CN101641473B - 具有热致变色感应元件的工业织物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形带和织物，其结合有用作工艺控制辅助手段的热致变色材料如聚噻吩，该热致变色材料可以应用于监测工业热处理中的热分布，以及应用于该热处理中的工业织物、该热处理中工业织物的制造和/或工业织物上生产或承载的产品。

Description

具有热致变色感应元件的工业织物
技术领域
本发明涉及一种工业织物，其利用热致变色材料来监测热分布(thermal profile)。
背景技术
工业织物指环形带，诸如用作成形织物、压榨织物、干燥织物或处理带(“造纸机底布”)的织物。它也可以是用作压印织物(impression fabric)、TAD织物、压花织物(embossing fabric)的织物，通过诸如熔流工艺的非织造生产中所使用的织物，或者织物整理工艺中所使用的织物。
通常，在造纸过程中，例如，在造纸机成形部，通过将纤维浆也就是纤维素纤维的水分散体沉积到移动的成形织物上形成纤维素纤维网。浆体中大量的水通过成形织物排出，而纤维素纤维网则留在成形织物的表面。
刚形成的纤维素纤维网从成形部进入压榨部，压榨部包括一系列压榨压区。纤维素纤维网由压榨织物支撑，或者通常情况下位于两层这样的压榨织物之间，穿过压榨压区。在压榨压区中，纤维素纤维网受到压缩力的作用，压缩力将水从纤维素纤维网中挤出，并使网中的纤维素纤维彼此粘附，从而将纤维素纤维网转变为纸幅。挤出的水由一层压榨织物或多层压榨织物所吸收，并且理想的情况是不再回到纸幅中。
纸幅最终进入干燥部，干燥部至少包括一系列可转动干燥转鼓或干燥转筒，这些转鼓或转筒由蒸汽在内部进行加热。干燥织物引导刚形成的纸幅以弯曲路径依次绕行系列转鼓中的每一个，干燥织物保持纸幅紧贴于转鼓的表面。加热的转鼓通过蒸发作用降低纸幅的含水量至期望水平。
应该了解的是，成形、压榨及干燥织物在造纸机上都采用无端环的形式，并且都起到传送带的作用。应该进一步了解的是，纸张生产是一种以相当快的速度进行的连续过程。也就是说，在成形部中纤维浆连续沉积到成形织物上，而刚生产出的纸幅则在离开干燥部后连续卷绕到辊筒上。
在工业织物的使用中，对于机器的操作人员而言，掌握关于工业织物和/或机器上传送的产品的操作状况的相关信息通常是比较有益的，这些信息中最为重要的用于制造产品的热条件。具体而言，操作人员可能想要监测织物或带的热分布(thermal profile)，以确认制造产品的热处理在机器的整个宽度和/或在机器的运转方向上处于均匀温度。
周知热致变色材料会由于温度方面的变化而呈现颜色的变化。它们的这种随温度变化而改变颜色的固有特性应用在许多领域，诸如医疗、汽车、贮藏、玩具制造等。
美国专利5,806,528教导了一种装置及方法，用于在将流体输送给患者之前，测量流体温度并提供温度的视觉指示。温度感测装置包括通过挤出或模塑工艺进入流体输送管中的热致变色液晶聚合物。这种聚合物能够响应于温度方面的变化而呈现至少一种颜色变化。
美国专利5,503,583披露了一种涂有包含热致变色材料的涂料的玩具，其中的热致变色材料随着玩具的温度变化而改变颜色。玩具的选择部分涂有热致变色材料，其可使图案、图形、数字、字母或其它标记的颜色随着温度改变而变化。另外，玩具的不同部分可以涂有包含不同颜色热致变色材料的不同的涂料。
美国专利5,085,607涉及一种玩具装置，该装置的至少一个部分，具有电子供应有机着色化合物、电子接收化合物、以及酯的彩色记忆染料(color memory dye)。彩色记忆染料在t1(℃)以下具有第一颜色、以及t2(℃)以上具有第二颜色。在t1和t2之间可以显示第一颜色和第二颜色两种颜色。为了给颜色特性确定适当的温度范围，设置温度敏感视觉指示器，其为可逆热致变色材料，含有树脂固溶体形式的可逆热致变色颜料。
美国专利5,053,339披露了一种颜色变化装置，用于检测时间-温度贮存期，也就是易腐坏产品的保存期限。该装置包括：活化剂带，含有活化剂组分基体；指示带，含有指示组分基体(indicatingcomposition matrix)；以及，在活化剂带与指示带之间的选择隔离基体(optional barrier matrix)。活化组分，例如有机酸如柠檬酸，通过隔离基体和/或指示基体扩散，以持续接触指示组分例如酸基染色指示器，以在被监测温度产生视觉可见的颜色变化。随着更多的活化剂组分扩散进入指示基体，颜色随时间和温度而加深。基体是不透水的，以及，该装置优选具有用于颜色变化的活化能量和速率常量，其与产品腐烂大致相同。这使得能够准确连续地可视监测附有该装置的易腐坏产品的保存期限。
美国专利4,156,365涉及一种食物温度容器或盛放其他东西的器皿，在该容器表面含有热致变色层，通过下述方式以指示容器内食物温度在60℃以上及70℃以下的安全范围(与达到安全条件相对应)，通过升高食物温度，使其高于该范围的最低温度，此时，在一定的微生物中产生可逆蛋白质变性以限制孢子形成，而在范围上端则低于这样的温度界限，该温度界限与不可逆蛋白质变性和用户的舌、唇或咽喉组织受到伤害相对应。在该范围内热致变色层经历从红色到黑色的转变。
美国专利6,706,218披露了一种基于热致变色聚合物的温度指示剂合成物，其含有聚噻吩和载体介质。合成物的特征在于：在合成物的总重量中，聚噻吩按大约0.05％至大约5.0％的重量百分比存在于介质中。这样设计化合物的结构，使得当合成物与物品处于热交换关系中，当物品的温度达到设计温度或超过设计温度时，合成物将呈现颜色变化。
美国专利5,420.224和5,266,677涉及一种基于聚合物诸如聚亚芳基醚酮、聚酰胺、和聚苯并噁唑的噻吩(它们在芳族聚合物主链内含有噻吩环)，以及由该噻吩形成的纤维、薄膜和其他物品。
然而，由于热致变色材料较差的挤出性(在挤出期间热致变色材料断裂)、在所需温度处颜色的可逆性、严酷化学环境及热环境下的存留性能、可视波长的变化性、以及使用含有这些材料的纱线或纤维的工业织物的颜色的亮度和对比度，使得适合用于工业织物(例如造纸工业中所使用的工业织物)的热致变色材料很少。
据此，用于工业织物的热致变色材料非常有限。例如，WO97/02360披露了一种工业带，其包括含有热致变色材料的聚合物基体。以下列几种方式将热致变色材料结合进织物结构，诸如使用含有热致变色材料的聚合物基体挤出纱线、以微囊法包装的形式用热致变色染料填充空心纤维、或者在皮-芯纱线的皮中设置热致变色材料。可将在不同温度显示颜色转变的不同热致变色材料混进聚合物基体并挤成丝或纱。
据此，有关工业织物中如何使用热致变色材料、以及该工业织物中哪些热致变色材料可以使用，现有技术中都相对较少涉及。
本发明描述了一种工业织物，这种工业织物具有由热致变色材料制成的纱线或涂有热致变色材料的纱线，在使用工业织物及对它们进行组配的过程中，该热致变色材料做为工艺控制的辅助手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种工业织物或其组分，其结合有用作工艺控制辅助手段的热致变色材料诸如聚噻吩。
本发明的另一目的是提供一种方法，用于监测工业织物或带的不同区域所经历的热能度(degree of thermal energy)。
本发明的又一目的是提供一种监测在传送带生产过程中有关织物或带的固化温度的方法，诸如在生产织物过程中监测热分布及其变化，诸如涂层的热定形或干燥和固化。
根据下文说明，本发明的其他目的将更为明了。
本发明涉及一种工业织物，包括但并不局限于用在造纸过程中诸如成形、压榨或干燥织物或其它工业应用中使用的工业织物。此织物可以由例如含有或涂敷有可逆热致变色聚合物特别是诸如聚噻吩的单丝形成。可逆热致变色材料会随温度变化而改变颜色，以及，每种热致变色聚合物或材料具有在颜色上呈现变化的热致变色转变温度。通过改变侧链中分子的长度和/或取向或方向，可以更改这种颜色变化的转变温度。以这种方式，可以监测织物的温度。例如，通过肉眼观察或者借助于成像技术的帮助，可以观察或监测热分布，特别是分布中的不均匀性。织物自身成为活性感应元件，可以用于工艺监测或控制。
下面参照附图更全面地说明本发明。附图说明为了更完整地理解本发明，参见以下说明及附图，其中：图1图示根据本发明的工业织物。
具体实施方式
热致变色感应元件是一种通过改变颜色响应其热环境的材料。对于造纸和其他工业中所使用的工业织物而言，这种材料将具有很广泛的实际应用。已知聚噻吩是热致变色材料，尽管人们更多关注其导电特性。
本发明涉及的技术采用了带有侧链的噻吩聚合物。在确定温度转变方面，侧链是相当重要的。通过改变侧链的长度和分布，可以设计聚合物的热致变色转变温度。例如，转变温度可以为低至室温高至180℃的范围。转变也可以调整至在较窄的范围内出现，大约10℃范围或者20℃或更多的较宽范围。这种转变是可逆的，而且改变可以非常迅速。聚噻吩的独特特性在于：其颜色转变是聚合物中构象变化的结果，这使颜色变化的机制有别于其他热致变色材料诸如染料、液晶或金属复合物。由于构象变化是物理效应，使得颜色变化是可逆并且快速的。取决于使用目的，聚噻吩在控制规整性(regioregularity)也就是控制急剧的温度转变方面可能具有其优势。此外，虽然热致变色涂料的耐久性可能有其自身问题；但这并不意味在工业纤维、纱线、纤维、或单丝、成形丝、或直接位于其表面的纤维、或在具有热致变色材料组分的可挤出树脂中，排除使用可逆热致变色材料或涂料作为其组分。
理想的是，将热致变色材料结合进纤维、纱线或薄膜，即使磨损时仍保证热致变色材料的存在。然而，除了高温热致变色材料之外，大多数热致变色材料不能经受挤出工艺的条件，而高温热致变色材料在工业织物领域的应用相对受到限制。噻吩属于热稳定性材料，并由本发明人成功地挤进热塑性材料中，该热塑性材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯PET。例如，通过挤出105℃的热致变色聚合物生产出0.35mm的单丝。当纤维离开拉伸炉时，可以观察到从高温黄色到低温(周围温度)葡萄酒色的急剧转变。随其进出炉区，这种观察证实了颜色变化的可逆性，并检验了颜色转变的速度。
本发明披露了使用这种材料作为工业织物的组分。例如，在编织物或其部分中，通过使用含有热致变色聚合物的单丝纱线，沿CD(横机器方向)可以生成条带。如图1所示，由CD纱线12、14、16和MD纱线18形成的织物10，可以用沿CD的复合单丝纱线条带构成，使得易于利用热致变色聚合物以例如不同的温度转变段对条带进行排序，从例如一个条带中心转变温度为95℃(16)，到下一个条带中心为105℃(14)、再下一个条带中心为115℃(12)。沿条带的运行方向或MD的长度可以有足够的长度，以便用肉眼或借助于成像技术的帮助，例如，使用频闪或照相机或视频装置来观察织物，进行织物操作中的检测。换而言之，各CD条带将包含至少一根或优选多根含有热致变色聚合物材料的纱线。按这种方式，可以观测或监测热分布情况，特别是分布中的不均匀性。
例如，用喷洒器向干燥织物的CD条带中施加含有在105℃处发生热致变色转变的噻吩的涂料。施加聚氨酯外层以封装热致变色涂层。将样品织物置于Mathis炉(标准实验室炉)中，在炉中，易于编程控制暴露的温度和时间。织物最初在85℃下暴露一分钟时间，然后按5℃增量升高温度。可观察到热致变色转变在100℃开始，且在110℃完成。
操作中本发明的织物成为活性感应元件。根据该示例可以派生出利用热致变色元件的许多其他概念。此外，尽管例示了纺织织物，但也可以预想具有热致变色元件的其他织物，诸如上述的那些，还可以是非织造结构诸如MD和/或CD纱线阵列、网织品、编织品、拉伸网丝(extended meshes)、螺旋链或其叠层。
尽管此处使用术语“织物”，但根据本发明，取决于其应用，该结构可以包括纱线或薄膜、甚或是单丝材料的形式，该单丝材料选自由单丝、复丝纤维、双组分(皮/芯)纤维、甚至短纤维组成的组，其中任意一种或全部含有热致变色材料。本结构可以有一层或多层，其中任意一层或全部都可以包含热致变色材料。例如，通过使用以皮-芯形式挤出的双组分纱线(其中皮和芯由相同或不同材料形成)，可以生产出热致变色材料的薄层。可选择地，借助于本领域技术人员周知的方法，包括但不局限于浸渍或浴涂(bath coating)、喷涂、喷射、刮涂、丝网印刷、染料涂布或其它适合于本目的的方法，在纱线上涂敷热致变色材料薄层。尽管使用这些技术也可以实现厚层涂敷，但在本发明中优选使用薄层。进一步，可选择地，使用上述技术的任意一种，可以使织物自身涂敷有热致变色材料的薄层。
噻吩聚合物的颜色转变是化学结构改变的结果并且是材料的固有特性。典型地，随着温度升高，由于聚合物侧链的构象变化，发生从一种颜色到下一种颜色的转变。然而，还存在这样的选择：在单丝的状况下，通过在单丝挤出过程中添加带有聚噻吩的颜料，调整转变颜色。例如，蓝颜料的添加，随温度升高越过热致变色转变温度，将出现从紫红色开始到绿色的最终转变。
此外，热致变色材料可以用于工业织物的在线处理控制，诸如在织物或带的生产中用于帮助监测涂层的固化温度。
对于本领域技术人员来说，可以容易地对上述实施方案进行多种修改和改进，而不偏离本发明的目的、精神和范围。所有这些改动均在本发明权利要求范围内。

Claims (29)

1.一种工业织物，取自由成形织物、压榨织物、干燥织物、造纸过程中的处理带、压印或压花织物、空气穿透干燥(TAD)织物、非织造生产中使用的织物、以及整理织品中使用的织物所组成的组，所述织物包括：
含热致变色材料的纤维、纱线、或薄膜，所述热致变色材料用作工艺控制的辅助手段，其中，所述热致变色材料为热致变色聚合物，所述热致变色聚合物是聚噻吩，以及
其中所述纱线或纤维按一种图案结合，以及，所述热致变色聚合物包括具有不同热致变色转变温度的热致变色聚合物，能够利用热致变色聚合物以不同的温度转变段对所述纱线或纤维进行排序。
2.根据权利要求1所述的织物，其中所述热致变色材料形成为所述纤维、纱线或薄膜的一部分，或者形成为涂层。
3.根据权利要求2所述的织物，其中所述热致变色材料形成为丝状材料，该丝状材料选自由单丝纤维、复丝纤维、双组分纤维、以及短纤维组成的组。
4.根据权利要求1所述的织物，其中所述图案形成为条带状，沿横机器方向(CD)，按其热致变色转变温度渐增的次序布置。
5.根据权利要求1所述的织物，其中所述图案形成为条带状，沿横机器方向(CD)，按其热致变色转变温度渐减的次序布置。
6.根据权利要求1所述的织物，其中所述图案形成为条带状，沿横机器方向(CD)，按除了热致变色转换温度渐增或渐减的次序之外的次序布置。
7.根据权利要求1所述的织物，其中通过使用颜料改变所述热致变色聚合物的转变颜色。
8.根据权利要求1所述的织物，其中所述纱线是以皮-芯形式挤出的双组分纱线。
9.根据权利要求8所述的织物，其中所述皮和芯由相同或不同材料形成。
10.根据权利要求2所述的织物，其中所述热致变色材料的涂层经由浸渍、喷涂、喷射、刮涂、和丝网印刷这些方法之一进行施加。
11.根据权利要求2所述的织物，其中所述热致变色材料的涂层经由染料涂布进行施加。
12.根据权利要求1所述的织物，进一步包括热致变色材料涂层。
13.根据权利要求12所述的织物，其中所述热致变色材料涂层是经由浸渍、喷涂、喷射、刮涂、丝网印刷这些方法之一进行施加。
14.根据权利要求12所述的织物，其中所述热致变色材料涂层是经由染料涂布进行施加。
15.一种形成工业织物的方法，所述织物取自由成形织物、压榨织物、干燥织物、造纸中使用的处理带、压印或压花织物、空气穿透干燥(TAD)织物、非织造生产中使用的织物、以及整理织品中使用的织物组成的组，所述织物包括：
含热致变色材料的纤维、纱线或薄膜，所述热致变色材料用作工艺控制的辅助手段，其中，所述热致变色材料由热致变色聚合物制成，所述热致变色聚合物是聚噻吩，以及
所述纱线或纤维按一种图案结合，以及，所述热致变色聚合物包括具有不同热致变色转变温度的热致变色聚合物，能够利用热致变色聚合物以不同的温度转变段对所述纱线或纤维进行排序。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述热致变色材料形成所述纤维、纱线或薄膜的一部分，或者形成为涂层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述热致变色材料形成为丝状材料，该丝状材料选自由单丝纤维、复丝纤维、双组分纤维、以及短纤维组成的组。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述图案形成为条带状，沿横机器方向(CD)，按其热致变色转变温度渐增的次序布置。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述图案形成为条带状，沿横机器方向(CD)，按其热致变色转变温度渐减的次序布置。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述图案形成为条带状，沿横机器方向(CD)，按除了热致变色转换温度渐增或渐减的次序之外的次序布置。
21.根据权利要求15所述的方法，其中通过使用颜料改变所述热致变色聚合物的转变颜色。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述热致变色转变温度在预定范围内。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述纱线是以皮-芯形式挤出的双组分纱线。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述皮和芯由相同或不同材料形成。
25.根据权利要求16所述的方法，其中所述热致变色材料的涂层经由浸渍、喷涂、喷射、刮涂、丝网印刷这些方法之一进行施加。
26.根据权利要求16所述的方法，其中所述热致变色材料的涂层经由染料涂布进行施加。
27.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在所述织物上施加热致变色材料涂层的步骤。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述热致变色材料的涂层经由浸渍、喷涂、喷射、刮涂、丝网印刷这些方法之一进行施加。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述热致变色材料的涂层经由染料涂布进行施加。
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