebunden, wobei den Filamenten die Fähigkeit gelassen wird, sich freier zu bewegen. Mit der Faserbahn, die wie in den Fig. 2-4 gezeigt zwischen der Dichtungsschicht und der Matrixschicht eingekapselt ist, und einer starken Schmelzbindung zwischen der Dichtungsschicht und Matrixschicht wird die strukturelle Integrität des Verbundstoffgegenstands aufrechterhalten. Die Faserbahn kann dem Verbundstoffgegenstand gemäß der Erfindung große Reißfestigkeit, Zugfestigkeit usw. vermitteln, ohne stark an die umgebenden Komponenten des Gegenstands gebunden zu sein.
PVC wird typischerweise auf Lastwagenplanen, Aufrollschildern und dergleichen verwendet und stellt gute Flexibilität, Abriebbeständigkeit, Stabilität gegenüber ultravioletten Strahlen und Leistungsvermögen bei kalten Temperaturen bereit. Aber PVC ist auch typischerweise hochgradig mit monomeren Weichmachern weichgemacht, um gute Flexibilität zu erreichen, typischerweise bis zu 30 bis 40 Gewichtsprozent von monomeren Weichmachern. Wie in der US-Patentschrift 5,069,964 (Tolliver) diskutiert, kann ein derartiger Weichmacher die rückstrahlende Leistung von rückstrahlenden Gegenständen vom Würfeleckentyp verschlechtern, wenn er durch den Gegenstand wandert oder hindurchdringt. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß ausgewählt werden kann, daß die Dichtungsschicht oder Matrixschicht des Trägerbestandteils wenn gewünscht eine Sperrschicht für monomere Weichmacher sein kann.
Eine andere Ausführungsform eines verwendbaren polymeren Materials für Lastwagenplanen, Aufrollschilder und dergleichen ist Ethylen/Acrylsäure-Copolymer. Wie das PVC-Polymer ist EAA flexibel, haltbar und abriebbeständig. Jedoch bewahren EAA-Folien die Flexibilität ohne die Notwendigkeit von Weichmachern. Andere flexible Ethylencopolymere, zum Beispiel EVA oder Ethylen/n-Butylacrylat-Copolymer, können ebenfalls zum Beschichten einer äußeren Oberfläche des Gewebes verwendet werden.
Wie vorstehend kurz zusammengefaßt umfaßt das Verfahren der Erfindung:
(a) Bereitstellen eines mikrostrukturierten Bestandteils, der (1) eine Rumpfschicht und (2) eine mikrostrukturierte Schicht, umfassend eine Anordnung von mikrostrukturierten Elementen, umfaßt, wobei mindestens eines der mikrostrukturierten Elemente und der Anteil der Rumpfschicht, der am nächsten zu der mikrostrukturierten Schicht ist, ein erstes Polymer umfaßt; und
(b) Bereitstellen einer Dichtungsschicht mit ersten und zweiten Oberflächen und umfassend ein zweites Polymer, und Schmelzbinden zumindest eines Anteils der ersten Oberfläche der Dichtungsschicht an den Anteil des ersten Polymers des mikrostrukturierten Bestandteils; und
(c) Bereitstellen eines Trägerbestandteils, umfassend eine Faserbahn, umfassend eine Mehrzahl von Multifilamentsträngen, umfassend ein drittes Polymer, und gegebenenfalls einen strangeinkapselnden Bestandteil, und mit ersten und zweiten Seiten; und
(d) Binden der ersten Seite der Bahn an die zweite Oberfläche der Dichtungsschicht;
wobei sich ein flexibler mikrostrukturierter Gegenstand mit Trägerbestandteil ergibt. Wie in Fig. 8a gezeigt ist in einigen Ausführungsformen die Dichtungsschicht 204 an die mikrostrukturierte Oberfläche 202 des mikrostrukturierten Bestandteils 200 gebunden, d. h., die mikrostrukturierte Oberfläche 202 umfaßt das erste Polymer, an das sich das zweite Polymer der Dichtungsschicht 204 bindet. Wie in Fig. 8b gezeigt ist in einigen Ausführungsformen die Dichtungsschicht 210 an die Rumpfschicht 206 des mikrostrukturierten Bestandteils 207 gebunden, wobei sie zwischen den Mikrostrukturelementen 208 der mikrostrukturierten Oberfläche in Kontakt damit gedrängt wird. In diesem Fall umfaßt der Anteil der Rumpfschicht 206, der am nächsten zu den Mikrostrukturelementen ist, das erste Polymer, an das sich das zweite Polymer der Dichtungsschicht 210 bindet.
Gemäß der Erfindung kann die Dichtungsschicht zuerst in einem gewünschten Muster an den mikrostrukturierten Bestandteil schmelzgebunden werden und dann nachfolgend in einem anderen Muster an den Trägerbestandteil schmelzgebunden werden, im wesentlichen ohne die Schmelzbindung an den mikrostrukturierten Bestandteil (wie in Fig. 3 gezeigt) zu stören. In einigen Ausführungsformen wird der mikrostrukturierte Bestandteil an die Dichtungsschicht schmelzgebunden und wird gleichzeitig die Dichtungsschicht an den Trägerbestandteil schmelzgebunden. In noch anderen Ausführungsformen wird die Dichtungsschicht zuerst an den Trägerbestandteil schmelzgebunden und dann an den mikrostrukturierten Bestandteil schmelzgebunden (wie in Fig. 4 gezeigt).
Bezugnehmend auf Fig. 3 soll der mikrostrukturierte Bestandteil 110 mit der mikrostrukturierten Oberfläche 112 (z. B. Polycarbonat), an welche die Dichtungsschicht 114 (z. B. Urethan) an einer Mehrzahl von Schmelzbindungspunkten 116 schmelzgebunden worden ist, an den Trägerbestandteil 118, umfassend die Faserbahn 120 und die Matrixschicht 122 (z. B. Urethan), schmelzgebunden werden.
Bezugnehmend auf Fig. 4 wird der mikrostrukturierte Bestandteil 130 mit der mikrostrukturierten Oberfläche 132 (z. B. Polycarbonat), welche mit der reflektierenden Schicht 133 (z. B. Aluminiumdampfschicht) metallisiert worden ist, an die Dichtungsschicht 134 (z. B. EAA) schmelzgebunden, welche an den Trägerbestandteil 136, umfassend die Faserbahn 138 und die Matrixschicht 140 (z. B. Urethan), schmelzgebunden worden ist.
In einigen typischen Ausführungsformen haben die Mikrostrukturen eine Höhe oder Tiefe von etwa 3,5 mil (85 Mikrometer), hat die Dichtungsschicht eine Dicke von etwa 2,5 mil (62 Mikrometer), haben die Stränge der Faserbahn eine Dicke von etwa 5 bis 7 mil (125 bis 175 Mikrometer) oder so und hat die Matrixschicht eine Dicke von etwa 4 mil (100 Mikrometer). Es ist jedoch selbstverständlich, daß Komponenten mit anderen Abmessungen als diesen gemäß der Erfindung verwendet werden können. Typischerweise wird bevorzugt, daß die Dichtungsschicht mindestens 2/3 so dick wie die Tiefe der Mikrostrukturen auf der mikrostrukturierten Oberfläche ist. Wenn die Stränge zu dick sind, neigt der so erhaltene Gegenstand dazu, weniger flexibel zu sein; wenn sie zu dünn sind, neigt der Gegenstand dazu, geringere Reißfestigkeit zu haben. Wenn die Matrixschicht zu dünn ist, kann die Faserbahn in dem so erhaltenen Gegenstand nicht befestigt genug sein. Wenn eine der Komponenten zu dick ist, kann der so erhaltene Gegenstand nicht die gewünschte Flexibilität zeigen.
Zu Schmelzbindungsverfahren, die hier verwendet werden können, gehören Hochfrequenzschweißen (z. B. Radiofrequenzschweißen und Ultraschallschweißen), thermische Aufbringung, thermische Extrusion, Thermokaschierung und dergleichen.
Zum Beispiel wird eine geeignete rückstrahlende mikrostrukturierte Oberfläche ausgewählt, die eine Mehrzahl von polymeren Mikrostrukturen aufweist, welche normalerweise inkompatibel für direkte thermische Verbindung mit nichtkompatiblen Polymeren, wie monomer weichgemachtes PVC oder EAA, sind. Ein Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoff wird ausgewählt, der eine integrale Dichtungsschicht, aufgebracht auf eine Seite davon, und in einigen Fällen eine nichtkompatible Polymerschicht, wobei das Fasermaterial dazwischen liegt, aufweist. Zumindest ein Anteil der mikrostrukturierten Oberfläche und zumindest ein Anteil der Seite der Dichtungsschicht werden miteinander in Kontakt gebracht und Energie mit hoher Frequenz, wie Radiofrequenz, in den meisten Fällen unter Druck oder durch Hindurchführen durch einen erhitzten Walzenspalt, ausgesetzt. Die Frequenz der Energie, die Feldstärke, die Stelle (oben oder unten), die Zeit und der Spalt sind durch einen Operator variabel und werden abhängig von den polymeren Komponenten auf Eignung ausgewählt. Die Wahl hängt von solchen Faktoren wie den individuellen polymeren dielektrischen Verlustfaktoren, den Dielektrizitätskonstanten, den Schmelztemperaturen und der Schichtdicke ab. Die Radiofrequenzenergie wird von Antennen freigesetzt, die innerhalb geeigneter Platten montiert sind, die auf die geeigneten Oberflächen des Verbundstoffgegenstands gepreßt werden, wobei eine geeignete Menge an Druck und eine geeignete Dauer der Hochfrequenzenergie angewendet wird. Eine allgemeine Beschreibung des Radiofrequenzschweißens ist in Modern Plastics Encyclopedia, Ausgabe 1992, S. 350-352 (McGraw-Hill) gegeben.
Beim thermischen Schweißen eines mikrostrukturierten Bestandteils und eines Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoffes werden die beiden Materialien zwischen eine Preßwalze und eine prägende thermische Walze geführt, wobei über ein prägendes Muster mit erhabenen Rippen, getragen auf der Oberfläche der Prägewalze, ein geeigneter Druck auf die Komponenten angewendet wird. Die Preßwalze mit Gegenkraft ist vorzugsweise eine Walze mit hinreichend harter glatter Gummioberfläche, zum Beispiel eine 85-Shore-A-Durometer-Walze. Die Prägewalze ist gemustert, um Druck in das Material, das nur an dem Punkt der erhabenen Rippen geschweißt wird, hinein auszuüben. Sowohl die Prägewalze als auch die Hart-Durometer-Walze werden auf geeignete Temperaturen erwärmt, die von der verwendeten Zusammensetzung der Polymere abhängen. Das Prägemuster kann verschiedene geeignete Muster haben, so wie nachstehend beschrieben ein Kettengliedmuster.
In einem Verfahren einer anderen Ausführungsform wird ein kompatibles Dichtungsschicht-Polymer, vorzugsweise durch Extrusionsbeschichtung, auf einen Trägerbestandteil aufgebracht und abkühlen gelassen, wobei ein Anteil der Dichtungsschicht in Kontakt mit der strukturierten Oberfläche (metallisiert oder nicht metallisiert) eines mikrostrukturierten Bestandteils gebracht ist, und die so erhaltene Verbundstoffstruktur Bedingungen (vorzugsweise Hochfrequenzschweißen oder thermische Druckwalzen, wie vorstehend erklärt) ausgesetzt, die ausreichend sind, um den Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoff an einer Vielzahl von Stellen an die mikrostrukturierte Oberfläche schmelzzubinden.
Ultraschallschweißen kann verwendet werden, um Schmelzbinden gemäß der Erfindung zu erreichen. Beim Ultraschallschweißen werden mechanische Vibrationen mit hoher Frequenz durch eine von den Anschlußteilen der Maschine hindurch auf die Verbindungsgrenzfläche geschickt. Eine Kombination von angewandter Kraft und Oberflächen- und intermolekularer Reibung an der Verbindungsgrenzfläche erhöht die Temperatur, bis der Schmelzpunkt des Materials erreicht ist. Die Kraft wird nach dem Ende der Vibrationen beibehalten, und eine Schweißverbindung wird hergestellt. Siehe Modern Plastics Encyclopedia (1992), S. 353-356.
Die Erfindung befaßt sich auch mit mikrostrukturierten Oberflächen, die spiegelnd mit Metall und anderen geeigneten reflektierenden Beschichtungen als Mittel zum Verändern der optischen Leistung des mikrostrukturierten Bestandteils beschichtet sind. Die Erfindung nimmt die Notwendigkeit vorweg, die metallisierten Beschichtungen zu mustern, wenn RF-Schweißen verwendet wird, und das RF-Schweißen auf diejenigen Bereiche zu beschränken, die frei von einer Metallisierung sind. Es wird erkannt, daß ein Anteil alle Oberflächen eines Vorsprungs oder weniger als alle Oberflächen umfassen kann.
Fig. 5 veranschaulicht eine Ausführungsform des rückstrahlenden Gegenstands 50 der Erfindung, umfassend die rückstrahlende Schicht 52 und den polymerbeschichteten Trägerbestandteil 53 mit der Dichtungsschicht 54 darauf und umfassend die PVC-Schicht 55 und die Faserbahn 57, die unter Verwendung der Radiofrequenzschweißenergie von den Platten 56 verschmolzen wurden, wobei die RF-Schweißverbindung 58 zwischen der rückstrahlenden Schicht 52 und der Dichtungsschicht 54 erzeugt wird.
Fig. 6 veranschaulicht ein thermisches Verfahren zum Aufbau eines rückstrahlenden Gegenstands der Erfindung 60, umfassend die rückstrahlende Schicht 62 und das polymerbeschichtete Gewebematerial 63 mit der Dichtungsschicht 64 und umfassend die PVC-Schicht 65 und das Gewebe 67, die zwischen der Prägewalze 66 und der Gummiwalze 70 geführt werden. Die Prägewalze 66 umfaßt die gemusterte erhabene Rippe 68, wodurch unter Verwendung von Wärme und Druck zwischen den Walzen 66 und 70 entsprechend der gemusterten erhabenen Rippe 68 zwischen der rückstrahlenden Schicht 62 und der Dichtungsschicht 64 eine thermische Schweißverbindung 72 erzeugt wird.
Fig. 7 veranschaulicht eine Draufsicht eines Anteils einer Prägewalze, die verwendet wird, um einen Gegenstand der Erfindung mit Kettengliedmuster herzustellen. Die Prägewalze 188 hat erhabene Prägeelemente 192 auf ihrer Oberfläche, um entsprechend dem Prägemuster aus erhabenen Rippen 192 in Gegenständen der Erfindung ein thermisches Schweißmuster zu erzeugen. Fig. 7 stellt eine Draufsicht eines Prägemusters mit erhabenen Rippen 192 auf der Oberfläche der Prägewalze 188 dar, die die Messungen A, B und C der Abmessungen des Musters zeigt. Abmessung A liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 Millimeter ("mm"), Abmessung B liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 4 bis etwa 50 mm, und Abmessung C liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 4 mm.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß Gegenstände der Erfindung so aufgebaut werden können, daß sie einen ausgezeichneten Grad an Flexibilität ohne Reißen oder mechanisches Versagen aufrechterhalten. Zum Beispiel kann das Folienmaterial ohne Schaden um gekrümmte und anderweitig nichtebene Oberflächen gewickelt werden. In einem Test wurde diese Flexibilität gemessen, indem der mikrostrukturierte Gegenstand um einen zylindrischen Dorn mit einem Durchmesser von 3,2 mm (0,125 Zoll) gewickelt wurde. Der Test wurde bei 0ºC mit guten Ergebnissen, d. h. ohne sichtbares Reißen, durchgeführt.
Gegenstände der Erfindung können zur Verwendung in hochflexibler Form hergestellt werden, um auf flexiblen Substraten, z. B. PVC-Leinwänden, welche Flexibilität unter Verwendung der monomeren Weichmacher erreichen, verwendet zu werden, während sie gegenüber Verschlechterung, z. B. der optischen Leistung, aufgrund der Einwirkung monomerer Weichmacher beständig sind.
Färbemittel, UV-Absorber, Lichtstabilisatoren, Radikalfänger oder Antioxidantien, Verarbeitungshilfsstoffe wie Antiblockiermittel, Ablösemittel, Gleitmittel und andere Zusatzstoffe können wie gewünscht zu dem mikrostrukturierten Bestandteil hinzugefügt werden. Das ausgewählte spezielle Färbemittel (z. B. Farbstoffe und Pigmente, gegebenenfalls fluoreszierend) hängt von der gewünschten Farbe ab. Färbemittel werden typischerweise mit etwa 0,01 bis 1 Gewichtsprozent zugesetzt. UV-Absorber werden typischerweise mit etwa 0,5 bis 2 Gewichtsprozent zugesetzt. Zu veranschaulichenden Beispielen von UV-Absorbern gehören Derivate von Benzotriazol wie beispielsweise diejenigen, die unter den Handelsbezeichnungen TINUVIN Brand 327, 328, 900, 1130 und TINUVIN-P Brand, erhältlich von Ciba-Geigy Corporation, Ardsley, New York, bekannt sind; chemische Derivate von Benzophenon wie beispielsweise diejenigen, die unter den Handelsbezeichnungen UVINUL-M40, 408, D-50, erhältlich von BASF Corporation, Clifton, New Jersey bekannt sind; SYNTASE Brand 230, 800 und 1200, erhältlich von Neville-Synthese Organics, Inc., Pittsburgh, Pennsylvania; oder chemische Derivate von Diphenylacrylat wie UVINUL-N35 und 539, ebenfalls erhältlich von BASF Corporation in Clifton, New Jersey. Zu Lichtstabilisatoren, die verwendet werden können, gehören gehinderte Amine, die typischerweise mit etwa 0,5 bis 2 Gewichtsprozent verwendet werden. Zu veranschaulichenden Beispielen von Lichtstabilisatoren in Form von gehindertem Amin gehören diejenigen, die unter den Handelsbezeichnungen TINUVIN-144, 292, 622, 770 und CHIMASSORB-944, alle erhältlich von der Ciba-Geigy Corp. Ardsley, New York, bekannt sind. Radikalfänger oder Antioxidantien können verwendet werden, typischerweise mit etwa 0,01 bis 0,5 Gewichtsprozent. Zu veranschaulichenden Beispielen von geeigneten Antioxidantien gehören gehinderte Phenolharze wie diejenigen, die unter den Handelsbezeichnungen IRGANOX-1010, 1076, 1035 und MD-1024 und IRGAFOS-168, alle erhältlich von der Ciba-Geigy Corp. Ardsley, New York, bekannt sind. Geringe Mengen von anderen Verarbeitungshilfsstoffen, typischerweise nicht mehr als ein Gewichtsprozent der Polymerharze, können hinzugefügt werden, um die Verarbeitbarkeit des Harzes zu verbessern. Zu verwendbaren Verarbeitungshilfsstoffen gehören Fettsäureester oder Fettsäureamide, erhältlich von Glyco Inc., Norwalk, Connecticut, Metallstearate, erhältlich von Henkel Corp., Hoboken, New Jersey, oder WAX E, erhältlich von Hoechst Celanese Corporation, Somerville, New Jersey.

Beispiele

Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden weiterhin in den folgenden veranschaulichenden Beispielen erklärt. Alle Teile und Prozentsätze hier sind auf das Gewicht bezogen, wenn es nicht anderweitig festgelegt ist; "g/m² (gsm)" bezeichnet Gramm pro Quadratmeter.

Mikrostrukturierter Bestandteil

Geschmolzenes Polycarbonatharz (bekannt unter der Handelsbezeichnung MAKOLON Brand 2407, geliefert von Mobay Corporation (jetzt Bayer), Pittsburgh, Pennsylvania) wurde auf ein erwärmtes mikrostrukturiertes Nickelwerkzeug gegossen, das Würfeleckenvertiefungen mit einer Tiefe von ungefähr 89 Mikrometern (3,5 mii) enthielt. Die Vertiefungen wurden als aufeinander passende Paare von Würfeleckenelementen erzeugt, wobei die optische Achse 8,15 Grad weg von der primären Rille geneigt oder gekippt war, wie in der US-Patentschrift 4,588,258 (Hoopman) allgemein beschrieben ist. Die Dicke des Nickelwerkzeugs betrug 508 Mikrometer (20 mil), und das Werkzeug wurde auf 215,6ºC (420ºF) erwärmt. Geschmolzenes Polycarbonat mit einer Temperatur von 288ºC (550ºF) wurde bei einem Druck von ungefähr 1,03 · 10&sup7; bis 1,38 · 10&sup7; Pascal (1500 bis 2000 Pound/Quadratzoll) für 0,7 Sekunden auf das Werkzeug gegossen, um die Mikrowürfelvertiefungen nachzubilden. Gleichzeitig mit dem Füllen der Würfelvertiefungen wurde zusätzliches Polycarbonat mit einer Dicke von ungefähr 104 Mikrometern (4 mil) in einer kontinuierlichen Gratschicht über dem Werkzeug abgelagert.
Eine vorher extrudierte, 75 Mikrometer (3 mil) dicke aliphatische Polyester- Polyurethan-Rumpfschicht, MORTHANE PN03.214, erhältlich von Morton International, Seabrook, New Hampshire, wurde dann auf die obere Oberfläche der kontinuierlichen Polycarbonat-Gratschicht laminiert, wenn die Oberflächentemperatur ungefähr 191ºC (375ºF) betrug. Der mikrostrukturierte Bestandteil aus kombiniertem laminierten Polycarbonat und Polyurethan wurde dann mit Luft von Raumtemperatur für 18 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 70ºC bis 85ºC (160ºF bis 190ºF) abgekühlt, was den Materialien erlaubte, sich zu verfestigen. Das Laminat wurde dann von dem Werkzeug entnommen.

Laminierungsfestigkeit

Die Festigkeit der Schmelzbindung zwischen dem mikrostrukturierten Bestandteil und der Dichtungsschicht kann unter Verwendung eines T-Ablösetests gemessen werden. Der hier verwendete T-Ablösetest beruht, außer den hier angemerkten Veränderungen, auf der Testnummer D 1876-93 der American Society for Testing and Materials (ASTM). Die Proben wurden in ungefähr 25 mm (1 Zoll) breite Streifen geschnitten, wobei die RF- oder thermische Schweißverbindung parallel zu der Längenabmessung des Streifens war. Die Geschwindigkeit der Trennung der Klammern betrug 305 mm/min (12 Zoll/min). Die höchsten und mittleren Ablösekräfte werden angegeben, da die Ablösefront etwa 20 mm entlang der Bindung wandert.

Beispiel 1

Ein Polyesterfasermaterial mit lockerem Gewebe, umfassend 1000-Denier-Fasern, 3,5 Fäden pro cm (9 Fäden pro Zoll) in jeder Richtung, mit einem Basisgewicht von etwa 95 g/m² (2,8 Unzen pro Quadratyard) von Milliken Co., Spartanburg, South Carolina, wurde als Faserbahn des Trägerbestandteils verwendet. Dieses gewebte Fasermaterial hatte Öffnungen, welche den Fluß von geschmolzenen thermoplastischen Harzen dadurch erlaubten. Auf eine Hauptoberfläche des Fasermaterials wurde eine vorher extrusionsbeschichtete nichtkompatible EAA-Schicht (153 Mikrometer dick (6 mil)) thermokaschiert, um eine Matrixschicht zu erzeugen. Das EAA wurde von Dow Chemical Co. in Pelletform unter der Handelsbezeichnung PRIMACOR 3440 erhalten. Auf die zweite Hauptoberfläche des Fasermaterials wurde eine vorher extrusionsbeschichtete 63,5 Mikrometer (2,5 mil) dicke Polyurethanschicht als Dichtungsschicht thermokaschiert. Das Polyurethan wurde in Pelletform von Thermodics Co. in Woburn, Massachusetts erhalten und umfaßte mit Titandioxid pigmentiertes aliphatisches Polyester-Polyurethan mit der Shore-A-Härte 93.
Fünf von diesen Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoffen wurden zum Binden an das vorstehend erwähnte rückstrahlende Blatt und nachfolgendes T-Ablösetesten hergestellt, wobei die pigmentierte Polyurethanschicht an die mikrostrukturierte Oberfläche von gesonderten Stücken des rückstrahlenden Blattes schmelzgebunden wird.

Beispiel 2

Zwei Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoffe wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Polyurethanschicht 127 Mikrometer (5 mil) dick war.

Beispiel 3

Vier Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoffe zum Binden an das rückstrahlende Blatt und nachfolgendes T-Ablösetesten wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß das Polyurethan ein Gemisch von 60 Gewichtsprozent aliphatischem Polyester- Polyurethan, bekannt unter der Handelsbezeichnung MORTHANE PN03.214, erhältlich in Pelletform von Morton International, Seabrook, NH, mit 40 Gewichtsprozent eines pigmentierten aromatischen Polyether-Polyurethans (umfassend 50 Gewichtsprozent Titandioxid und 50 Gewichtsprozent aromatischen Polyether-Polyurethan, bekannt unter der Handelsbezeichnung ESTANE 58810 von B. F. Goodrich Co., Cleveland, OH, welche vorher in einem Doppelschneckenextruder compoundiert und pelletisiert worden waren) war.

Beispiel 4

Vier Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoffe zum Binden an das rückstrahlende Blatt und nachfolgendes T-Ablösetesten wurden wie in Beispiel 3 hergestellt, außer daß die Polyurethanschicht eine Dicke von 114 Mikrometern (4,5 mil) hatte.

Beispiele 5A-5D

Vier Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoffe wurden wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Polyurethanschicht durch eine extrudierte Doppelschichtfolie ersetzt wurde, in der eine Schicht EAA umfaßte und die zweite Schicht EVA umfaßte, wobei der Prozentsatz von Vinylacetat in der EVA-Schicht wie in Tabelle 1 angegeben war. Die EAA-Seite der Doppelschichtfolie wurde auf die zweite Hauptoberfläche des Verbundstoffes laminiert. Die Dicke der EAA-Schicht betrug in allen Gegenständen 50 Mikrometer (2 mil), während die Dicke der EVA-Schicht 12 Mikrometer (0,5 mil) für die Gegenstände der Beispiele 5A und 5B sowie 25 Mikrometer (1 mil) für die Gegenstände der Beispiele 5C und 5D betrug.

Beispiel 6

Die Gegenstände dieses Beispiels waren mit denjenigen von Beispiel 4 identisch, außer daß beide Hauptoberflächen des Verbundstoffes die Polyurethanbeschichtung hatten. Drei von diesen Proben wurden zum Binden und T-Ablösetesten hergestellt.

Beispiel 7

In diesen Konstruktionen wurde ein polymerbeschichtetes gewebtes Nylonfasermaterial aus dichtem Gewebe, hergestellt von Burlington Industries, bekannt unter der Handelsbezeichnung ULTREX, verwendet. Dieses polymerversiegelte Gewebe hatte in beschichtetem Zustand ein Basisgewicht von etwa 4, 5 Unzen pro Quadratyard (etwa 150 g/m²) und hatte 60 · 120 Fäden pro Zoll (152 · 304 Fäden pro cm), welche Nylonfasern mit etwa 200 Denier umfaßten. Die Matrixschicht auf einer Hauptoberfläche der Faserbahn erlaubte, daß Wasserdampf durch das polymerbeschichtete Fasermaterial hindurchging, aber erlaubte nicht, daß flüssiges Wasser hindurchging. Auf die nichtbeschichtete Seite wurde das in Beispiel 3 diskutierte Polyurethan auf eine Dicke von 114 Mikrometern (4,5 mil) thermokaschiert, um eine Dichtungsschicht zu erzeugen. Drei von diesen Konstruktionen wurden zum Binden und T-Ablösetesten hergestellt.

Beispiel 8

In diesen Konstruktionen wurde ein gewebtes Nylonfasermaterial mit etwa 152 Fäden pro cm (60 Fäden pro Zoll) in beiden Richtungen und einem Basisgewicht von etwa 107 g/m² (etwa 3,2 Unzen pro Quadratyard) als Trägerbestandteil verwendet. Auf eine Hauptoberfläche wurde das Polyurethan von Beispiel 3 mit einer Dicke von 114 Mikrometern (4,5 mil) thermokaschiert, um eine Dichtungsschicht zu erzeugen. Zwei von diesen Proben wurden hergestellt.

Beispiel 9

Die Dichtungsschicht wurde wie folgt hergestellt. Ein Gemisch aus 60% aliphatischem Polyester-Polyurethan (MORTHANE Brand PN03-214) und 40% aromatischem Polyester- Polyurethan wurde in einen Extruder eingeführt und auf eine PET-Trägerfolie extrudiert. Dieses aromatische Polyurethan umfaßte ein Gemisch von 50% aromatischem Polyester- Polyurethan ESTANE Brand 58110 von B. F. Goodrich, Cleveland, Ohio und 50% Titandioxid. Das Gemisch wurde vorher in einem Doppelschneckenextruder compoundiert und pelletisiert. Die extrudierte Dichtungsschicht war 64 Mikrometer dick (0,0025 Zoll). Die PET-Trägerfolie war 51 Mikrometer dick (0,002 Zoll).
Der mikrostrukturierte Bestandteil und die Dichtungsschicht wurden in einen Walzenspalt, erzeugt zwischen einer Stahlprägewalze und einer Gummiwalze mit einem 75-Shore-A-Durometer, eingeführt. Man ließ den mikrostrukturierten Bestandteil in Kontakt mit der Prägewalze mit der offenliegenden Würfeleckenseite kommen. Man ließ die PET- Folie der Dichtungsschicht in Kontakt mit der Gummiwalze kommen, so daß die Dichtungsschicht freigelegt wird. Die Stahlprägewalze wurde auf 243ºC (470ºF) erwärmt. Die Walzen drehten sich mit einer Geschwindigkeit von 1,52 Metern/min (5 Fuß/min), und die Kraft an dem Walzenspalt betrug etwa 86 N/cm (50 Pound/Zoll), wobei Bindungen zwischen den Würfelecken und dem offenliegenden Dichtungsbestandteil erzeugt wurden. Das so erhaltene Produkt war ein rückstrahlendes Blatt.
Ein Trägerbestandteil wurde wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, außer daß die nichtkompatible EAA-Schicht nicht verwendet wurde. Die Polyurethanfolie und das Polyesterfasermaterial wurden in einen Walzenspalt eingeführt, wobei die Polyurethanfolie in Kontakt mit dem heißen Zylinder kam und der Polyester in Kontakt mit einer Gummiwalze kam. Die Laminierung der beiden Folien erfolgte bei einer Temperatur von 104 bis 116ºC (220 bis 240ºF), einer Anlagengeschwindigkeit von 6 bis 12 Metern/min (20 bis 40 Fuß/min) und einem Walzenspaltdruck von 12 bis 26 N/cm (7 bis 15 Pound/Zoll). Bei dem so erhaltenen Trägerbestandteil war der Mull teilweise in die Polyurethanfolie eingebettet.
Das rückstrahlende Blatt wurde auf den Trägerbestandteil laminiert, um einen Gegenstand der vorliegenden Erfindung herzustellen. Man ließ den Trägerbestandteil mit der offenliegenden Mullseite in Kontakt mit einem heißen Zylinder kommen. Man ließ das rückstrahlende Blatt mit der offenliegenden Dichtungsschicht in Kontakt mit einer Gummiwalze kommen. Die Laminierung der beiden Folien erfolgte bei einer Temperatur von 104 bis 116ºC (220 bis 240ºF), einer Anlagengeschwindigkeit von 3 bis 12 Metern/min (10 bis 40 Fuß/min) und einem Walzenspaltdruck von 12 bis 24 N/cm (7 bis 14 lbs/Zoll).

Vergleichsbeispiel A

Ein polymerbeschichtetes Gewebe, bekannt unter der Handelsbezeichnung DURASKIN, Ausführungsnummer B156035, erhältlich von Verseidag-Indutex GmbH, Krefeld, Deutschland, wurde als Trägerbestandteil verwendet. Dieses beschichtete Gewebe hatte einen gewebten Polyestermull von 610 Gramm pro Quadratmeter (18 Unzen/Yard²), beschichtet auf beiden Seiten mit einem hochgradig monomer weichgemachten Polyvinylchlorid als Matrixschicht. Vier von diesen beschichteten Geweben wurden gebunden und in dem T-Ablösetest getestet.

Vergleichsbeispiel B

In diesem Beispiel wurde ein polymerbeschichtetes Gewebe wie in Beispiel 1 hergestellt, außer daß die Polyurethanschicht durch eine extrudierte EAA-Schicht, identisch mit der auf die erste Hauptoberfläche aufgebrachten, ersetzt wurde. Eines von diesem Typ wurde hergestellt.

Vergleichsbeispiel C

Ein im Handel erhältlicher rückstrahlender Gegenstand von Reflexite Corporation, von dem angenommen wird, daß er die Handelsbezeichnung 393-2457-372 hat, wurde verwendet. Dieser war eine PVC enthaltende Würfeleckenschicht, geklebt (schmelzgebunden) auf einen PVC beschichteten Mull.

Baugruppe

Einige von den Dichtungsschicht/Trägerbestandteil-Verbundstoffen aus den Beispielen 1-8 (wie in Tabelle 1 angegeben) wurden mit gesonderten Stücken des rückstrahlenden Blattes zusammengeschichtet, wobei die kompatibel machende Schicht den Würfelecken gegenüber war, und thermisch in einer etwa 4 mm breiten mal 180 mm langen Linienstruktur verschweißt. Die Proben wurden thermisch in einer beheizten Plattenpresse verschweißt, in der eine Aluminiumplatte mit einer erhabenen Rippe (3 mm hoch mal 2,8 mm breit mal 180 mm lang) an der oberen Platte angebracht war. Die rückstrahlende Schicht in jeder Probe wurde durch eine 25-Mikrometer-Polyesterterephthalatfolie nahe an der Dichtungsrippe geschützt. Der Trägerbestandteil wurde durch eine 51-Mikrometer-Polyesterterephthalatfolie nahe an der unteren Platte ebenfalls geschützt. Die Platten wurden auf 160ºC (320ºF) vorgeheizt, die Proben in der Presse plaziert, und die Presse wurde mit einer Kraft von 35 000 Newton (8000 lbsf) geschlossen und vor dem Öffnen und Entnehmen der Probe für 3 bis 5 Sekunden geschlossen gehalten. Die Polyesterterephthalat-Schutzschichten wurden dann von den Proben entfernt. Tabelle 1 zeigt, welche Proben thermisch gebunden wurden. In einer anderen Ausführungsform kann der Walzenspalt zwischen einer Stahlprägewalze und einer Gummiwalze verwendet werden, um die thermische Verbindung zu bewirken. Die Stahlwalze wird typischerweise beheizt und hat ein Kettengliedmuster, wie in Fig. 8 veranschaulicht ist.
Alle Proben von den Beispielen 1-8 und den Vergleichsbeispielen A, B und C wurden ebenfalls wie in Beispiel 1 beschrieben mit gesonderten Stücken von Laminat zusammengeschichtet, wobei die Dichtungsschicht den Würfelecken gegenüber lag. Die Proben wurden unter Verwendung einer als Stab geformten Düse, 3,2 mm (0,125 Zoll) in der Breite und etwa 2,54 cm (1 Zoll) in der Länge, verschweißt. Ungefähr 1 bis 2 kW Radiofrequenzleistung wurden mit einer Frequenz von 27,12 MHz verwendet. Die in Tabelle 1 angegebene Generatorleistung wird tatsächlich als Prozentsatz von 4 Kilowatt ausgedrückt. Zum Beispiel beträgt der Anfangswert der ersten Tabelle 42 Prozent von 4 Kilowatt oder 1,7 Kilowatt. Die Schweißausrüstung wurde auf die in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen eingestellt. Der während des Schweißens ausgeübte Druck betrug etwa 2000 psi (etwa 1,4 Newton/cm²), und der Spalt zwischen den Düsenelementen der Schweißmaschine betrug entweder 0,5 mm (2 mil) oder etwa 0,25 mm (1 mil) (gekennzeichnet als "L" für groß bzw. "S" für klein). Die verwendete (RF-)Schweißausrüstung wurde von Thermatron, Electronics Division von Wilcox und Gibbs, New York, New York erhalten.
Die rückstrahlenden Verbundstoffgegenstände wurden dann gemäß dem vorher beschriebenen T-Ablösetest auf Bindungsfestigkeit getestet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. In Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die höchste und mittlere T-Ablösekraft für die erfindungsgemäßen Gegenstände im allgemeinen höher war. Wo die T-Ablösung für einen Vergleichsgegenstand hoch war, war das Versagen kohäsiv (innerhalb der Beschichtung des polymerbeschichteten Gewebes), was nicht erwünscht ist. Tabelle 1
Art des Versagens: RF Ablösen von Gewebe
RC Ablösen von den Würfeln
CO kohäsiv innerhalb der kompatibel machenden Schicht Tabelle 1 (Forts.)
Art des Versagens: RF Ablösen von Gewebe
RC Ablösen von den Würfeln
CO kohäsiv innerhalb der kompatibel machenden Schicht
Verschiedene Modifizierungen und Veränderungen dieser Erfindung werden für den Fachmann offensichtlich, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Mikrostrukturierter Gegenstand, umfassend

(a) einen mikrostrukturierten Bestandteil, der (1) eine Rumpfschicht und (2) eine mikrostrukturierte Schicht (110) umfaßt, umfassend eine Anordnung von mikrostrukturierten Elementen (112), wobei mindestens eines der mikrostrukturierten Elemente und der Anteil der Rumpfschicht, der am nächsten zu der mikrostrukturierten Schicht ist, ein erstes Polymer umfaßt; und

(b) eine Dichtungsschicht (114) mit ersten und zweiten Oberflächen und umfassend ein zweites Polymer, wobei zumindest ein Anteil der ersten Oberfläche der Dichtungsschicht an den mikrostrukturierten Bestandteil schmelzgebunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand weiterhin umfaßt

(c) einen Trägerbestandteil (118), umfassend eine Faserbahn (120), umfassend eine Mehrzahl von Multifilamentsträngen, umfassend ein drittes Polymer, und mit ersten und zweiten Seiten, wobei die erste Seite der Bahn an die zweite Oberfläche der Dichtungsschicht schmelzgebunden ist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil des Dichtungsbestandteils an die Rumpfschicht, an die mikrostrukturierte Schicht oder an beide schmelzgebunden ist.

3. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mikrostrukturierte Schicht eine Mehrzahl von Würfeleckenelementen umfaßt und der Gegenstand einen Koeffizienten des Rückstrahlvermögens von mehr als etwa 250 Candela/Lux/Quadratmeter aufweist.

4. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Faserbahn aus Geweben, Vliesen, Gestricken und Matten aus losen Strängen ausgewählt ist.

5. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-4, wobei zumindest einige der Filamente innerhalb eines Stranges frei sind, sich im Hinblick aufeinander zu bewegen.

6. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-5, wobei größere Anteile der Stränge nicht mit einkapselndem Polymer imprägniert sind.

7. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Faserbahn die Dichtungsschicht direkt berührt.

8. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Trägerbestandteil weiterhin eine Matrixschicht umfaßt.

9. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das erste Polymer einen höheren Schmelzpunkt als das zweite Polymer hat.

10. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Dichtungsschicht ein Polymer mit einem dielektrischen Dissipationsfaktor von mehr als etwa 0,06 umfaßt.

11. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Dichtungsschicht Anteile des mikrostrukturierten Bestandteils in verschlossenen Zellen einkapselt.

12. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-11, wobei das erste Polymer, das zweite Polymer und die Faserbahn jeweils ein unterschiedliches Polymer umfassen.

13. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der Gegenstand hinreichend flexibel ist, um sich an einen Dorn von 3,2 mm (0,125 Zoll) Durchmesser bei 0ºC anzupassen, ohne sichtbar zu reißen.

14. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1-13, wobei der Gegenstand einer der folgenden ist: ein Teil eines Straßenschilds, ein Aufrollschild, ein Kleidungsstück, ein Acceessoirebeutel, ein Rucksack, eine Schutzabdeckung, ein Blatt, eine Plane, ein Wamstreifen, ein Dekorationsgurtband, ein Strukturgurtband oder Flicken, die mit derartigen Gegenständen verbunden sind.

15. Verfahren zur Herstellung eines mikrostrukturierten Gegenstands mit Trägerbestandteil nach einem der Ansprüche 1-14, umfassend:

(a) Bereitstellen eines mikrostrukturierten Bestandteils, der (1) eine Rumpfschicht und (2) eine mikrostrukturierte Schicht (110) umfaßt, umfassend eine Anordnung von mikrostrukturierten Elementen (112), wobei mindestens eines der mikrostrukturierten Elemente und der Anteil der Rumpfschicht, der am nächsten zu der mikrostrukturierten Schicht ist ein erstes Polymer umfaßt; und

(b) Bereitstellen einer Dichtungsschicht (114) mit ersten und zweiten Oberflächen und umfassend ein zweites Polymer, und Schmelzbinden zumindest eines Anteils der ersten Oberfläche der Dichtungsschicht an den mikrostrukturierten Bestandteil; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin umfaßt:

(c) Bereitstellen eines Trägerbestandteils (118), umfassend eine Faserbahn (120), umfassend eine Mehrzahl von Multifilamentsträngen, umfassend ein drittes Polymer, und mit ersten und zweiten Seiten; und

(d) Schmelzbinden der ersten Seite der Bahn an die zweite Oberfläche der Dichtungsschicht.