物質導入非均質材料的系統和方法
【專利說明】物質導入非均質材料的系統和方法
[0001]本申請要求提交于2012年11月8日，序列號為61/796，346的美國臨時申請的優先權。這和所有其它參考的材料都通過整體引用并入本文。其中，通過引用并入本文中的術語的定義或使用與本文提供的術語的定義不一致或相反，本文中提供的該術語的定義被認為是占控制地位的。
技術領域
[0002]本發明的領域是紡織品印刷和染色，特別是合成聚合物纖維的印刷和染色。
【背景技術】
[0003]下面的描述包括可能對理解本發明有用的信息。它不是承認本文所提供的任何信息是現有技術或關于目前聲明的發明，或專門地或隱含引用的任何出版物是現有技術。
[0004]歷史上，紡織品的裝飾和染色一直使用化學反應和化合物為顏色基礎來完成。千百年來，這個過程使用水作為這些化學品的載體。在20世紀中期，合成聚合物纖維，如尼龍和聚酯被引入，其被證明難以染色，導致加入活性化學品和催化劑給承載染料的溶液。這些染料和化學品經常發現它們到湖泊、河流和海洋的路，并引起嚴重的環境破壞。傳統的染色利用大量的新鮮水，范圍從約56到600倍的織物重量。因為通常需要大量的水，所以每年紡織工業在世界各地消耗24000億加侖不可持續的水。
[0005]由合成聚合物制成的織物對染色提出了特殊的挑戰。不像天然纖維，這些材料通常是不同固體相(例如，結晶、半結晶和非晶相)的非均質混合物，其在不同程度上接受染料化合物，且染色后的染色牢度差。已經在嘗試解決這個問題。例如，美國專利號6，544，300 (克萊夫和威廉姆斯)公開了高溫(>400Γ )處理合成聚合物纖維的方法，以增加相對容易染色的非晶相的相對量。然而，這種處理，也增加了非染色結晶相的量，且所得到的產品往往是在加熱時脫落的染料。
[0006]其它方法利用合成聚合物纖維與組合物，為了提高染料的接受能力。例如，美國專利申請號2005/0217037 (內戈拉)，公開了加入“染料增強劑”，如乙二醇改性單體給聚烯烴纖維。纖維的染料增強劑組分比單獨的聚烯烴更容易接受燃料。然而，發明人注意到另外的化合物經常需要被添加，以提供染料增強劑組良好的分散性，且提高顏色水準。類似的方法在主流派美國專利申請號2010/0035497 (Slerakowski, Cleenewerk, Prufe)中被描述，其公開了加入聚丙烯單體，其攜帶二羧酸基團給聚丙烯纖維的配方，以調節復合聚合物玻璃轉變溫度。所得纖維通過在升高的溫度，即高于玻璃轉變溫度但低于該材料的熔點上，加入著色劑被染色。然而，這種改性聚合物，需要更復雜的制造工藝，并且改性聚合物配方在穿著耐磨性和化學穩定性的效果是不清楚的。
[0007]因此，仍然需要能夠有效地滲透著色劑和其它物質進入合成聚合物纖維和其它非均質材料的工藝。
【發明內容】
[0008]本發明主題提供了裝置、系統和方法，其中染料或其它物質被滲透到包括至少兩個固體相的非均質固體，例如，合成聚合物纖維。用戶期望滲透到非均質固體的染料或其它物質被引入到固體以被滲透。能量(例如熱能和/或電磁能量)被施加在非均質固體特征玻色子峰區域上或周圍，導致染料或其它物質在兩個固體相(S卩，非晶和結晶)之間的界面區域的滲透性性的增加。在一些實施方案中，該能量被施加在減少(即小于I大氣壓)的壓力。滲透性的增加是由于大量能量施加在界面區內的渠道或類似結構的臨時形成。滲透材料通過擴散、毛細管力、漣波子或這些類似力的組合被驅動進入透化界面區域。隨著染料或其它材料的攝取，施加到非均質固體的能量被改變，導致界面區域的滲透性減少，密封非均質固體內的染料或其它材料，且可導致非均質固體內的染料或其它材料的分散。
[0009]—組本組發明構思的實施方案是用于滲透物質到非均質固體的方法，例如合成聚合物或纖維。非均質固體包括第一相、第二相和被插入或位于第一相和第二相之間的界面區域。在一些實施方案中，第一區域包括非晶固體且第二區域包括半結晶或結晶固體。滲透性物質，例如染料或其它著色劑或其它材料，被帶入接觸非均質固體且能量被施加。物質或其它材料被帶入接觸非均質固體之前或之后能量可被施加。所施加的能量使界面區域在臨時或可逆的方式中變得可滲透。這通過施加優選地位于非均質固體材料的玻色子峰區域內的能量來完成。這種能量可以是熱能、電磁輻射(例如紅外輻射)，或者這些的組合的形式。在一些實施方案中，能量被施加在至少部分真空中，以有利地減少所需的溫度來引起界面區域的可滲透性，從而允許較低的溫度和擴張被用在本文所描述的方法中的非均質材料的范圍。驅動力被施加，促使滲透性物質進入界面區域。合適的驅動力包括毛細管作用和/或漣波子的形成。然后，所施加的能量被修改，以減小界面區域的滲透性，或可替代地，使其不可滲透。
[0010]另一組本發明構思的實施方案是通過滲透滲透性物質，例如染料或其它著色劑到非均質固體中制成復合固體，例如合成聚合物或纖維。非均質固體有多個固體相，包括第一相、第二相和第一相和第二相之間的界面區域。通過使界面區域臨時地或可逆地可滲透的能量的施加，例如通過施加非均質固體玻色子峰區域的能量，滲透性物質被引入到非均質固體的界面區域。在一些實施方案中，第一區域是非晶固體且第二區域是半結晶或結晶固體。在優選的實施方案中，復合固體耐化學漂白。
[0011]本發明主題的各種物體、特征、方面和優點，從下面的優選的實施方案的詳細描述，連同其中類似標號表示類似的組件的附圖來看，將變得更顯而易見。
【附圖說明】
[0012]圖1示出了隨著溫度在非晶固體中上升，比熱非線性增加，表示這些材料的玻色子峰區域特性。
[0013]圖2示意性地描繪了非均質固體，其具有非晶相、半結晶或結晶相，以及兩相相遇處的界面區域。
[0014]圖3示意性地描繪了滲透過程的初始階段，其中被滲透到非均質固體的材料被放置與非均質固體的表面接觸。
[0015]圖4示意性地描繪了能量到非均質固體的施加，導致通過渠道的形成示出的增加的滲透性。
[0016]圖5示意性地描繪了所施加的材料經由滲透區域進入非均相固體內部的運動。
[0017]圖6示意性地描繪了在非均質固體內結合材料的密封和改變所施加的能量上的部分可逆透化。
[0018]圖7示意性地描繪了非均質固體內的結合材料分散以產生復合固體。
[0019]圖8描繪了系統的一個實施方案，其允許材料中的物質分散。
【具體實施方式】
[0020]下面的討論提供了本發明主題許多示例性實施方案。盡管每個實施方案代表本發明元件的單一組合，但是本發明主題被認為包括本公開元件的所有可能組合。因此，如果一個實施方案包括A、B和C且第二實施方案包括元件B和D，那么本發明主題也被認為包括A、B、C或D的其它剩余組合，即使沒有明確地被公開。
[0021]本發明主題提供了其中染料或其它物質被滲入到至少兩個固體相的混合物的非均質固體，例如合成聚合物纖維的裝置、系統和方法。本發明構思的裝置、系統和方法，利用位于非均質固體材料的玻色子峰內部或附近的能量的施加，以臨時和/或可逆地透化材料，允許染料、著色劑和/或非均質固體的體內的其它物質的滲透和隨后分散。
[0022]如所公開的，本發明構思的系統、方法和過程利用能量發射和環境傳輸的獨特組合，來增加能量效率，和控制產生著色或其它物質永久重復滲入織物和其它材料的需要。發明人已鑒定了新的現象，其中滲透或物質到非均質固體的滲透，包括非晶成分，其可通過激勵固體(例如，通過熱能/紅外/近紅外輻射)接近或達到固體非晶相的玻色子峰特性的地方來實現。改變條件和/或能量輸入來移出玻色子峰條件逆轉固體滲透性的變化且截留在固體中的滲透物質。例如，固體返回非滲透狀態的轉變，比起現有技術染色方法，有利于染料在固體中被密封更深，從而有助于將固體保持染色顏色，盡管暴露于紫外線輻射或漂白劑中，僅僅因為兩個可能的優勢。出人意料的是，發明人已經發現，改變能量被施加在其中的環境(即傳輸環境)，例如通過減少大氣壓力，允許過程的相轉變特性發生在降低的溫度中。
[0023]不希望受到理論的束縛，發明人認為這種現象可能與材料的行為有關，如由Lunkenheimer 和 Loidl (J.非晶體固體(20063524556-4559)和 Lubchenko 和 Wolynes (PR0C國家科學院科學(20021004:1515-1518)描述的，其推測玻色子峰可能與材料內的局部變化有關，其可能由玻璃的鑲嵌結構引起且其它非晶固體由它們的制備方法引起。玻色子峰可以在合適的材料中容易觀察到，如非晶聚合物，通過根據在材料內可利用到原子或分子的自由度的數目來表征的參數的技術。典型的技術包括微量熱容量測定、中子散射和電磁輻射散射。典型的用于非晶二氧化硅100的玻色子峰如圖1所示，取自Lubchenko和Loidl，其示