活性顆粒至基質中的引入的制作方法

本發明涉及包括活性顆粒的材料。特別是，但不僅限于，本發明涉及使用染色方法將活性顆粒引入紡織品和聚合物中。

發明背景

使用各種各樣的方法將活性顆粒引入織物。這些方法從在薄膜上印刷到在織物自身上引入活性顆粒，到通過產生紗線的母料將活性顆粒引入紗線。在所有這些方法中，為了實現來自產生最終產品時的活性顆粒的全部益處，應該防止所述活性顆粒失活、涂覆或覆蓋。此外，為了實現添加活性顆粒的全部益處，所有這些方法需要在外部環境與活性顆粒表面之間的相互作用從而有利于活性顆粒存在于最終的產品中。

發明簡述

為了產生包括未失活的活性顆粒的織物最終產品，開發了體系、織物和纖維。一個這樣的實施方案包括活性顆粒結合體系。一種活性顆粒結合體系包括活性顆粒、化學地鍵合至活性顆粒的材料(即聚合物錨定物)和包埋有活性顆粒或聚合物錨定物的基質。該活性顆粒和/或聚合物錨定物的包埋發生在織物染色過程中。

另一個實施方案包括將一個或更多個活性顆粒偶聯至作為織物產品一部分的纖維的方法。一個這樣的方法包括將材料(聚合物錨定物)化學地鍵合至一個或更多個活性顆粒并使纖維溶脹。發生所述一個或更多個活性顆粒和該材料的至少一個至所述纖維的擴散。在這一點上，纖維體積減小，在該點上，將一個或更多個活性顆粒可操作地偶聯至所述纖維或包埋在所述纖維中。

本發明的又一個實施方案包括纖維。一種這樣的纖維包括可操作地偶聯至活性顆粒的基質和化學地鍵合至活性顆粒的材料。在一個這樣的實施方案中，所述材料可與基質混合，其中通過化學擴散使所述活性顆粒和所述材料的至少一個偶聯至所述基質。

附圖簡述

當結合附圖時，通過參考以下發明詳述和所附的權利要求，本發明的各種目的和有利之處和更完整地理解是顯而易見的并且更容易意識到的，其中：

圖1描繪了根據本發明的一個實施方案的活性顆粒結合體系；

圖1A描繪了根據本發明的一個實施方案的圖1的140區域在溶脹狀態下的近攝；

圖1B描繪了根據本發明的一個實施方案的圖1的140區域在非溶脹狀態下的近攝；

圖2描繪了可以采用本文中描述的實施方案進行的方法；和

圖3描繪了根據本發明的一個實施方案的纖維。

發明詳述

給出以下段落中位于引號(“”)中的術語和短語的定義。這些定義意在應用到貫穿該文件(包括在權利要求中，除非在上下文中另有明確指示)的術語和短語。此外，可適用的是，不管所述詞語和短語的情形，所定義的詞語或短語的時態、任意單數或復數變化，應用所闡明的定義。

如在該說明書和所附的權利要求中使用的術語“或”并不意味著具有排他性；然而該術語包括“兩者之一或兩者都有”的意思。在說明書中提及“一個實施方案”、“實施方案”、“優選的實施方案”、“可替代的實施方案”、“變型”、“一個變型”和相似的短語意指將與所述實施方案有關而描述的具體特征、結構或特性包括在本發明的至少一個實施方案中。在說明書的各種位置的短語的形態如“在一個實施方案中”、“在實施方案中”或“在變型中”并非必然意指涉及相同的實施方案或變型。

現在轉向圖1，所見的是用于產生織物和紡織品、在其中的其它產品中的活性顆粒結合體系100的一個實施方案。一個活性顆粒結合體系100包括活性顆粒110、材料120和基質130。活性顆粒110是具有孔或凹坑的顆粒，該孔或凹坑具有吸附或解吸呈固、液和/或氣相和/或其組合的物質的空間。這些孔可以根據所使用的活性顆粒110的類型在尺寸、形狀和數量方面變化。例如，一些活性顆粒110天然具有孔，例如火山巖，以及可以將其它活性顆粒110(如碳)用極端溫度和活化試劑(如氧氣)產生孔。

活性顆粒110可以性能增強性質提供給其中包括它們的物品。這樣的性能增強特性包括氣味吸附、水分處理、濕氣捕獲和釋放、紫外線保護、紅外線吸收率、化學試劑保護性質、生物危害保護性質、阻燃、抗菌保護性質、抗病毒保護性質、抗真菌保護性質、抗微生物保護性質、干燥劑性質及其組合。活性顆粒110可以包括，但是不限于活性炭、碳納米管、卡賓、石墨、氧化鋁(活性氧化鋁)、硅膠、純堿、鋁三水合物、小蘇打、對甲氧基-2-乙氧基乙基酯肉桂酸(西諾沙酯)、氧化鋅、沸石、二氧化鈦、二氧化硅、分子過濾類型材料和其它合適的材料。

在一個實施方案中，使材料120化學地鍵合至活性顆粒110。例如，可以使活性顆粒100初始用材料120處理或與其反應，以形成化學鍵。可以使用與活性顆粒100化學地鍵合并且也可與基質130混合的任意材料120。例如，材料的一部分可以結合至活性顆粒，而材料的另一部分可以偶聯至基質130，如下文所示。材料120可以包括末端官能化的長鏈基團并且可以在本文中被稱為長鏈基團、官能團、反應性基團、胺基團、錨定物或錨定基團。其它材料120類型包括涉及一個或更多纖維素、聚醚、末端官能化的胺基團、聚酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚丙烯酸系、改性聚丙烯酸系、聚丙烯、聚氨酯(脂族的和芳族的)、芳族聚酰胺和聚酰胺的長鏈基團。

基質130可以包括聚合物、聚合物共混物或天然纖維。此外，在本文中可以將基質130稱為聚合物、聚合物纖維、天然纖維或纖維。在一個實施方案中，基質130可以包括一個或更多個聚酯或天然纖維基團。在這樣的實施方案中，材料120可以包括具有末端官能化的胺基團的聚醚。在這樣的實施方案中的活性顆粒110可以首先與末端官能化的胺基團的第一部分反應。一個第一部分可以包括末端官能化的胺基團的第一末端。第二部分(例如，末端官能化的胺基團的第二末端)可以偶聯至基質130，如下文所述。因此，每個末端官能化的胺基團可以化學地鍵合至活性顆粒110并且偶聯至基質130。

例如，在化學地鍵合至活性顆粒110時，將材料120(和/或活性顆粒110)引入基質130。在一個這樣的實施方案中，在染色過程期間將長鏈基團用作錨定物而將活性顆粒110連接至纖維。本領域已知的各種染色方法，溶脹纖維(即基質130)保證這樣的錨定物偶聯至基質130。如圖1A所示，看到在纖維溶脹期間的從圖1的區域140的近攝。如所示，在這樣的纖維130溶脹期間，在纖維顆粒125之間的空間135或體積足夠大，以保證長鏈基團120匹配在纖維顆粒125之間。也可以在本文中將這樣的體積稱為“自由體積”。也可以在本文中將纖維顆粒125稱為纖維分子。盡管空間135可以足夠大，以容納材料120，甚至在溶脹期間，空間135可以不足夠大而保證活性顆粒110匹配在活性顆粒125之間。

現轉向圖1B，所見的是在纖維溶脹減退之后的圖1的區域140的近攝。如所見的，圖1B中在纖維顆粒125之間的空間135比如圖1A中所見的在纖維溶脹期間的纖維顆粒125之間的空間135小。由于在基質130內的這種收縮，長鏈基團在微觀上變成在纖維內纏結，鎖定材料120和如圖1所示的附接的活性顆粒110至纖維。當材料120可與基質130混合時，即當基質130和材料120包括相似或匹配的溶解度時，發生材料120和基質130的纏結。盡管未在圖1A-1B中顯示，但還設想空間135可以足夠大，圖1中所見的活性顆粒可以變成纏結，并且因此在微觀上鎖定或錨定在基質130的聚合物鏈中。

在溶脹期間，空間135的尺寸保證包括在約1至約100nm之間的粒度145的長鏈顆粒變成纏結在基質130中。隨著額外溶脹，空間135可以包括保證包括約100nm直至約1微米的粒度145的長鏈顆粒變成纏結在基質130中的尺寸，并且隨著另外的額外溶脹，空間135可以包括保證包括約1微米至約5微米的粒度145的長鏈顆粒纏結至基質130中的尺寸。

基質130可以包括一種或更多種以下材料來用于制造織物、絲線或任意其它的產品：聚酯、聚酰胺、芳族聚酰胺棉制品、羊毛、聚氨酯、改性丙烯酸系、聚丙烯酸系、人造纖維、聚丙烯，其它紡織纖維或本領域中已知的任意其它材料。可以考慮圖1所示的基質130可以包括如圖1B所示的預先溶脹的基質130，其包括偶聯至材料120的基質。然而，基質130也可以或可替換地連接至活性顆粒110。如圖1所示，通過使用長鏈基團作為錨定物將活性顆粒110偶聯至基質130，與直接偶聯至纖維的活性顆粒110’相比，將活性顆粒110的更大的表面積暴露至周圍環境。在本文中也可以將活性顆粒110稱為第一活性顆粒110并且在本文中可以將活性顆粒110’稱為第二活性顆粒110’。

現在轉向圖2，可見將一個或更多個活性顆粒偶聯至纖維的方法250。例如，一個或更多個活性顆粒可以包括圖1中所示的活性顆粒110，并且纖維可以包括圖1中所示的基質130。一種這樣的方法在255處開始并且在260處包括將材料化學地鍵合至一個或更多個活性顆粒110。例如，如本文中所討論，圖1中所示的材料120可以化學地鍵合至活性顆粒110。在265處，方法250包括使纖維溶脹。例如，可以在本領域已知的纖維著色或染色過程中使纖維溶脹。然而，也考慮本領域已知的其它過程來使纖維溶脹。在270處，方法250包括使一個或更多個活性顆粒110和材料120的至少一個擴散至纖維中。例如，如以上關于圖1A和1B所描述，在使纖維溶脹期間，空間135可以保證一個或更多個活性顆粒110和材料120擴散至纖維中并且可以發生長鏈顆粒120和纖維顆粒125的微觀纏結。例如，纏結可以在步驟275處發生，其包括減少纖維體積。如關于圖1A和1B所描述，在隨著纖維從如圖1A中所示的經溶脹狀態轉換到如圖1B中所示的非溶脹狀態，纖維顆粒125之間的空間135減小時，可以發生纖維體積的減少。將一個或更多個活性顆粒110可操作地偶聯至纖維的在285處的步驟也如上文參考圖1A和1B以及長鏈材料120和/或活性顆粒110(如圖1中所示)與纖維顆粒125的微觀纏結的隨附的公開所描述。

隨著在265處使纖維溶脹，在270處使一個或更多個活性顆粒和材料的至少一個擴散至纖維中，在275處減少纖維體積且在285處在染色過程期間也可以發生可操作地將一個或更多個活性顆粒偶聯至纖維。纖維染色可以通過一個或更多個常規的、分散體或超臨界二氧化碳(CO₂)染色方法來進行。因此，在一個實施方案中，可以將超臨界CO₂染色過程用于幫助執行方法250的步驟265、270、275和285并且通過使用材料120將活性顆粒100引入纖維110。一種這樣的材料120可以是在這樣的過程期間存在的CO₂。因此，使用超臨界CO₂的一個有利之處在于這樣的過程可以不需要超出CO₂的任何其它化學品來執行活性顆粒100至纖維110的結合。采用這樣的實施方案，所述CO₂可以起本文中所描述的材料120的作用。此外，通過僅使用CO₂，因為在過程中沒有其它化學品存在，所以更可能防止活性顆粒100在染色過程中失活。

當將材料偶聯至活性顆粒的孔和/或表面區域時發生活性顆粒的失活，并且阻斷它們的吸收，吸附和解吸物質的能力。活性顆粒是包括可以吸收、吸附和解吸物質的或具有吸收、吸附和解吸物質的潛力的孔或其它表面區域特征的顆粒。當阻斷或抑制活性顆粒的孔和/或表面區域吸附某些分子尺寸的物質時，活性顆粒可以以識貨的狀態離開。然而，這并不總是意味著永久地排出這些孔/表面區域吸附所述物質。活性顆粒的孔/表面區域可以通過再活化或復原而解鎖或解禁(即一般地或基本上返回到它們的原始狀態)。再活化或復原除去了活性顆粒的孔中捕限的物質，阻斷它們的活性。然而，如果有害物質被活性顆粒吸附，則再活化或復原可以使活性顆粒的吸附能力還原是不太可能的。

在一個實施方案中，在具有或不具有保護層輔助以防止活性顆粒永久失活的織物染色過程期間，可以將活性顆粒施加至基質。一種這樣的保護層可以包括密封劑。密封劑是可除去的物質，其通過阻止過早失活(例如，防止吸附有害或無意的物質或通過其它不利的條件失活)保持與活性顆粒有關的性質。在預定的時間并且當經受施加一個或更多個預定條件(例如熱、時間等)或物質(例如水、光、分散劑、溶劑等)時，可以將密封劑從活性顆粒移除。所述密封劑可以包括，但是不僅限于，水溶性表面活性劑、其它表面活性劑類型、鹽(例如，氯化鈉、氯化鈣)、聚合物鹽、聚乙烯醇、蠟(例如，石蠟、巴西棕櫚蠟等)、光反應性材料、可生物降解材料、不同于可生物降解材料的可降解材料、乙氧基化的炔屬二醛和任意其它合適的物質。然而通過使用CO₂染色過程，因為在所述過程期間不存在有害物質，所以可以不需要這樣的密封劑。

可以考慮將材料120化學地鍵合至一個或更多個活性顆粒110的步驟260可以包括在使纖維溶脹之前將材料120化學地鍵合至一個或更多個活性顆粒110，在使纖維溶脹期間將材料120化學地鍵合至一個或更多個活性顆粒110，或二者。例如，在使纖維溶脹之前(例如，在染色過程(例如但不限于超臨界CO₂過程)開始之前)可以通過單獨的化學鍵合過程將活性顆粒110化學地鍵合至上述一個或更多個材料120。在發生活性顆粒110和材料120的結合之后，活性顆粒/材料組合可以在染色過程開始之前或在所述過程的任意點進入染色過程。

如先前所描述，材料120可以包括一個或更多個長鏈基團。在這樣的實施方案中，使一個或更多個活性顆粒110和材料120的至少一個擴散至纖維中的步驟270可以包括通過一個或更多個活性顆粒110和一個或更多個長鏈基團的尺寸自動選擇一個或更多個活性顆粒110和一個或更多個擴散至纖維中的長鏈基團。例如，參考圖1A和1B如上所示和描述，可以基于空間135的尺寸和纖維顆粒125之間的體積發生擴散。如果在使纖維溶脹期間空間/容積展開并且足夠大，則可以使活性顆粒110在基質130內擴散。然而，如果活性顆粒110比體積/空間更大，則將不會使活性顆粒110在基質130內擴散。因此，活性顆粒越大，越難于擴散。類似地，在使纖維溶脹期間，空間/體積可以足夠大以發生長鏈基團和基質130的擴散。然而，如果纖維并未溶脹，則因為空間/容積可能不足以使長鏈基團變得與纖維顆粒125纏結，所以不太可能發生長鏈基團和基質130之間的擴散。因此，長鏈基團和活性顆粒110的尺寸決定是否使活性顆粒110和/或長鏈基團偶聯至基質130，其中自動地選擇適當尺寸的長鏈基團和活性顆粒110(變得纏結的那個)作為錨。因此，通過一個或更多個活性顆粒110和一個或更多個長鏈基團的尺寸自動選擇一個或更多個活性顆粒110和一個或更多個擴散至纖維中的長鏈基團包括基于適應于匹配在基于基質130中的空間135(即體積)的在經溶脹的纖維中的一個或更多個區域中的一個或更多個活性顆粒110和一個或更多個長鏈基團的尺寸容納一個或更多個活性顆粒110和一個或更多個長鏈基團。減少纖維體積包括消除多個纖維顆粒125之間的空間。在一個這樣的實施方案中，基質130可以包括聚酯并且材料120可以包括具有用于將聚醚連接至纖維的末端官能化的胺基團的聚醚。

如圖1中所示，通過材料120擴散至纖維中而偶聯至纖維的第一活性顆粒110的暴露至周圍環境(圍繞體系100的區域)的表面積比通過第二活性顆粒110′擴散至纖維中而偶聯至纖維的第二活性顆粒110′的暴露至周圍環境的表面積更大。所述方法250在290處結束。

本發明的另一個實施方案在本文中被稱為纖維。圖3所見的纖維305類似于上文參考圖1描述的體系100，并且在此引入本文中涉及體系100的描述和適用圖3中對纖維305的全部描述。類似地，纖維305的以下描述可以適用于圖1所見的體系100。

在一個實施方案中，纖維305包括具有基質330的聚合物材料和至少一個活性顆粒310。可以將材料320化學地鍵合至活性顆粒310。如上文所描述，材料320應該是與基質330可混溶的(相容地可溶的)，包括與活性顆粒310化學地鍵合的反應性基團，且活性顆粒310和材料320的至少一個通過擴散偶聯至基質。例如，使圖3中所見的活性顆粒310′偶聯至基質330。此外，反應性基團可以包括具有末端官能化的胺基團的聚醚。如上文所描述，活性顆粒310和/或材料320可以在染色過程(例如但不限于超臨界CO₂染色過程)期間通過使基質330溶脹時的擴散而偶聯至基質330。可以考慮末端官能化的胺基團可以包括大量長鏈基團并且至少其中一個長鏈基團化學地鍵合至活性顆粒。在這樣的實施方案中，可以發生至少其中一個長鏈基團至基質中的擴散。

一種錨定基團可以包括活性部分或位點，其化學地鍵合至活性顆粒100。可以在開始染色方法之前包括這樣的錨定基團或長鏈基團120可以在染色方法期間連接至活性顆粒100。一種長鏈基團120可以與纖維110相容和可混溶。此外，染色方法可以充分溶脹纖維110以使得活性顆粒100或錨定基團擴散至纖維110中。不需要粒度預分級。過程本身將會對可以擴散至經溶脹的纖維中的顆粒進行尺寸選擇。在發生染色之后的超臨界CO₂程序中回收未使用的活性顆粒。

本領域技術人員可以容易認識到可以對本發明進行的很多變型和替代，其用途及其結構實現本文中所描述的實施方案所實現的基本相同的結果。因此，并不意圖本發明限制在所公開的示例性形式。許多變型、改變和替代性結構落入如權利要求中所闡述的本公開的發明的范圍和精神之內。