DE69933735T2

DE69933735T2 - Herstellung von geprägten optischen Polymerfilmen

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Publication number: DE69933735T2
Application number: DE69933735T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Saint Paul Ulsh; Mark A. Saint Paul STROBEL; David F. Saint Paul Serino; Janet T. Saint Paul Keller
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2019-07-31
Also published as: JP2010201936A; JP2000052421A; US6096247A; DE69933735D1; EP0976529A1; EP0976529B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft optische Polymerfilme. Insbesondere betrifft diese Erfindung das Verfahren zur Bildung geprägter optischer Polymerfilme und Filme, die durch dieses Bildungsverfahren hergestellt werden.
STAND DER TECHNIK
Im Allgemeinen erhalten optische Filme optische Eigenschaften durch eine Kombination des Wählens von Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes und Verformen des Materials in einem räumlichen Verhältnis, das zu der erwünschten optischen Wirkung führt, wenn die Filme mit Licht in Wechselwirkung treten.
Optische Polymerfilme sind Filme, die gewisse erwünschte optische Wirkungen aufweisen. Spezifisch umfassen diese Filme Polymerfilme, die dazu bestimmt sind, Licht auf das Aussetzen einer spezifischen Bande elektromagnetischer Energie hin zu reflektieren, zu übertragen, absorbieren oder zu brechen. Diese optischen Polymerfilme können mit einer Reihe verschiedener Eigenschaften hergestellt werden. Eine Klasse optischer Filme verliert beträchtlich an optischer Leistungsfähigkeit, wenn sie übermäßiger Hitze ausgesetzt wird. Diese Klasse erreicht den Großteil ihrer optischen Eigenschaften durch eine mehrschichtige oder Mischkonstruktion von mindestens zwei verschiedenen Polymeren mit verschiedenen Brechungsindizes. Dieser Unterschied der Brechungsindizes kann durch einen Orientierungs- oder Streckvorgang verbessert werden, wenn mindestens eines der Polymermaterialien der spannungsinduzierten Doppelbrechung fähig ist. Bei einem derartigen Vorgang werden miteinander in Bezug stehende Polymerregionen auf eine Dicke verdünnt, die die Wechselwirkung mit erwünschten Wellenlängenbereichen auf spezifizierte Arten und Weisen gestatten. Die Regionen können in Form dünner Schichten verschiedener Filme oder dünner diskontinuierlicher Polymerregionen innerhalb einer zweiten Polymermatrix vorliegen. Das Aussetzen übermäßiger Hitze gegenüber kann das Vermischen einzelner Polymerschichten verursachen und im Falle orientierter mehrschichtiger oder Mischfilme besteht eine Tendenz zum Entspannen der geordneten, durch die Orientierung verursachten Natur, wodurch die optische Leistungsfähigkeit des Films reduziert wird.
Diese Klasse orientierter Filme umfasst mehrschichtige Filme und Filme, die aus Mischungen von zwei oder mehr Polymermaterialien bestehen. Mehrschichtige Filme bieten Reflexions- und Transmissionseigenschaften durch mehrere Schichten, die jeweils eine Dicke einer Größenordnung einer Fraktion des Abstands aufweisen, der einer Wellenlänge von Licht entspricht, und bei Reflexionsanwendungen nützlich sind. Beispiele dieses Typs von Film umfassen Polarisatoren, Spiegel für sichtbares und Infrarotlicht und Farbfilme, wie diejenigen, die in den Patentveröffentlichungen WO 95/17303, WO 96/19347 und WO 97/01440 und in den US-Patenschriften Nr. 5,103,337 (Schrenk), 5,122,905 (Wheatley et al), 5,122,906 (Wheatley), 5,126,880 (Wheatley), 5,217,794 (Schrenk), 5,233,465 (Schrenk), 5,262,894 (Wheatley), 5,278,694 (Wheatley), 5,339,198 (Wheatley), 5,360,659 (Arends), 5,448,404 (Schrenk), 5,486,949 (Schrenk), 4,162,343 (Wilcox), 5,089,318 (Shetty), 5,154,765 (Armanini), 3,711,176 (Alfrey, Jr. et al.) und den erneut ausgegebenen US-Patentschriften RE 31,780 (Cooper) und RE 34,605 (Schrenk) beschrieben sind. Mischungskonstruktionen erhalten Reflexions- und Transmissionseigenschaften durch das Vorliegen diskontinuierlicher Polymerregionen mit einem Querschnittsdurchmesser, der zur Hauptachse senkrecht liegt, die im Größenmaßstab einer Fraktion des einer Wellenlänge von Licht entsprechenden Abstands vorliegt. Derartige Filme können die erwünschten optischen Eigenschaften auch durch Orientierung erhalten. Beispiele derartiger Filme umfassen Mischlichtspiegel und Polarisatoren, wie in den Patentveröffentlichungen WO 97/32224, der eingereichten, die US-Seriennummer 09/006455 aufweisenden Anmeldung, und US-Patentschrift Nummer 5,751,388 (Larson) beschrieben.
Eine zweite Klasse optischer Filme ist für die Auswirkungen übermäßiger Hitze relativ unempfindlich. Diese Klasse erreicht den Großteil ihrer optischen Eigenschaften durch biegesteife replizierte prismatische Gestalten auf einer Oberfläche einer flexiblen Polymerschicht. Diese geordneten Gestalten bieten den Großteil der reflektiven optischen Eigenschaften des Films und werden gewöhnlich derart ausgehärtet, dass sie wärmefester sind als die Polymerträgerschicht. Die optischen Charakteristiken der ausgehärteten Gestalten ändern sich unter Hitzeeinwirkung nicht leicht. Diese Filme können je nach der Anwendung in einem transmissiven, reflektiven oder Brechungsmodus verwendet werden. Diese Klasse von Filmen umfasst beispielsweise geordnete reflektive Würfeleckplatten, wie diejenigen, die in den US-Patentschriften Nr. 5,450,235 (Smith et al), 5,691,846 (Benson et al), 5,614,286 (Bacon et al) und 5,763,049 (Frey et al) beschrieben sind.
Das Prägen der Oberfläche eines optischen Films kann zum Manipulieren ihrer optischen oder mechanischen Eigenschaften verwendet werden. Das physikalische Prägen, d.h. das Erreichen einer mit Konturen versehenen Oberfläche durch Drücken der Oberfläche eines optischen Films gegen eine mit einem Werkzeug bearbeitete Oberfläche führt, im Allgemeinen zu flachen Konturen wegen der Härte der typischen Polymermaterialien, die verwendet werden. Das Wärmeprägen, d.h. das Bringen der optischen Filmoberfläche in Drückkontakt mit einer erhitzten, werkzeugbearbeiteten Oberfläche, führt zu Mustern mit tieferen Konturen oder Tiefstellen. Jedoch ist die Wärmeübertragung zwischen einer erhitzten Oberfläche und dem kontaktierenden Film so effizient, dass der Film typischerweise bis in die Nähe seines Schmelzpunkts während des größten Teils der Kontaktzeit erhitzt wird, wodurch oft das räumliche Verhältnis innerhalb des Films gestört und seine optischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Die gesteuerte Dicke orientierter Filmschichten kann ungeordnet werden und die geordnete Ausrichtung von fibrösen diskontinuierlichen Regionen kann so werden, dass sie nicht mehr ausgerichtet sind. Während die Reduzierung der optischen Eigenschaften ausgehärteter reflektiver Filme im Allgemeinen weniger Bedenken bereitet, können diese Filme ebenfalls nicht leicht mit heißen werkzeugbearbeiteten Oberflächen geprägt werden. Weil die ausgehärteten reflektiven Filme starke Wärmesenkvermögen aufweisen, sind die Herstellungsgeschwindigkeiten, die zum Herstellen derartiger Filme angewendet werden, beschränkt.
So besteht ein Bedarf für das thermische Prägen optischer Polymerfilme ohne Verschlechterung der optischen Eigenschaften und auch dafür, es schneller durchzuführen.
WO-A-99/16608 offenbart geprägte orientierte Thermoplastfilme und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Die geprägten orientierten Thermoplastfilme weisen im Wesentlichen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie ungeprägte orientierte Thermoplastfilme auf. Das offenbarte Verfahren umfasst das Bereitstellen eines orientierten Thermoplastfilms mit ersten und zweiten Hauptflächen, das Erweichen mindestens einer der ersten und zweiten Hauptflächen unter Bildung einer erweichten Fläche, das Prägen der erweichten Fläche unter Bildung eines geprägten orientierten Thermoplastfilms und das Kühlen des geprägten Thermoplastfilms. WO-A-99/16608 ist ein unter Artikel 54 (3) EPÜ zitiertes Dokument.
US-A-3,950,480, die die Grundlage für den Oberbegriff von Anspruch 1 bildet, offenbart ein Verfahren für das Prägen von Thermoplastmaterial und das dadurch hergestellte Thermoplastmaterial. Ein Querabschnitt einer kontinuierlichen Länge von vorgeformtem Thermoplastfilm wird durch eine nichtdirekte Kontaktwärmequelle erhitzt, um die Temperatur des Films über seinen Erweichungspunkt zu erhöhen. Der Film wird dann sofort zwischen nebeneinanderliegende, im Gegensinn rotierende Prägewalzen eingespeist, wodurch ein erhobenes Muster in den Film eingeprägt wird. Die Walzen werden gekühlt, um das eingeprägte Muster auf dem Film zu fixieren. Der geprägte Film weist gute Moduli, einen geringen Oberflächenglanz oder ein geringes Lichtreflexionsvermögen, ein tief eingeprägtes Muster, eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Schlagbeständigkeit auf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt wird in einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines geprägten optischen Polymerfilms nach Anspruch 1 bereitgestellt, das unter anderem die Schritte des Bereitstellens eines optischen Polymerfilms mit ersten und zweiten Hauptflächen und dann in getrennten Schritten das Erweichen mindestens einer der ersten und zweiten Hauptflächen unter Bildung einer erweichten Oberfläche, das Prägen der erweichten Oberfläche unter Bildung eines geprägten optischen Polymerfilms und das Kühlen des geprägten optischen Polymerfilms umfasst. Die kombinierten Schritte des Erweichens, Prägens und Kühlens erfolgen in weniger als 1 Sekunde für optische Filme, die durch übermäßige Hitze abgebaut werden.
Es wird ein Wärmefluss entweder durch einen Flammenbrenner oder einen flammenlosen Strahlungsbrenner auf mindestens einer Hauptfläche eines optischen Polymerfilms bereitgestellt, was zu einer erweichten Oberfläche führt. Der Film wird dann zwischen einem Quetschspalt mit mindestens einer Prägefläche unter Bildung von Prägungen auf der erweichten Oberfläche des Films hindurchgeführt. Diese geprägte Oberfläche wird dann zum Fixieren der Struktur der Prägungen gekühlt. Die Zeit, die zum Erhitzen, Prägen und Kühlen des geprägten optischen Polymerfilms erforderlich ist, liegt im Bereich zwischen etwa 0,05 und etwa 1 Sekunde bei optischen Filmen, die durch übermäßige Hitze optisch abgebaut werden.
Der optische Polymerfilm, der durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt wird, kann Prägungen mit Konturen aufweisen, die von flach bis tief reichen. Mehrschichtige Farbverschiebungsfilme mit tiefen Prägungen weisen ein satinähnliches Aussehen auf. Geprägte reflektive polarisierende Filme, die eine Polarisation durch Spiegeln übertragen und die andere Ebene durch Spiegeln reflektieren, weisen reduzierte Oberflächenreibungscharakteristiken auf, die ein verbessertes Handhaben ohne unerwünschte Beschädigung der Oberfläche gestatten. Reflektive polarisierende Filme, die eine Polarisationsebene durch Spiegeln und die andere Ebene zerstreut reflektieren, können mit diffus transmissiven Charakteristiken hergestellt werden. Reflektive Würfeleckfilme, die glitzern oder funkeln, können mit höheren Produktionsgeschwindigkeiten hergestellt werden.
In noch einer anderen Ausgestaltung bietet diese Erfindung eine schichtförmige Konstruktion, die durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt wird. Die schichtförmige Konstruktion umfasst einen optische Eigenschaften aufweisenden Film, der selbst möglicherweise mehrere Schichten aufweist und eine erste und eine zweite Hauptfläche besitzt und bei dem mindestens eine Schutzschicht an mindestens einer der Hauptflächen befestigt ist, wo die Schutzschicht die Oberflächeneinprägungen enthält. Derartige Schutzschichten weisen keine ausreichende Dicke auf, um die optischen Eigenschaften der optischen Filmschicht während des erfindungsgemäßen Prägevorgangs zu schützen. So kann die Schutzschicht eine dünne Schicht billiger Materialien umfassen, um spezifische zusätzliche Charakteristiken wie Korrosionsschutz zu bieten. Als Alternative können Filme, die Schutzschichten aufweisen, die dick genug sind, um die darunterliegende, die optischen Eigenschaften erzeugende Schicht zu schützen, mit höheren Geschwindigkeiten als sonst möglich wäre geprägt werden.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten geprägten optischen Polymerfilme weisen im Wesentlichen identische optische Eigenschaften in Form der Menge und Wellenlängen von Licht, das reflektiert bzw. transmittiert wird, wie die optischen Polymerfilme vor dem Prägen aufweisen, auf. Das erfindungsgemäße Verfahren verleiht jedoch eine variable Topografie bei einem optischen Polymerfilm, die zur Variation von Charakteristiken, wie der gestreuten Reflexion, der gestreuten Transmission, der selektiven Winkelstreuung (Funkeln) und der Oberflächenreibung führt. Des Weiteren verleiht dieses Verfahren, wenn der Erweichungsschritt durch Flammenbehandlung durchgeführt wird, zusätzliche Oberflächencharakteristiken wie verbessertes Benetzen und chemische Haftung an darauffolgenden Beschichtungen.
Farbverschiebungsfilme, die durch das erfindungsgemäße Verfahren geprägt werden, weisen im Vergleich mit Filmen, die durch andere Verfahren bearbeitet werden, dichtere Muster mit dem gleichen Reflexionsvermögen auf und können mit höheren Geschwindigkeiten bearbeitet werden. Reflektive Würfeleckfilme, die zum Bilden eines dekorativen Glitzeraussehens geprägt werden, können mit Geschwindigkeiten von bis zu 45 Metern pro Minute geprägt werden, während diejenigen, die durch eine Heißdosentechnik geprägt werden, typischerweise mit weniger als 3 Metern pro Minute hergestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 ist eine grafische Darstellung, die die Reflexionsgradspektren über eine Bandbreite von 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm für Beispiel 8 zeigt.
4 ist eine grafische Darstellung, die die Reflexionsgradspektren über eine Bandbreite von 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm für Beispiel 10 zeigt.
5 ist eine grafische Darstellung, die die Reflexionsgradspektren über eine Bandbreite von 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm für Vergleichsbeispiel C3 zeigt.
6 ist eine grafische Darstellung, die die Reflexionsgradspektren über eine Bandbreite von 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm für Beispiel 11 zeigt.
7 ist eine grafische Darstellung, die die Reflexionsgradspektren über eine Bandbreite von 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm für Beispiel 12 zeigt.
8 ist eine grafische Darstellung, die die Reflexionsgradspektren über eine Bandbreite von 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm für Vergleichsbeispiel C43 zeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zur Herstellung eines geprägten optischen Polymerfilms und von Filmen und Artikeln, die durch ein derartiges Verfahren hergestellt werden. Eine umfangreiche Reihe optischer Polymerfilme ist für die praktische Anwendung dieser Erfindung geeignet. „Film" wird so verwendet, dass er sich auf planare Formen von Kunststoff bezieht, die dick genug sind, um selbsttragend zu sein, jedoch dünn genug, um gebogen, gefaltet, angeglichen oder gefalzt zu werden, ohne Risse zu bilden. Die Filmdicke hängt von den erwünschten Anwendungen und Herstellungsverfahren ab. „Polymer" bezieht sich auf organische polymere Materialien. Natürliche Substanzen, die dieses Verhalten aufweisen, umfassen Rohkautschuk und eine Anzahl von Wachsen. Jedoch wird der Begriff allgemein so verwendet, dass er sich auf synthetische Polymere bezieht.
„Optischer Film" wird hier so verwendet, dass es sich auf irgendeinen reflektiven oder teilweise reflektiven Polymerfilm bezieht, der so konzipiert ist, dass er auf die Exposition einer spezifischen Bande von Wellenlängen elektromagnetischer Energie hin die erwünschte Reflexion, Transmission, Absorption oder Brechung von Licht aufweist. So werden herkömmliche normale transparente Polymerfilme wie Polyester und Polypropylen für die Zwecke dieser Erfindung nicht als „optische Filme" betrachtet, obwohl derartige Filme einen gewissen Reflexionsgrad oder eine gewisse Grelle aufweisen können, wenn sie unter einigen Winkeln betrachtet werden. Filme, die sowohl reflektive als auch transmissive Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise diejenigen, die teilweise transmissiv sind, werden jedoch als innerhalb des Umfangs der Erfindung liegend betrachtet. Bevorzugte optische Polymerfilme zur Verwendung bei der Erfindung absorbieren im Allgemeinen weniger als 25 Prozent der Strahlungsenergie, die auf die Oberfläche des Films einfällt. Wenn die optischen Polymerfilme durch Einführen von Färbemitteln in den Film gefärbt werden, können jedoch größere Mengen Strahlung von den Färbematerialien absorbiert werden. Bevorzugt beträgt die absorbierte Strahlungsenergie weniger als 10 Prozent und am bevorzugtesten weniger als 5 Prozent. Die Strahlungsenergie, typischerweise als Energie in einem Bereich von Wellenlängen ausgedrückt, kann entweder spiegelförmig oder diffus reflektiert werden. Das Reflexionsvermögen kann isotrop sein, d.h. der Film weist die gleichen reflektiven Eigenschaften beiden in der Ebene liegenden Achsen entlang auf, oder er kann anisotrop sein, d.h. der Film weist verschiedene Reflexionseigenschaften den orthogonalen, in der Ebene liegenden Achsen entlang auf. Der Unterschied zwischen den Reflexionseigenschaften den in der Ebene liegenden Achsen entlang kann durch Regulieren des Verhältnisses zwischen den Brechungsindizes jeder Achse für jede der Komponentenmaterialien entlang verändert werden.
Man wird sich im Klaren darüber sein, dass die geprägten optischen Filme, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden, Reflexions-, Transmissions-, Absorptions- oder Brechungscharakteristiken in der voluminösen Phase aufweisen, die im Wesentlichen die gleichen sind, wie diejenigen, die der ungeprägte optische Film vor dem Prägen aufweist. Damit ist gemeint, dass die räumlichen Charakteristiken der einzelnen Materialien, die verschiedene Brechungsindizes aufweisen, sich nicht genügend geändert haben, um die Menge oder die Wellenlänge des Lichts, das reflektiert, transmittiert, absorbiert oder gebrochen wird, negativ zu beeinflussen. Andere optische Eigenschaften, wie der Grad an diffuser Reflexion oder Transmission im Vergleich mit der Spiegelreflexion oder -transmission können in dem geprägten Film geändert werden. Diese charakteristische Eigenschaft hängt natürlich von der Natur des optischen Films und der erwünschten Anwendung ab.
Optische Filme kommen in einer Reihe verschiedener Formen vor und werden je nach einer erwünschten Anwendung ausgewählt. Eine erste Klasse optischer Filme, die bei der Erfindung nützlich ist, kann grob gesagt als diejenigen einschließend definiert werden, deren optische Volumeneigenschaften signifikant betroffen werden, wenn sie übermäßiger Hitze ausgesetzt werden. Filme dieser Klasse umfassen beispielsweise mehrschichtige Filme und Filme, die aus einer Mischung von nichtmischbaren Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes bestehen. Beispiele dieses Typs von Film umfassen mehrschichtige Polarisatoren, Spiegel für sichtbares und Infrarotlicht und Farbfilme wie diejenigen, die in den Patentveröffentlichungen WO 95/17303, WO 96/19347 und WO 97/01440, eingereichte Anwendungen der US-Seriennummern 09/006086 und 09/006591; US-Patenschriften Nr. 5,103,337 (Schrenk), 5,122,905 (Wheatley et al), 5,122,906 (Wheatley), 5,126,880 (Wheatley), 5,217,794 (Schrenk), 5,233,465 (Schrenk), 5,262,894 (Wheatley), 5,278,694 (Wheatley), 5,339,198 (Wheatley), 5,360,659 (Arends), 5,448,404 (Schrenk), 5,486,949 (Schrenk), 4,162,343 (Wilcox), 5,089,318 (Shetty), 5,154,765 (Armanini), 3,711,176 (Alfrey, Jr. et al.) und den erneut ausgegebenen US-Patentschriften RE 31,780 (Cooper) und RE 34,605 (Schrenk) beschrieben sind. Beispiele optischer Filme, die nichtmischbare Mischungen von zwei oder mehr Polymermaterialien umfassen, umfassen Mischungskonstruktionen, bei denen die reflektiven und transmissiven Eigenschaften durch das Vorliegen diskontinuierlicher polymerer Regionen erhalten werden, die einen Querschnittsdurchmesser aufweisen, der zur Hauptachse senkrecht ist, der eine Größenordnung eines Bruchteils des Abstands aufweist, der einer Wellenlänge von Licht entspricht, und können auch die erwünschten optischen Eigenschaften durch Orientierung erhalten, wie beispielsweise die Mischspiegel und Polarisatoren, wie sie in den Patentveröffentlichungen WO 97/32224, eingereichte Anmeldung der US-Seriennummer 09/006455 und US-Patentschrift Nr. 5,751,388 (Larson) beschrieben sind. Ebenfalls eingeschlossen sind diejenigen mikroporösen Filme, die diffuse reflektive Filme umfassen, wie diejenigen, die in „Diffuse Reflective Articles (Diffuse reflektive Artikel)", Kaytor et al, als USSN 08/957,558 eingereicht, beschrieben sind.
Die oben beschriebenen Farbverschiebungsfilme und reflektiven polarisierenden Filme können erwünschte optische Eigenschaften durch Orientierung dünner Polymerkomponenten erreichen. Übermäßige Hitze führt dazu, dass die durch Orientierung (die eine Doppelbrechung auslöst) erzeugten Spannungen sich entspannen und ungeordnete Aspekte bilden, die die optischen Volumeneigenschaften negativ beeinflussen. Optische Filme, die aus nichtmischbaren Polymerabmischungen hergestellt sind, erreichen ihren Großteil optischer Eigenschaften durch zahlreiche willkürlich angeordnete Luft-/Polymergrenzflächen, die durch Streck- und/oder Waschvorgänge gebildet werden. Durch übermäßige Hitze unter Druck wird Luft herausgedrückt und reduziert die Anzahl von Luft-/Polymergrenzflächen, auf die ein Strahl von Strahlung auftrifft.
Eine zweite Klasse optischer Polymerfilme, die bei der vorliegenden Erfindung nützlich sind, verliert ihre optischen Eigenschaften durch übermäßiges Erhitzen nicht leicht. Filme dieser Klasse umfassen reflektive Filme wie reflektive Würfeleckplatten, die in den US-Patentschriften Nr. 5,450,235 (Smith et al), 5,691,846 (Benson et al), 5,614,286 (Bacon et al) und 5,763,049 (Frey et al) beschrieben sind. Beispiele dieser Filme sind im Handel beispielsweise von 3M Company als 3M Scotchlite^WZ Reflektivmaterial – Serie 6200 Hochglanzfilm und als Scotchlite^WZ Ultraflexible Konspikuitätsblatt Serie 960, Diamantqualität, erhältlich. Diese optischen Filme erreichen durch das Vorliegen ausgehärteter Würfeleckstrukturen auf einer Seite einer Polymerfilmkonstruktion optische Eigenschaften.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine schichtförmige Konstruktion als Eingabefilm verwendet. Derartige Filme umfassen beispielsweise mindestens eine Schicht mindestens eines Polymers, die auf mindestens einer Oberfläche mindestens eines optischen Polymerfilms gebildet wird. Die zusätzliche Schicht kann mit der optischen Schicht zusammen extrudiert oder auf die optische Polymerschicht entweder extrusionsaufgeschichtet, laminiert oder auf andere Weise daran befestigt werden. Die zusätzliche Schicht oder zusätzlichen Schichten wird/werden im Allgemeinen zum Schützen der optischen Polymerschicht gegen Abbau durch beispielsweise Korrosion, Bewitterung und Kratzer verwendet und sollte so dünn wie möglich sein, um negative Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften des schichtförmigen Films zu minimieren. Die Schichten können aus irgendeinem Polymer bestehen, das die erwünschte Wirkung bietet.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein optischer Polymerfilm oder ein schichtförmiger optischer Polymerfilm mit einer ersten und zweiten Hauptfläche bereitgestellt. Der optische Film kann sich zwischen oder über Walzen oder dergleichen bewegen, die zum Regulieren der Filmspannung dienen. Mindestens eine der ersten und zweiten Hauptflächen des Films wird einem Wärmefluss von einer Wärmequelle wie einer Flamme, einem Plasmalichtbogenbrenner und dergleichen ausgesetzt. Die Wärmequelle erweicht die Oberfläche des Eingabefilms im erwünschten Zeitrahmen, das heißt schnell genug, um das Erweichen der Filmoberfläche zu verursachen, ohne eine signifikante Änderung der optischen Eigenschaften des Volumenfilms zu verursachen. Bevorzugte Wärmequellen umfassen Flammenbrenner und flammenlose Strahlungsbrenner.
Der Film kann sich über einen Träger, wie beispielsweise eine Trägerwalze, bewegen, während er der Wärmequelle gegenüber ausgesetzt wird. Ein Träger des Films kann die Verzerrung des Films während des Erhitzens minimieren. Die Wärmequelle bietet ausreichend Wärme für die Oberfläche des optischen Films, um die Oberfläche wie für das Prägen erforderlich zu erweichen. Das Prägen kann durch irgendeine Möglichkeit, die im Stand der Technik bekannt ist, durchgeführt werden. Das bevorzugte Prägeverfahren besteht darin, den erweichten Film durch einen Quetschspalt mit einer geprägten Oberfläche zu bewegen. „Quetschspalte" bezieht sich auf zwei einander nahe gelegene Walzen, die Druck auf einen Film aufbringen, wenn der Film zwischen ihnen hindurchgeführt wird. Die Prägungsoberfläche kontaktiert den Film mit ausreichender Kraft, um Prägungen in der erweichten Oberfläche des Films zu bilden. Ein stärkerer Druck führt im Allgemeinen zu tieferen Prägungen mit stärkeren Konturen. Der geprägte Film wird dann durch irgendeine Anzahl von Verfahren gekühlt, um die Temperatur der erweichten Oberfläche auf unter ihre Erweichungstemperatur, bevor der erweichte Film eine signifikante Änderung der optischen Volumeneigenschaften des ungeprägten optischen Films erfahren hat, abzukühlen. Derartige Verfahren umfassen das Bewegen des Films über eine oder mehrere gekühlte Walzen, das Eingeben desselben in ein Wasserbad oder das Kühlen durch Luft oder andere Gase, wie beispielsweise durch Verwendung einer Luftrakel.
Bei dieser Anwendung wird „Aufenthaltszeit" als die Zeit definiert, die für die kombinierten Schritte des Erweichens, Prägens und Kühlens des Films erforderlich ist. Die Aufenthaltszeit wird je nach der Konfiguration (z.B. der Vorrichtungsgröße und der Filmgeschwindigkeit) des Systems variieren, das zum Erhitzen, Prägen und Kühlen des Films verwendet wird. Die Expositionszeit zum Erhitzen sollte ausreichen, um die Oberfläche des optischen Films vor dem Kontakt mit der Prägewalze zu erweichen, und die Aufenthaltszeit sollte nicht so lang sein, dass die Zerstörung der optischen Eigenschaften des Films verursacht wird. So ist bei bevorzugten Ausführungsformen die Aufenthaltszeit so kurz wie möglich.
Eine Prägung durch das erfindungsgemäße Verfahren ist in 1 veranschaulicht. Der optische Polymerfilm 10, der Hauptflächen 9 und 11 aufweist, wird auf eine Trägerwalze 14 geführt. Die Hauptfläche 9 des Films 10 bewegt sich über die Flamme 16, die durch den Streifenbrenner 18 bereitgestellt wird. Als Alternative könnten andere Wärmequellen wie flammenlose Strahlungsbrenner verwendet werden. Es erfolgt das schnelle Erhitzen der Hauptfläche 9. Der Film 10 wird zwischen der Trägerwalze 14 und einer metallplattierten Prägewalze mit erhobenem Muster 20 zur Bildung einer geprägten Oberfläche des Films 10 transportiert, der ein umgekehrtes Muster desjenigen aufweist, das maschinell in die Prägewalze 20 eingegeben worden ist. Die Trägerwalze 14 kann mit einer glatten Schicht bedeckt werden, um den engen Kontakt zwischen den Walzen 14 und 20 und dem Film 10 sicherzustellen. Geeignete Deckschichten für die Trägerwalze umfassen Elastomere wie Neopren, Nitrilkautschuk, Siliconkautschuk, Polyetherurethankautschuk, chlorsulfonierten Kautschuk, Polytetrafluorethylen (PTFE) und dergleichen. Die Temperatur von einer oder beiden Walzen kann durch ein Wasserzirkulationssystem reguliert werden.
Die Prägewalze 20 wird gegen die Trägerwalze 14 durch pneumatische oder hydraulische Zylinder und Hebelmechanismen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, gedrückt. Die auf die Prägewalze 20 aufgebrachte Kraft wird durch Ändern des Drucks auf die Zylinder und durch Ändern der Kontaktbreite zwischen der Prägewalze 20 und der Trägerwalze 14 geregelt. Typischerweise variiert die auf die Prägewalze 20 aufgebrachte Kraft zwischen etwa 17,5 und etwa 1050 N/linealer cm (10 bis etwa 600 Pfund/linearer Zoll). Die aufgebrachte Kraft sollte ausreichen, um ein erwünschtes Muster in den optischen Film einzuprägen.
Der Film 10 wird dann durch Bewegen desselben über eine wassergekühlte Kühlwalze 22 gekühlt. Diejenigen, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, erkennen, dass andere Kühlvorrichtungen verwendet werden können. Beispielsweise könnte eine Luftrakel, verdampfender flüssiger Stickstoff oder ein Wasserbad zum Kühlen der Oberfläche des geprägten optischen Polymerfilms, während er die Prägewalze verlässt, verwendet werden.
Die Zeit bis zu der ein Punkt auf der Oberfläche 9 erweicht wird, während er sich über die Flamme 16, durch die Trägerwalze 14 und die Prägewalze 20 bewegt und unter seinen Erweichungspunkt gekühlt wird, während er sich über die Kühlwalze 22 bewegt, ist die „Aufenthaltszeit". Typischerweise liegt die Aufenthaltszeit im Bereich von etwa 0,05 Sekunden bis etwa 1 Sekunde und bevorzugt im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,3 Sekunden. Die Expositionszeit der Hitze aus der Flamme gegenüber sollte ausreichen, um die Oberfläche des optischen Polymerfilms vor dem Kontakt mit der Prägewalze zu erweichen und die Aufenthaltszeit sollte nicht so lange sein, dass sie die Zerstörung der optischen Eigenschaften des Films verursacht.
Normalerweise stabilisiert ein Flammenbrenner 18 eine vorgemischte Flamme, in der Brennstoff und Brandförderer vor der Verbrennung gründlich miteinander gemischt werden und die Verbrennungsrate, durch die Rate chemischer Reaktionen, die in der Flamme erfolgen, reguliert wird. In einer vorgemischten Flamme ist der leuchtende Bereich der Teil der Flamme, wo die Temperaturerhöhung am stärksten ist und wo ein Großteil der Reaktion und der Hitzefreisetzung stattfindet. Um einen Polymerfilm schnell auf erhöhte Temperaturen zu erhitzen, können sowohl vorgemischte als auch Diffusionsflammen verwendet werden. In einer Diffusionsflamme werden getrennte Brennstoff- und Brandfördererströme durch molekulare und turbulente Diffusion zusammengebracht. In Diffusionsflammen wird die Verbrennungsrate durch die Mischrate der Reaktanden gesteuert. Im Gegensatz zu vorgemischten Flammen, die typischerweise eine enge, 1-2 mm breite Reaktionszone aufweisen, weisen Diffusionsflammen eine breitere Region auf, durch die die chemische Zusammensetzung sich ändert und eine chemische Reaktion stattfindet. Sowohl vorgemischte als auch Diffusionsflammen können entweder laminarer oder turbulenter Natur sein.
Flammen werden allgemein durch zwei Charakteristiken beschrieben: Flammenstärke und molares Verhältnis von Brandförderer zu Brennstoff. Die Flammenstärke ist das Produkt des Volumens von verbranntem Brennstoff pro Zeiteinheit und des Wärmegehalts des Brennstoffs. Typische Einheiten für die Flammenstärke sind W oder Btu/h. Bei der Flammenbehandlung kann die Flammenstärke standardisiert werden, um den Dimensionen des Brenners Rechnung zu tragen, was zu Einheiten wie W/cm² oder Btuh/h-Zoll² führt. Das genaue Verhältnis von Brandförderer zu Brennstoff, das für eine vollständige Verbrennung erforderlich ist, wird als stöchiometrisches Verhältnis ausgedrückt. Beispielsweise beträgt die genaue Menge trockener Luft, die für die vollständige Verbrennung von Methan erforderlich ist, 9,55 Volumen pro Volumen Methan. So beträgt das stöchiometrische Verhältnis für eine Luft:Methan-Flamme 9,55:1. Das Äquivalenzverhältnis wird als das stöchiometrische Verhältnis von Brandförderer:Brennstoff, geteilt durch das tatsächliche Verhältnis von Brandförderer:Brennstoff definiert. Für an Brennstoff magere Flammen liegt mehr als die stöchiometrische Menge Brandförderer vor und so beträgt das Äquivalenzverhältnis weniger als 1,00. Für Mischungen von Brandförderer:Brennstoff im stöchiometrischen Verhältnis beträgt das Äquivalenzverhältnis genau 1,00. Für an Brennstoff reiche Systeme beträgt das Äquivalenzverhältnis mehr als 1,00.
Flammenbehandlungsvorrichtungen, die für diese Erfindung nützlich sind, umfassen irgendwelche, die eine Flamme in nächster Nähe zur Polymeroberfläche bereitstellen können. Im Allgemeinen wird die Filmoberfläche flammenbehandelt, während der Film sich über einen gekühlten Träger, z.B. eine gekühlte Walze, bewegt, um die Verzerrung des Films zu verhindern. Flammenbehandlungsvorrichtungen umfassen handelsübliche Systeme, die beispielsweise von The Aerogen Company Ltd., Alton, Großbritannien, und Sherman Treaters Ltd, Thame, Großbritannien, hergestellt werden. Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Mischvorrichtung auf, um einen Brandförderer mit Brennstoff zu kombinieren. Ein Streifenbrenner ist für die Flammenbehandlung von Polymerfilmen am besten geeignet, andere Typen von Brennern können jedoch ebenfalls verwendet werden.
Die Flamme befindet sich in optimaler Entfernung von der polymeren. Substratoberfläche und wird durch eine Mischung von Brandförderer und Brennstoff unterhalten. Der Abstand zwischen der Spitze des leuchtenden Kegels der Flamme und der Oberfläche des Polymers liegt zwischen etwa 30 mm und etwa –2 mm, d.h. der Film wird durch die Flamme kontaktiert und nimmt den Raum ein, der sonst die letzten 2 mm der Flammenspitze umfassen würde. Bevorzugt beträgt der Abstand 0 mm bis 10 mm. Der Brennstoff besitzt eine niedrigere Elektronegativität als der Brandförderer. Geeignete Brennstoffe umfassen Naturgas, Methan, Ethan, Propan, Butan, Ethylen, verflüssigtes Erdölgas, Acetylen, Kohlenmonoxid, Dimethylether, Ammoniak und Mischungen derselben. Geeignete Brandförderer umfassen Luft, durch Sauerstoff angereicherte Luft und durch Stickstoffmonoxid angereicherte Luft. Der Brandförderer reagiert mit dem Brennstoff unter Bildung chemischer Spezies, die mit der Oberfläche des Thermoplastfilms reagieren können.
Ein alternatives bevorzugtes Verfahren zum Erhitzen der Oberfläche des optischen Films erfolgt mit einem flammenlosen Strahlungsbrenner. In diesem Fall wird der Strom von vorgemischtem Brandförderer/Brennstoff einem festen, durchlöcherten katalytischen Element gegenüber ausgesetzt, das auf einem Stahlgehäuse montiert ist. Die katalytische Oberfläche unterstützt die Umwandlung des Reaktandenstroms zu Produkten in einer heterogenen Oberflächenreaktion. Weil die Verbrennungsreaktion auf der Oberfläche des Katalysators erfolgt, werden in der Gasphase nur wenige angeregte Spezies gebildet. So erfolgt kaum eine, falls überhaupt eine, Oberflächenbehandlung des Polymerfilms während des Erwärmungsschritts. Heiße Verbrennungsprodukte werden dann von der Oberfläche desorbiert und/oder diffundiert und verlassen den Brenner. Die bei der heterogenen Reaktion freigesetzte Wärme erhöht die Temperatur des Katalysators derart, dass er glüht und infrarote Strahlung aussendet. Es wird daher Hitze an den Film sowohl durch Konvektions- als auch Strahlungsmodi bei diesem Typ Brenner geliefert. Für eine vorgegebene Flammenstärke, wie oben definiert, ist der Wärmefluss zum Film von diesem Typ Brenner ungefähr demjenigen eines Streifenflammenbrenners äquivalent. Strahlungsbrenner dieses Typs sind beispielsweise von Flynn Burner Corporation, New Rochelle, New York, erhältlich.
Wenden wir uns nun 2 zu, so ist dort eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden beide Hauptflächen des optischen Polymerfilms erweicht und geprägt. Der optische Polymerfilm 42 mit den Hauptflächen 41 und 43 bewegt sich über Leitrollen 45, die zum Regeln der Spannung des Films dienen. Der Film 42 wird zur Trägerwalze 48 transportiert. Die Hauptfläche 43 des Films 42 bewegt sich über die Wärmequelle 46. Geeignete Wärmequellen umfassen Plasmalichtbogenbrenner, eine Flamme, die beispielsweise durch einen Streifenbrenner bereitgestellt wird, und einen flammenlosen Strahlungsbrenner. Es erfolgt ein schnelles Erhitzen der Hauptfläche 43. Der Film 42 wird zwischen der Trägerwalze 48 und die Prägewalze mit erhobenem Muster 50 transportiert, um Prägungen auf der Hauptfläche 43 zu bilden. Der Film 42 wird zur zweiten Trägerwalze 52 transportiert, die so angeordnet ist, dass die Hauptfläche 41 sich in die Nähe der zweiten Wärmequelle 54 bewegt. Die Wärmequelle 54 kann vom gleichen Typ wie die Wärmequelle 46 oder sie kann von einem anderen Typ als die Wärmequelle sein. Es erfolgt ein schnelles Erhitzen der Hauptfläche 41. Der Film 42 wird dann zwischen der Trägerwalze 52 und der Prägewalze 56 unter Bildung von Prägungen auf der Hauptfläche 41 transportiert. Der Film 42 geht zu den Leitrollen 57 und 58, die den Film gespannt halten, während er durch das Wasserbad 60 geführt wird. Eine Luftrakel wäre ebenfalls eine geeignete Kühlvorrichtung und könnte das Wasserbad ersetzen.
Gehen wir nun zum erfindungsgemäßen Verfahren zurück, so betrifft Prägen ein Verfahren, bei dem ein Muster in die Oberfläche eines Artikels eingedrückt wird. Typischerweise wird das Prägen mittels eines erhabenen Musters erreicht, das auf einem harten Material, wie beispielsweise einer Metallschicht auf einer Prägenwalze, wie durch 20 in 1 dargestellt, gebildet wird. Die mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleute werden erkennen, dass das Prägen durch verschiedene Verfahren, einschließlich der Verwendung eines kontinuierlichen werkzeugbearbeiteten Bands oder kontinuierlichen werkzeugbearbeiteten Muffe erfolgen. Bevorzugte Metallschichten umfassen diejenigen, die Nickel, Kupfer, Stahl und Edelstahl umfassen. Typischerweise werden Muster werden maschinell in die Metallschicht eingebracht und können eine Reihe verschiedener Größen und Gestalten aufweisen. Irgendein Muster, das in eine Metalloberfläche durch Anreißen eingebracht werden kann, kann bei der praktischen Durchführung dieser Erfindung verwendet werden. „Muster" bezieht sich nicht notwendigerweise auf eine sich regelmäßig wiederholende Anordnung, sondern kann eine willkürliche Anordnung von charakteristischen Merkmalen bedeuten, die die gleichen oder verschiedene Größen aufweisen. Muster, die für die praktische Durchführung dieser Erfindung geeignet sind, umfassen vierseitige vierkantige Pyramiden, abgestumpfte vierseitige vierkantige Pyramiden, dreiseitige dreikantige Pyramiden, Kegel, gerade Linien, Wellenlinien und dergleichen und werden in mindestens einen Teil der Prägewalze maschinell eingebracht. Eine einzelne Charakteristik des Musters wird als Prägung bezeichnet. Die Anzahl und der Abstand zwischen Prägungen sowie die Art der einzelnen Prägungen, wie ihre Tiefe, der Schärfegrad reflektierender Kanten und die Gestalt, können wie erwünscht variiert werden.
Wie unten beispielhaft aufgeführt, werden mehrere Prägungen in dem optischen Polymerfilm gebildet. Typischerweise liegen etwa 12 bis etwa 150 Prägungen pro linearen Zentimeter (30 bis 400 pro linearen Zoll) vor. Die Prägungen können irgendeine geeignete Gestalt aufweisen, solange die optischen Eigenschaften der Filme im Wesentlichen beibehalten werden, nachdem die Prägungen gebildet worden sind. Die Tiefe einer Prägung kann je nach dem Typ des verwendeten Films im Bereich von mehr als null bis etwa 90 Prozent der Dicke des optischen Polymerfilms liegen.
Während man nicht an irgendeine Theorie gebunden sein möchte, glaubt man, dass der Hauptteil der optischen Eigenschaften der ersten Klasse optischer Filme sich nicht wesentlich ändert, weil der optische Polymerfilm nur eine kurze Zeit bei erhöhten Temperaturen verbringt und der gesamte Film nicht über die Schmelztemperatur des Polymers erhitzt wird. Die Zeit ist ein wichtiger Gesichtspunkt. Signifikante Verluste erwünschter optischer Eigenschaften können dann stattfinden, wenn die Filme bei oder über der Erweichungstemperatur des Polymers für längere Zeitspannen erhitzt werden. Ein derartiges Erhitzen kann den Verlust von erwünschten Raumverhältnissen der Komponentenmaterialien verursachen, während die Orientierungsspannungen nachlassen oder Luft entfernt wird. Das Vermeiden von Bedingungen, die ausreichen, um das Polymer zu schmelzen, ist ebenfalls vorteilhaft, da geschmolzenes Polymer an den Prägewalzen anhaftet und zu einer signifikanten Beschädigung des Polymerfilms führt. Außerdem werden die optischen Eigenschaften einiger optischer Filme wesentlich geändert, wenn Schmelzen stattfindet, weil die Polymermaterialien, die den optischen Film darstellen, eine erhöhte Mobilität und ausreichend Zeit zum Agglomerieren oder örtlichen Ändern der Dicke der Polymerkomponenten aufweisen.
Für die zweite Klasse optischer Filme, diejenigen, die ihre optischen Eigenschaften nicht ohne Weiteres verlieren, wenn sie übermäßiger Hitze ausgesetzt werden, liegt die hauptsächliche Nützlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens in der verbesserten Herstellungsgeschwindigkeit. Die Würfel werden willkürlich erneut ausgerichtet, wenn eine werkzeugbearbeitete Prägefläche die Würfel an der erweichten Grundschicht berührt. Die Würfel werden entweder auf der erweichten Grundschicht geneigt oder in die Schicht hineingedrückt. Es erfolgt ein funkelndes Aussehen unter Strahlung, wo die Würfel ungeordnet sind. Ein unabhängiges Regulieren des Erwärmungsschritts und des Prägeschritts kann höhere Geschwindigkeiten gestatten.
Wenn ein optischer Polymerfilm gebildet wird, so werden die transmissiven und reflektiven Eigenschaften des optischen Polymerfilms durch den Typ und das räumliche Verhältnis der verschiedenen Polymerkomponenten, einschließlich der Dicke des optischen Polymerfilms insgesamt, der Anzahl und Gestalt der durch die beiden nebeneinanderliegenden Materialien hergestellten Grenzflächen und der Unterschiede zwischen den relativen Brechungsindizes der verschiedenen Materialien, die die Grenzflächen bilden, bestimmt. Das sorgfältige Variieren der Typen von Materialien, die die Grenzflächen bilden, und die geordnete räumliche Orientierung und die Anzahl von Grenzflächen, auf die ein Strahl einer vorgegebenen Wellenlänge auftrifft, bestimmen, ob der optische Film für eine vorgegebene Anwendung, wie einen Spiegel, einen Farbverschiebungsfilm oder einen Polarisator für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich geeignet ist.
Die reflektiven Eigenschaften optischer Filme werden im Allgemeinen durch geordnete räumliche Orientierung der verschiedenen Polymerkomponenten, die den Film bilden, gebildet. Wenn ein optischer Film über eine längere Zeit erweicht oder geschmolzen wird, so neigen die räumlichen Verhältnisse dazu, negativ ungeordnet zu werden. Dies führt oft zu einem wesentlichen Verlust der reflektiven Eigenschaften, wenn die Ungeordnetheit wesentlich ist. Jedoch ist es nicht selten, dass ein wesentlicher Verlust nur einer dieser Eigenschaften, je nach dem Typ des verwendeten optischen Films, zu beobachten ist.
Der geprägte optische Film kann während des erfindungsgemäßen Vorgangs je nach der Natur der Wärmequelle entweder oberflächenbehandelt werden oder nicht. Wenn die Wärmequelle eine Flamme ist, so bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine Möglichkeit sowohl zum Prägen als auch Behandeln der Oberfläche eines optischen Polymerfilms. „Behandeln" bedeutet, dass sowohl die Benetzungs- als auch die Haftungscharakteristiken des Polymers verbessert werden können. Der Grund dafür ist, dass eine Flamme sowohl eine Wärmequelle als auch eine Quelle aktiver chemischer Spezies ist und nicht nur den Polymerfilm erhitzt, sondern die Oberfläche des Films auch oxidiert. Wenn die Wärmequelle keine Flamme, z.B. ein flammenloser Strahlungsbrenner ist, so werden aktive chemische Spezies nicht gebildet, so dass keine Oberflächenbehandlung erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet auch verschiedene Oberflächentopografien. Änderungen der Topografie können zum Herstellen von Oberflächen nützlich sein, die erwünschte Reibungs- oder Haftungseigenschaften aufweisen.
Schnellere Herstellungsgeschwindigkeiten können durch das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls ermöglicht werden. Weil der Erhitzungsschritt und der Prägeschritt getrennt sind, können Quellen eines relativ höheren Hitzeflusses verwendet werden. Auch erhöht die kurze Zeit zwischen dem Einsetzen des Erhitzens und dem Abschließen des Kühlens die Möglichkeiten zum Erhitzen und Prägen, ohne die optischen Eigenschaften negativ zu beeinflussen noch weiter. Weil das Prägewerkzeug nicht auch zum Liefern der Hitze zum Erweichen der Filmoberfläche erforderlich ist, sind lange Kontaktzeiten gegen optische Polymerfilmoberflächen, die große Wärmevermögen aufweisen, nicht notwendig und es können höhere Prägegeschwindigkeiten erreicht werden.
Die erfindungsgemäßen geprägten optischen Polymerfilme können unabhängig oder als selbststützende Filme verwendet werden, oder sie können zu Konstruktionen mit anderen Schichten geformt werden. Die geprägten optischen Polymerfilme sind als Dekorationsfilme nützlich und eignen sich insbesondere zum Formen zu dekorativen Artikeln wie Bändern, Schleifen, Umwicklungsfolien, Geschenkbeuteln, Girlanden, Luftschlangen, Tischdekorationen, Ornamenten und dreidimensionalen Gestalten oder als Komponenten von Produkten einschließlich Garnen, als Einsatzfenster in Artikeln wie Geschenkschachteln und Geschenkbeuteln und als dekorative Verpackung für Gegenstände wie Kosmetika oder Esswaren. Erfindungsgemäße geprägte optische Polymerfilme können auch bei Anwendungen verwendet werden, die einen reduzierten Spiegelglanz oder eine geringere Oberflächenreibung erfordern, wie beispielsweise die Walzenhandhabung in Produktionsvorgängen und Auflegefolien auf optischen Sichtgeräten. Außerdem können optische Polymerfilme, die hohe Wärmekapazitäten aufweisen, nun unter Bildung von Filmen geprägt werden, die ein funkelndes Aussehen ähnlich demjenigen aufweisen, das in der US-Patentschrift Nr. 5,770,124 (Marecki et al) beschrieben ist, jedoch mit höheren Geschwindigkeiten.
BEISPIELE
Diese Erfindung wird nun durch folgende Beispiele noch weiter veranschaulicht, die den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen. In den Beispielen sind alle Teile, Verhältnisse und Prozentsätze auf das Gewicht bezogen, es sei denn, es wird etwas Anderes angegeben. Alle Materialien sind im Handel, beispielsweise von Aldrich Chemicals, erhältlich, es sei denn, es wird etwas Anderes angegeben oder beschrieben.
Prüfmethoden
Test des optischen Gewinns
Der optische Gewinn ist das Verhältnis von Licht, das durch eine LCD-Tafel von einem Hinterlicht transmittiert wird, wobei der Film zwischen die Tafel und das Hinterlicht eingeschoben ist, zu dem Licht, das ohne den so eingeschobenen Film transmittiert wird. Es wird eine 21,6 cm (in Querrichtung) auf 22,9 cm (in Maschinenrichtung) große Probe ausgeschnitten und auf das Hinterlicht so positioniert, dass die geprägte Seite nach oben zeigt, die Maschinenrichtung von links nach rechts geht und die linke Kante des Films auf die linke Kante des Hinterlichts ausgerichtet ist. Eine Plexiglasplatte wird oben aufgegeben, um den Film an Ort und Stelle zu halten, und der Aufbau wird hinter eine LCD-Platte positioniert. Die Lichttransmission durch die LCD-Platte wird mit einem LS-100 Leuchtungsdichtemesser gemessen, der von Minolta Camera Company of Japan erhältlich ist, und normal zur Vorderseite der LCD 3 Minuten nach Anschalten des Hinterlichts positioniert wird. Der Messvorgang wird wiederholt, ohne dass sich der Film zwischen dem Hinterlicht und der Plexiglashaltevorrichtung befindet. Der Gewinn wird als die mit dem Film durchgeführte Transmissionsmessung, durch die ohne den Film durchgeführte Transmissionsmessung geteilt, berechnet.
Spiegelglanzbestimmung
Der Spiegelglanz ist ein Maß des Lichts, das von der Filmoberfläche in einem Spiegelwinkel reflektiert wird, das heißt dem Winkel der Quelle von einfallendem Licht gleich und entgegengesetzt ist. Der Glanz wurde den Verfahren gemäß gemessen, die in ASTM 523-89, „Standardtestmethode für Spiegelglanz" beschrieben sind, unter Anwendung eines Glanzmeters beim Messen unter Winkeln von sowohl 20° als auch 60°C (im Handel unter der Handelsbezeichnung „Trübungsglanzreflektometer" von BYK-Gardner USA of Columbia, Md. erhältlich). Da alle Proben teilweise transparent waren, wurde eine matte, schwarze Fläche vor dem Messen unter jedes Prüfstück positioniert. Es wurden für jede Filmprobe in jedem Winkel und in zwei verschiedenen Orientierungen fünf Messungen durchgeführt. Orientierungsmessungen in Maschinenrichtung (MR) wurden durchgeführt, wobei die MR-Richtung der Proben auf die Messachse des Instruments ausgerichtet war. Messungen in Querrichtung (QR) wurden so ausgeführt, dass die QR-Orientierung der Proben auf die Messachse des Instruments ausgerichtet war. Der Durchschnitt von fünf Messbestimmungen wurde für jeden Winkel bei jeder Orientierung aufgezeichnet.
Spektren des Reflexionsgrads
Es wurden Spektren des gesamten Reflexionsgrads den Verfahren gemäß erhalten, die in ASTM E 1164-94 „Standardpraxis zum Erhalten spektrofotometrischer Daten für die Objektfarbbeurteilung" für einen Wellenlängenbereich von 350 Nanometern (nm) bis 1050 nm unter Anwendung eines Spektrofotometers (im Handel unter der Bezeichnung „Lambda 19 UV/VIS/NIR Spektrometer" von Perkin Elmer erhältlich) erhalten. Wegen der teilweise transmittierenden Natur der Proben, wurde eine mattschwarze Trägerfläche hinter jede Prüfprobe vor dem Messen des Reflexionsgrads positioniert. Es wurden zwei Spektren des Reflexionsgrads für jede Filmprobe in einem normal zum Film liegenden Winkel erhalten, und zwar eines bei dem die Maschinenrichtungsorientierung der Probe auf die senkrechte Achse des Instruments ausgerichtet war (MD_V) und ein zweites, bei dem die Maschinenrichtungsorientierung der Probe auf die horizontale Achse des Instruments ausgerichtet war (MD_H).
Test des vollständigen Benetzens
Der Test des vollständigen Benetzens ist eine Methode zum Einstufen des Niveaus an Oberflächen-zu-Oberflächenbenetzung der Filme. Wenn zwei glatte Oberflächen sich kontaktieren, so neigen sie dazu, aufgrund des Oberflächenkontakts stark aneinander anzuhaften. Der visuelle Effekt dieses Typs von Oberflächenbenetzung ist das Auftreten von Pfützen ähnlich denjenigen, die zu sehen sind, wenn die Oberflächen mit Wasser kontaktiert worden sind. Es wird eine Probe auf eine saubere Glasfläche eines Lichtkastens aufgebracht und unter mäßigem Druck mit flusenfreien Baumwollhandschuhen abgerieben. Nach 15 Sekunden wird der Film von oben im Abstand von 30 bis 40 cm besichtigt und subjektiv der folgenden Tabelle gemäß eingestuft:
Vollständiges Benetzen
Retroreflektiver Helligkeitstest
Der Retroreflexionskoeffizient R_A wurde dem Standardisierungstest ASTM E 810-94 gemäß gemessen. R_A ist ein Verhältnis des Koeffizienten der Leuchtintensität einer ebenen retroreflektierenden Oberfläche zu ihrem Bereich und wird in Candela pro Lux pro Quadratmeter (cd/lx/m²) ausgedrückt. Der Eintrittswinkel, der in ASTM E 810-94 benutzt wird, betrug –4 Grad und der Beobachtungswinkel 0,2 Grad. Eine weitere Bezugnahme auf „ASTM E 810-94" bedeutet ASTM E 810-94, wo die Eintritts- und Beobachtungswinkel wie im vorhergehenden Satz angegeben sind.
Beispiele 1-5 und Vergleichsbeispiel C1
Diese Beispiele veranschaulichen die Herstellung verschiedener geprägter optischer Polymerfilme mit reduzierten Oberflächenreibungseigenschaften. Die Filme waren reflektive Polarisatoren, die eine Polarisationsebene spiegelnd reflektieren und die andere Ebene spiegelnd transmittieren.
In Beispiel 1 wurde eine brennbare Mischung durch Zusammenmischen eines Brandförderers, der aus staubfiltrierter Druckluft (bei 25°C, mit einem Taupunkt von weniger als etwa –10°C) mit einem natürlichen Gasbrennstoff in einem Venturimischgerät (Flowmixer Modell 88-9, von Pyronics Inc. of Cleveland, Ohio, erhältlich) gebildet. Dieser natürliche Gasbrennstoff wies ein spezifisches Gewicht von 0,577, ein stöchiometrisches Verhältnis von Trockenluft:Naturgas von 9,6:1 und einen Wärmegehalt von 37,3 kJ/l auf. Die Fließgeschwindigkeiten der Luft und des Naturgases wurden mit Strömungsmessern (Modell 5812 (8-400 lpm) und Modell 5811 (1-50 lpm)) (beide im Handel von Brooks Instrument, Hatfield, PA, erhältlich) gemessen. Die Massenströmungsmesser wurden unter Anwendung von kumulativen Inline-Strömungsmessern kalibriert, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten (im Handel von Rockwell International, Pittsburgh, PA, erhältlich). Die Naturgas- und Luftströme wurden mit Regelventilen (von Badger Meter Inc., Tulsa, OK, erhältlich) geregelt. Alle Strömungen wurden so eingestellt, dass ein Flammenäquivalenzverhältnis von 1,00 und eine normalisierte Flammenstärke von 600 W/cm² erhalten wurde. Die brennbare Mischung ging durch eine 3 Meter lange Leitung an einen Streifenbrenner geführt.
Der Streifenbrenner bestand aus Edelstahlband von 30,5 cm × 1 cm, das in einem Messinggehäuse (von Flynn Burner Corporation, New Rochelle, New York, erhältlich) montiert war.
Der Brenner war direkt unterhalb einer Stahlkühlwalze von 25 cm Durchmesser, 40 cm Flächenbreite (von F. R. Groß Company, Stow, Ohio, hergestellt) montiert. Die Kühlwalze wies eine 2 mm dicke Bedeckung von chlorsulfoniertem Elastomer (Nr. FH-57771, mit einer Shore A Durometerhärte von 80-90, von American Roller Company, Union Grove, WI, erhältlich) auf. Die Trägerwalze wurde durch ein Wasserzirkuliersystem (im Handel unter der Warenbezeichnung „STERLCO" von Sterling Inc., Milwaukee, WI, erhältlich) bei 38°C gehalten. Ein elektrischer Funken setzte die brennbare Mischung in Brand. Es wurden stabile kegelförmige Flammen gebildet, deren Spitzen sich 2-3 mm über der obersten Oberfläche des Streifenbrenners befanden. Der eingegebene optische Polymerfilm war ein reflektiver polarisierender Film (einer Durchschnittsdicke von 0,13 mm, einer Breite von 31,8 cm), der wie in dem Beispiel der Patentveröffentlichung WO 98/04938 beschrieben, hergestellt worden war. Der Film, der sich mit 80 Metern/min bewegte, wurde durch Leitrollen zur Trägerwalze geführt. Der Abstand zwischen der obersten Oberfläche des Streifenbrenners und der Trägerwalze wurde so eingestellt, dass ein Abstand von 6-8 mm zwischen den Spitzen der leuchtenden stabilen Flammenkegel und der Oberfläche des optischen Polymerfilms beibehalten wurde. Die Vorderseite des optischen Films wurde der laminaren vorgemischten Flamme gegenüber ausgesetzt, während die Rückseite durch Kontakt mit der elastomerbedeckten Trägerwalze gekühlt wurde.
Nach dem Aussetzen der Flamme gegenüber wurde der optische Polymerfilm durch Kontakt mit einer Prägequetschwalze eines Durchmesser von 10 cm und einer Flächenbreite von 40 cm, die sich auf der Ausstoßseite der Trägerwalze in Vieruhrposition befand, geprägt. Die Zone, in der das Erhitzen des optischen Polymerfilms stattfand, betrug etwa 40 % des Umfangs der Trägerwalze. Unter Anwendung dieses Werts als Dimension der Heizzone betrug die Expositionszeit des optischen Polymerfilms der Flammenhitze gegenüber etwa 0,23 Sekunden. Die Aufenthaltszeit, das heißt die Zeit der kombinierten Schritte des Erhitzens der Filmoberfläche durch die Flamme, des Prägens des Films durch Kontaktieren desselben mit der Prägewalze und des Kühlens der Filmoberfläche auf unter ihrer Erweichungstemperatur betrug etwa 0,5 Sekunden.
Die Prägequetschwalze bestand aus einem wassergekühlten Stahlkern, der mit einer 0,9 mm dicken Beschichtung von elektrofreiem Kupfer plattiert war, in den ein erhabenes Muster in den Kupfer eingeschnitten war. Die Muster wurden in die mittleren 30,5 cm der Quetschwalze eingeschnitten, während die Kupferbeschichtung auf den 7,6 cm der unbemusterten Quetschwalzenfläche auf den beiden Seiten des erhabenen Musters auf eine Dicke von 0,5 mm reduziert war. Dies führte dazu, dass der bemusterte Teil der Prägequetschwalze der einzige Kontaktbereich zwischen der Quetschwalze und der Trägerwalze war. Das Muster bestand aus einer abgestumpften viereckigen Pyramide mit einer Grunddimension von etwa 0,71 mm und einer oberen Dimension von etwa 0,20 mm, wobei 14 Pyramiden pro Zentimeter Flächenbreite vorlagen. Die Temperatur der Prägequetschwalze wurde durch ein Wasserzirkuliersystem („STERLCO") bei 25°C gehalten.
Die Prägequetschwalze wurde gegen den Film und die Trägerwalze durch Druckluftzylinder gedrückt, die insgesamt 16.000 Newton gegen die Trägerwalze aufbrachten, was zu einer Kraft von etwa 530 Newton pro linearen Zentimeter über die Flächenbreite von 30,5 cm, die das erhabene Prägemuster enthielt, führte.
Die geprägten optischen Polymerfilme der Beispiele 2-5 wurden wie bei Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Quetschdruck gegen die bemusterte Oberfläche auf 570 Newton pro linearer Zentimeter, 620 Newton pro linearer Zentimeter, 700 Newton pro linearem Zentimeter bzw. 1060 Newton pro linearem Zentimeter erhöht wurde.
Das Vergleichsbeispiel C1 war der ungeprägte optische Film aus Beispiel 1.
Die Beispiele 1-5 und das Vergleichsbeispiel 1 wurden für den optischen Gewinn und die gesamte Benetzung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Wie in der Tabelle zu sehen ist, wurde der optische Gewinn der geprägten Filmproben nur minimal beeinflusst. Die Tendenz des Films zum vollständigen Benetzen auf einer Glasfläche war in den Beispielen 3, 4 und 5 wesentlich reduziert. Diese letztere Fähigkeit erlaubt es diesen Filmen, über einen Monitorschirm, ohne vorzeitiges Ankleben an der Oberfläche des Bildschirms positioniert zu werden. Es wurde auch beobachtet, dass der ablenkende Spiegelglanz oder die ablenkende Spiegelblendung bei allen beurteilten Filmen reduziert war.
Beispiele 6-7 und Vergleichsbeispiel C2
Diese Reihe von Beispielen veranschaulicht die Herstellung eines geprägten optischen Polymerfilms unter Anwendung eines anderen optischen Polymerfilms.
Die Filme aus den Beispielen 6 und 7 waren einschichtige reflektive polarisierende Filme, die aus einer Mischung von 57,6 Gew.-% eines Co-PEN-Polymers, 40 Gew.-% Questra^WZ MA405, das von Dow Chemical Company erhältlich ist, und 2,4 Gew.-% Dylark^WZ 332-80, das von Nova Chemical Company erhältlich ist, hergestellt wurden. Das Co-PEN-Polymer basier auf 70 Molprozent Napthalindicarboxylat und 30 Molprozent Dimethylterephthalat und Ethylenglykol. Die Rezeptur wurde extrudiert und sequentiell biaxial orientiert. Die Bahn wurde zuerst in Maschinenrichtung (MR) mit einem Längenorientierer (LO) und daraufhin in Querrichtung (QR) mit einem Spannrahmen gezogen. Die LO-Orientierung wurde mit einem Ziehverhältnis von 1,3:1 (MR:QR) durchgeführt. Die Temperatur der letzten Walze vor dem Ziehen betrug 120°C und die Kraft der Infrarotlampen über die Streckzonen betrug 80 %. Das QR-Ziehverhältnis betrug etwa 1:5,9 (MR:QR), auf der Basis von Schieneneinstellungen am Eintritt und Austritt des Spannrahmens. Die Ziehtemperatur betrug 118°C. Die Hitzefixiertemperatur betrug 163°C. Die Dicke des Films betrug etwa 106 μm.
Die Filme aus den Beispielen 6 und 7 wurden geprägt und wie bei den Beispielen 3 und 5 geprüft, mit der Ausnahme, dass die Filmgeschwindigkeit und die so erhaltene Aufenthaltszeit geändert wurden und der Prägedruck wie in Tabelle 2 aufgeführt war. Bei beiden Beispielen wurde die Geschwindigkeit von 80 m/min auf 100 m/min erhöht, was zu einer Aufenthaltszeitreduzierung auf etwa 0,4 Sekunden von etwa 0,5 Sekunden führte.
Das Vergleichsbeispiel C2 bestand aus einem nichtgeprägten optischen Film aus Beispiel 6.
Die Beispiele 6 und 7 und das Vergleichsbeispiel C2 wurden auf den normalen Einfallsgewinn hin gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

a – geprägte Oberfläche des Films, während des Tests von der Lichtquelle abgekehrt
b – geprägte Oberfläche des Films, während des Tests der Lichtquelle zugekehrt

Wie in Tabelle 2 zu sehen ist, wurden die erwünschten optischen Eigenschaften der selektiven Reflexion und Transmission von polarisiertem Licht, wie durch den optischen Gewinn gemessen, selbst unter hohen Prägedruckbedingungen nur minimal beeinflusst.
Beispiele 8-12 und Vergleichsbeispiele C3-C4
Diese Beispiele veranschaulichen die Herstellung eines geprägten optischen Polymerfilms unter Anwendung eines anderen optischen Polymerfilms. Die geprägten Filme wurden auf eine Art und Weise ähnlich der von Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die optischen Polymerfilme aus verschiedenen Farbverschiebungsfilmen bestanden und einige der Verfahrensbedingungen geändert wurden. Es wurden zwei optische Eingabefilme verwendet, die wie unten beschrieben hergestellt wurden.
Optischer Film A
Der optische Film A war ein optischer Polymerfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von 54 μm und einer Breite von 20,3 cm. Der Film wurde wie folgt hergestellt. Ein coextrudierter Film, der 224 Schichten enthielt, wurde in einer sequentiellen Flachfilmherstellungslinie durch ein Coextrusionsverfahren hergestellt. Dieser mehrschichtige Polymerfilm wurde aus Copolyethylennaphthalat (LMPP) hergestellt, bestehend aus 90 Mol-% Naphthalat und 10 Mol-% Terephthalat als Dicarboxylate und 100 % Ethylenglykol als Diol mit einer intrinsischen Viskosität von 0,48 dl/g und Polymethylmethacrylat (PMMA), das von ICI Acrylics unter der Bezeichnung CP71 erhältlich ist, wobei LMPP die äußere oder „Haut"-Schichten bereitstellte. Es wurde eine Speiseblockmethode (wie durch die US-Patentschrift Nr. 3,801,429 beschrieben) zum Bilden von etwa 224 Schichten verwendet, die auf eine wassergekühlte Gießscheibe coextrudiert und kontinuierlich durch herkömmliche sequentielle Längenorientierer (LO) oder Spannrahmenvorrichtungen orientiert wurden. Das LMPP wurde durch einen Extruder mit einer Geschwindigkeit von 46,0 kg/h an den Speiseblock geführt und das PMMA wurde durch einen anderen Extruder mit einer Geschwindigkeit von 35,9 kg/h zugeführt. Diese Schmelzströme wurden dem Speiseblock zugeführt, um die optischen LMPP- und PMMA-Schichten zu bilden. Der Speiseblock bildet 224 abwechselnde Schichten von LMPP und PMMA, wobei die beiden äußeren Schichten von LMPP als schützende Grenzschichten (SGS) durch den Speiseblock dienen. Die Vorrichtung für den PMMA-Schmelzvorgang wurde bei etwa 265°C gehalten; die Vorrichtung für den PEN-Schmelzvorgang, der Speiseblock, die Hautschichtenmodule wurden bei etwa 265°C gehalten und die Düse wurde bei etwa 285°C gehalten. Ein Gradient in der Schichtdicke wurde für den Speiseblock für jedes Material konzipiert, wobei das Verhältnis der dicksten zu den dünnsten Schichten etwa 1,25 betrug. Eine axiale Stange, wie in der eingereichten Patenanmeldung der US-Seriennummer 09/006288 beschrieben, wurde zum Verengen der Bandbreite verwendet.
Nach dem Speiseblock gab ein dritter Extruder 0,48 IV LMPP als Hautschichten (mit der gleichen Dicke auf beiden Seiten des optischen Schichtstroms) mit etwa 93,2 kg/h ab. Dann ging der Materialstrom durch eine Filmdüse hindurch und auf eine wassergekühlte Gießscheibe unter Anwendung einer Einlasswassertemperatur von etwa 18°C. Das Hochspannungsverankerungssystem wurde verwendet, um das Extrudat an die Gießscheibe mit 6,6 Metern/min anzuankern. Der Verankerungsdraht war etwa 0,17 mm dick und es wurde eine Spannung von etwa 5,6 kV aufgebracht. Der Verankerungsdraht wurde von Hand durch eine Arbeitskraft etwa 3-5 mm von der Bahn an einem Kontaktpunkt mit der Gießscheibe positioniert, um ein glattes Aussehen der Gießbahn zu erreichen.
Die Gießbahn wurde in einem Ziehverhältnis von etwa 3,3:1 bei etwa 120°C längenorientiert. Im Spannrahmen wurde der Film vor dem Ziehen auf etwa 125°C in etwa 14 Sekunden vorerhitzt und dann in Querrichtung bei etwa 125°C auf ein Ziehverhältnis von etwa 4,3:1 mit einer Rate von etwa 20 % pro Sekunde gezogen.
Optischer Film B
Der optische Film B war ein optischer Polymerfilm mit einer durchschnittlichen Dicke von 37 μm und einer Breite von 20,3 cm. Ein mehrschichtiger Film enthaltend etwa 418 Schichten wurde in einer sequentiellen Flachfilmherstellungslinie durch ein Coextrusionsverfahren hergestellt. Dieser mehrschichtige Polymerfilm wurde aus Polyethylenterephthalat und ECDEL 9967 hergestellt.
ECDEL 9967, von dem man glaubt, dass es ein Copolyester auf der Basis von 1,4-Cyclohexandicarbonsäure, 1,4-Cyclohexandimethanol und Polytetramethylenetherglykol ist, ist im Handel von Eastman Chemicals Co., Rochester, NY, erhältlich. Eine Speiseblockmethode (wie diejenige, die in der US-Patentschrift Nr. 3,801,429 beschrieben ist) wurde zum Bilden von etwa 209 Schichten mit einem ungefähren linearen Schichtdickengradienten von Schicht zu Schicht durch das Extrudat verwendet.
Das PET, mit einer intrinsischen Viskosität (IV) von 0,6 dl/g wurde durch einen Extruder mit einer Rate von etwa 34,5 kg/h und das ECDEL mit etwa 32,8 kg/h an den Speiseblock geliefert. Nach dem Speiseblock lieferte der gleiche PET-Extruder PET als Schutzgrenzschichten (SGS) auf beide Seiten des Extrudats mit einem Gesamtfluss von etwa 7,1 kg/h. Der Materialstrom ging dann durch einen asymmetrischen Doppelmultiplizierer (US-Patentschriften Nr. 5,094,788 und 5,094,793) mit einem Multipliziererkonstruktionsverhältnis von etwa 1,40 hindurch. Das Multipliziererverhältnis wird als die durchschnittliche Schichtdicke von Schichten definiert, die in der Hauptleitung hergestellt werden, geteilt durch die durchschnittliche Schichtdicke in der kleineren Leitung. Das Multipliziererverhältnis wurde so gewählt, dass eine Spektrallücke zwischen den beiden Reflexionsvermögensbanden verblieb, die zwischen den beiden Sätzen von 209 Schichten gebildet wurden. Jeder Satz von 209 Schichten hatte das ungefähre Schichtdickenprofil, das vom Speiseblock gebildet wurde, wobei die Maßstabsfaktoren der Dicke insgesamt durch die Multiplizierer- und Filmextrusionsraten bestimmt wurden.
Die Vorrichtung für das ECDEL-Schmelzverfahren wurde bei etwa 265°C gehalten, die Vorrichtung für das PET-(optische Schichten-)Schmelzverfahren wurde bei etwa 265°C gehalten und der Speiseblock, der Multiplizierer, der Hautschichtschmelzstrom und die Düse wurden bei etwa 274°C gehalten.
Der zum Herstellen des Films für dieses Beispiel verwendete Speiseblock war so konstruiert, dass er eine lineare Schichtdickenverteilung mit einem Verhältnis der dicksten zu den dünnsten Schichten unter isothermischen Bedingungen von 1,3:1 ergab. Um ein niedrigeres Verhältnis für dieses Beispiel zu erreichen, wurde ein Wärmeprofil auf den Speiseblock aufgebracht. Der Teil des Speiseblocks, der die dünnsten Schichten herstellte, wurde auf 285°C erhitzt, während der Teil, der die dicksten Schichten herstellte, auf 265°C erhitzt wurde. Auf diese Weise werden die dünnsten Schichten dicker gemacht als bei der isothermen Speiseblockarbeit und die dicksten Schichten werden dünner gemacht als bei der isothermen Arbeit. Dazwischenliegende Teile wurden so eingestellt, dass sie einem linearen Temperaturprofil zwischen diesen beiden Extremen entsprachen. Der Effekt insgesamt ist eine geringere Schichtdickenverteilung, die zu einem engeren Reflexionsvermögenspektrum führt. Einige Schichtdickenfehler werden durch die Multiplizierer eingebracht und ihnen sind die geringeren Unterschiede zwischen den Spektralcharakteristiken jeder Reflexionsvermögensbande zuzuschreiben. Die Gießscheibengeschwindigkeit wurde zur genauen Regelung der endgültigen Filmdicke und daher der endgültigen Farbe eingestellt.
Nach dem Multiplizierer wurden dicke PET-Hautschichten mit etwa 28,8 kg/h (insgesamt) zugegeben, die aus einem dritten Extruder zugespeist wurden. Dann ging der Materialstrom durch eine Filmdüse hindurch und auf eine wassergekühlte Gießscheibe hinauf. Die Einlasswassertemperatur auf der Gießscheibe betrug etwa 5°C. Ein Hochspannungsverankerungssystem wurde zum Verankern des Extrudats auf der Gießscheibe verwendet. Der Verankerungsdraht war etwa 0,17 mm dick und es wurde eine Spannung von etwa 6,5 kV aufgebracht. Der Verankerungsdraht wurde von Hand durch eine Arbeitskraft etwa 3-5 mm von der Bahn am Kontaktpunkt mit der Gießscheibe positioniert, um ein glattes Aussehen der Gießbahn zu erhalten. Die Gießbahn wurde kontinuierlich durch einen herkömmlichen sequentiellen Längenorientierer (LO) und eine Spannrahmenvorrichtung orientiert. Die Bahn wurde mit einem Ziehverhältnis von etwa 3,5 bei etwa 100°C längenorientiert. Der Film wurde auf etwa 110°C in etwa 12 Sekunden im Spannrahmen vorerhitzt und in Querrichtung mit einem Ziehverhältnis von etwa 3,5 mit einer Rate von etwa 15 pro Sekunde in Querrichtung gezogen.
Für das Beispiel 8 wurde der Film A unter Anwendung einer standardisierten Flammenkraft von 580 W/cm², einer Liniengeschwindigkeit von 100 m/min und einem Prägedruck von 1060 N/linearem cm geprägt. Das Prägewerkzeug wies 69 abgestumpfte viereckige Pyramiden pro linearen cm Flächenbreite auf. Beispiel 9 wurde wie Beispiel 8 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die standardisierte Flammenkraft 864 W/cm² betrug. Beispiel 10 wurde wie Beispiel 8 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die normalisierte Flammenkraft 720 W/cm², die Liniengeschwindigkeit 125 m/min betrug und das Prägewerkzeug 14 abgestumpfte viereckige Pyramiden pro linearen cm der Flächenbreite aufwies.
Für Beispiel 11 wurde der Film B wie in Beispiel 8 geprägt, mit der Ausnahme, dass die Liniengeschwindigkeit 150 m/min betrug. Beispiel 12 wurde wie Beispiel 11 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Liniengeschwindigkeit 125 m/min betrug.
Die Vergleichsbeispiele C3 und C4 waren die ungeprägten optischen Polymerfilme aus den Beispielen 8 bzw. 11.
Die Beispiele 8-12 und die Vergleichsbeispiele C3-C4 wurden auf den Spiegelglanz bei 60 Grad und 20 Grad sowohl in MR- als auch QR-Orientierung gemessen und die Reflexionsvermögensspektren wurden hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 und durch die 3-8 gezeigt.
Tabelle 3
Wie in Tabelle 3 zu sehen ist, wurde der Spiegelglanz durch das Prägen durch das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich reduziert. Außerdem hat das erfindungsgemäße Verfahren eine minimale Auswirkung auf die optische Eigenschaft des Reflexionsvermögens, wie durch eine Verschiebung der Bandbreite von weniger als 50 Nanometern gezeigt wird, wenn die Reflexionsvermögensspektren der Beispiele 8 und 10, die in den 3 und 4 gezeigt sind, mit denjenigen für das Vergleichsbeispiel C3, das in 5 gezeigt wird, verglichen werden. Eine ähnliche minimale Auswirkung auf die optische Eigenschaft der Transmission wurde durch Vergleichen der Transmissionsspektren der Beispiele 11 und 12 mit demjenigen des Vergleichsbeispiels C4, wie in den 6-8 gezeigt, beobachtet.
Mit dem geprägten optischen Film von Beispiel 8 und dem ungeprägten optischen Film von Vergleichsbeispiel C3 wurden dekorative Schleifen hergestellt. Proben eines jeden wurden mit einem herkömmlichen Rasierklingenschlitzer zu Rollen einer Breite von 1,27 cm aufgeschlitzt. Jede Rolle wurde zu einer Konfettischleife mit 31 Einzelschleifen und einem Gesamtdurchmesser von fast 13 cm durch Verwendung einer elektronischen Schleifenmaschine, die von Cambarloc Engineering, Inc., Missouri, erhältlich ist, verarbeitet.
Die fertige Schleife aus dem geprägten Film, nämlich die Schleife A, schien im Allgemeinen weicher zu sein als die ungeprägte Version, Schleife B. Es wurde ein reduziertes Niveau an Spiegelglanz in den inneren Hohlräumen der Schleife A beobachtet. Das erhöhte noch das unaufdringliche weniger metallische Aussehen der Schleife A, während die Gesamthelligkeit und Farbqualitäten beider ähnlich waren.
Beispiele 13 und 14 und Vergleichsbeispiele C5 & C6
Diese Beispiele veranschaulichen die Herstellung eines geprägten optischen Polymerfilms unter Anwendung eines anderen optischen Polymerfilms.
Die geprägten Filme aus den Beispielen 13 und 14 wurden auf ähnliche Weise wie in Beispiel 5 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die optischen Polymerfilme beide retroreflektive Würfeleckfilme auf Auskleidungen mit verschiedenen Filmdicken und Breitendimensionen waren und die Verfahrensbedingungen anders waren. In Beispiel 13 wies der Film, der als 3M Scotchlite^WZ Reflektives Material 6260 Weißglanzfilm von 3M Co. erhältlich ist, eine durchschnittliche Dicke von 380 μm und eine Breite von 15,2 cm auf. Die Flamme wurde so eingestellt, dass sie eine normalisierte Flammenkraft von 1150 W/cm² aufwies. Die Filmgeschwindigkeit betrug 45 m/min, was zu einer Aufenthaltszeit von etwa 0,9 Sekunden führte, die Temperatur der Stützwalze betrug 93°C und der Film wurde so geführt, dass die Würfelecke gegen die werkzeugbearbeitete Oberfläche gedrückt wurde. Beispiel 14 wurde wie Beispiel 13 hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Film eine durchschnittliche Dicke von 230 μm und eine Stützwalzentemperatur von 66°C aufwies.
Das Vergleichsbeispiel C5 wurde aus dem gleichen optischen Polymerfilm, wie er in Beispiel 13 verwendet wurde, unter Anwendung des kontinuierlichen, in der US-Patentschrift Nr. 5,770,124, Spalte 12, Zeilen 38-58 beschriebenen Verfahrens hergestellt. Der Film wurde durch einen Quetschspalt hindurchgeführt, der durch eine texturierte Siliconkautschukwalze und eine glatte Stahlwalze gebildet wurde. Die Stahlwalze wurde bei einer Temperatur von 191°C gehalten und die Trägerseite des Films wurde gegen die Stahlwalze aufgegeben. Die Würfeleckseite des Films kontaktierte die kautschukbedeckte Walze und die Geschwindigkeit des optischen Films betrug 1,8 m pro Minute.
Das Vergleichsbeispiel C6 war der ungeprägte optische Film aus Beispiel 13.
Die Beispiele 13 und 14 und das Vergleichsbeispiel C5 und C6 wurden bezüglich des Retroreflexionskoeffizienten bei Orientierungen sowohl von 0 Grad als auch 90 Grad gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Die erwünschte optische Eigenschaft ist ein Glitzereffekt, der visuell beobachtet wird. Alle Filme in der obigen Tabelle wiesen ein zufriedenstellendes Retroflektionsvermögen auf und alle, mit Ausnahme des Vergleichsbeispiels C6 (ungeprägter Film) wiesen ähnliche Glitzergrade auf, wenn sie im Transmissionsmodus betrachtet wurden. Das Gleiche wurde beim Besichtigen im reflektiven Modus beobachtet.
Verschiedene Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung werden denjenigen, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, offensichtlich sein, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen und man sollte sich im Klaren darüber sein, dass diese Erfindung nicht auf die veranschaulichenden, hier aufgeführten Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines geprägten Polymerfilms, bei dem es sich um einen unter Farbverschiebungsfilmen, reflektiven Polarisierungsfilmen und reflektiven Würfeleckenfilmen handelt, umfassend das Erweichen mindestens einer der Hauptflächen (9) eines Polymerfilms (10) durch Aussetzen desselben einem Brenner (18) gegenüber, Prägen der erweichten Oberfläche und Kühlen des geprägten Polymerfilms, wobei: a) der Polymerfilm so konstruiert ist, dass er auf die Exposition einem spezifischen Band von Wellenlängen elektromagnetischer Energie gegenüber Licht reflektiert, hindurchlässt, absorbiert oder bricht, und wobei herkömmliche Polypropylen- und Polyesterfilme aus den Polymeren ausgeschlossen sind; b) eine Brennerflamme benutzt wird oder der Brenner (18) ein flammenloser Strahlungsbrenner ist; und c) die Verweilzeit für die kombinierten Schritte des Erweichens, Prägens und Kühlens weniger als 1 Sekunde beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass d) nur eine Hauptfläche zu einer vorgegebenen Zeit erweicht wird und e) der Polymerfilm dem Brenner derart ausgesetzt wird, dass der Brenner die eine Hauptfläche des Polymerfilms schnell genug erweicht, um das Erweichen der Filmoberfläche zu verursachen, ohne eine signifikante Änderung der optischen Eigenschaften des darunterliegenden Filmvolumens zu verursachen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Polymerfilm ein mehrschichtiger Film ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei sich in dem mehrschichtigen Film eine Vielzahl von Schichten mit einer Dicke von weniger als einer Größenordnung eines Bruchteils der Entfernung, die einer Wellenlänge des Lichts entspricht, befinden.