JP2015537128A - 特定の物質を異種材料内に運ぶためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

染色された繊維または織物などの複合固体が透過性領域を異種固体の中に可逆的に形成することによって形成されるシステムおよび方法が記載されている。透過物質は、透過性を逆転させる、異種固体の中に閉じ込められることで複合固体を形成し、その中では透過物質は環境要因から保護されている。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１２年１１月８日に提出されたシリアル番号６１／７９６，３４６を有する米国仮出願に対して優先権を主張する。このおよび全ての他の参照される外部資料はその全体において参照により本明細書に組み込まれる。参照により組み込まれる参考文献における用語の定義または用途が本明細書で提供される用語の定義と矛盾する、または正反対である場合、本明細書で提供される用語の定義が支配すると考えられている。

本発明の分野は、布地プリントおよび染色であり、具体的には合成ポリマー繊維のプリントおよび染色である。

以下の記載は、本発明を理解するのに有益であり得る情報を含んでいる。本明細書で提供される情報のいずれも、従来技術である、または現在主張される発明に関連するものであること、あるいは具体的にまたは暗黙のうちに参照されるいずれの刊行物も従来技術であることは認められていない。

歴史的に布地の装飾や染色は、化学反応と、基本の色のための化合物とを利用して実現されてきた。何千年もの間、このようなプロセスはこういった化学物質のキャリアとして水を使用してきた。２０世紀の半ば、染めるのが難しいことが証明されているナイロンやポリエステルなどの合成ポリマー繊維が導入され、その結果染料を担持する溶液に活性薬品や触媒を追加することになった。このような染料や化学物質は、湖、川および海に到達することが多く、深刻な環境被害を引き起こす。従来の染色は、繊維の重量のおよそ５６から６００倍の範囲に及ぶ多量の新鮮な水を利用する。典型的に多量の水が必要とされるため、布地産業は、世界中で１年当たり持続不能な２．４兆ガロンの水を消費している。

合成ポリマーから作製される繊維は、染色に対して特別な問題を有する。天然繊維とは異なり、このような材料はしばしば、染色化合物をそれぞれの程度で受け入れる異なる固相（例えば結晶、半結晶および非晶相）の異種混合物であり、染色後の耐変色性が芳しくない場合がある。こういった問題に対処するためにいくつかの試みがなされてきた。例えば米国特許第６，５４４，３００号（ＣｌｉｖｅｒおよびＷｉｌｌｉａｍｓに対する）は、高温（＞４００℃）で合成ポリマー繊維を処理することで比較的容易に染色される非晶相の相対的な量を増大させる方法を開示している。しかしながらこのような処理は、染色不可能な結晶相の量も増大させ、結果として生じる製品が加熱される際に染料を落とす傾向もある。

他の手法は、合成ポリマー繊維を染料の受け入れを改善させることが意図された組成で利用する。例えば米国特許出願第２００５／０，２１７，０３７ （Ｎｅｇｏｌａに対する）は、グリコール改変モノマーなどの「染色増強剤」をポリオレフィン繊維に加えることを開示している。繊維の染色増強剤成分は、ポリオレフィン単独のものよりも容易に染料を受け入れるが、本発明者等は、染色増強剤の群の良好な分散を提供し、色の均一化を改善するために追加の化合物を追加する必要がある場合が多いことを指摘している。同様の手法が、米国特許出願第２０１０／０，０３５，４９７号 (Ｓｌｅｒａｋｏｗｓｋｉ、ＣｌｅｅｎｅｗｅｒｋおよびＰｒｕｆｅに対する）に記載されており、これは、合成ポリマーのガラス転移温度を調節する目的でポリプロピレン繊維の形成にジカルボン酸グループを担持するポリプロピレンモノマーを追加することを開示している。結果として生じる繊維は、ガラス転移温度を超えるが材料の溶融点を下回る上昇した温度で着色剤が加えられることによって染められる。このように改変されたポリマーはしかしながら、より複雑な製造プロセスを必要とし、摩耗および化学安定性に対する抵抗する改変ポリマー形成の効果は、明瞭ではない。

よって、着色剤および他の物質を合成ポリマー繊維および他の異種材料に効果的に染み込ませることができるプロセスに対する要望がある。

本発明の主題は、染料および他の物質を例えば合成ポリマー繊維など、少なくとも２つの固相を有する異種固体に染み込ませる装置、システムおよび方法を提供する。ユーザが異種固体に染み込ませることを希望する染料又は他の物質が、染み込ませるべき固体に取り込まれる。エネルギー（例えば熱および／または電磁エネルギー）が異種固体の特徴的なボソンピーク領域でまたはその前後で加えられ、その結果２つの固相（例えば非晶相と結晶相）の間の境界面領域の染料または他の物質に対する透過性が増大することになる。一部の実施形態では、このエネルギーは、低下した圧力（すなわち１気圧未満）で加えられる。透過性の増大は、加えられるエネルギーの量に起因して境界面領域内にトンネルまたは同様の構造が一時的に形成されるためである。浸透する材料は、拡散、毛管力、リプロンまたはこのような力または同様の力の組み合わせによって透過性になった境界面領域内へと進められる。染料または他の物質を吸い上げた後、異種固体に加えられたエネルギーが変化し、その結果境界面領域の透過性が低下し、異種固体の中の染料または他の物質を閉じ込め、染料または他の物質の分散が異種固体内で生じる可能性がある。

本発明の概念の実施形態の１つのグループは、特定の物質を、例えば合成ポリマーや合成繊維などの異種固体に染み込ませるための方法である。異種固体は、第１の相と、第２の相と、第１の相と第２の相の間に挿入される、またはそれらの間にある境界面領域とを含む。一部の実施形態において、第１の領域は非晶固体を含み、第２の領域は半結晶または結晶固体を含む。透過物質、例えば染料または他の着色剤または他の物質が、異種固体と接触するようにされ、エネルギーが加えられる。エネルギーは、物質または他の物質が異種固体と接触するようになる前、またはその後に適用されてよい。適用されたエネルギーによって、例えばトンネルを形成することによって境界面領域が一時的にまたは可逆的に透過性になる。これは、好ましくは異種固体の材料のボソンピーク領域の範囲内にあるエネルギーを適用することによって達成される。このようなエネルギーは、熱、電磁放射（例えば赤外放射）またはこれらの組み合わせの形態であり得る。一部の実施形態では、エネルギーは、少なくとも半真空状態で適用されることで、境界面領域の透過性を生じさせるのに必要な温度を有利に低下させ、これによりより低い温度を可能にすることで本明細書に記載される方法で使用することができる異種材料の範囲を拡大する。透過物質を境界面領域内に染み込ませる推進力が加えられる。好適な推進力には、毛管作用および／またはリプロンの形成が含まれる。適用されたエネルギーはその後、境界面領域の透過性を低下させる、あるいは代替としてそれを不透過性にするように改変される。

本発明の概念の実施形態の別のグループは、透過物質、例えば染料または他の着色剤を例えば合成ポリマーまたは繊維などの異種固体に染み込ませることによって形成される複合的な固体である。異種固体は複数の固相を有し、これには第１の領域と、第２の領域と第１の領域と第２の領域の間の境界面領域とが含まれる。例えば異種固体のボソンピーク領域にあるエネルギーを加えることによって境界面領域を一時的にはまたは可逆的に透過性にするエネルギーを適用することによって、異種固体の境界面領域内に透過物質が取り込まれる。一部の実施形態では、第１の領域は非晶固体であり、第２の領域は半結晶または結晶固体である。好ましい一実施形態では、複合固体は、化学的漂白に対して抵抗性がある。

本発明の主題の種々の目的、特徴、態様および利点は、同様の数字は同様の構成要素を表す添付の図面と併せて好ましい実施形態の以下の詳細な記載からより明らかになると思われる。

このような材料のボソンピーク領域特性を例示する、温度が非晶固体において上昇する際の固有の熱の非線形の増大を示す図である。 非晶相と、半結晶または結晶相と、２つの相が接触する境界面領域とを有する異種固体を概略的に描く図である。 異種固体に組む込まれるべき材料が異種固体の表面と接触するように配置される浸透プロセスの初期段階を概略的に描く図である。 異種固体にエネルギーが適用され、その結果トンネルの形成によって示されるように透過性が増大することを概略的に描く図である。 透過性になった領域を介する添加された材料の異種固体の内部への移動を概略的に示す図である。 異種固体内に組み込まれた材料の密閉および適用されるエネルギーが変化する際の透過化の局所的な逆転を概略的に描く図である。 複合固体を形成するために異種固体内に組み込まれた材料の分散を概略的に描く図である。 特定の材料内での物質の散乱を可能にするシステムの一実施形態を描く図である。

以下の考察は、本発明の主題の多くの例である実施形態を提供する。各々の実施形態は、本発明の要素の単独の組み合わせを提示しているが、本発明の主題は、開示される要素の全ての可能な組み合わせを含むように考えられる。よって一実施形態が要素Ａ、ＢおよびＣを有する場合、第２の実施形態は、要素ＢおよびＤを有し、このとき本発明の主題は、明示的に開示されていない場合でも、Ａ、Ｂ、ＣまたはＤの他の残りの組み合わせを含むように考えられている。

本発明の主題は、染料または他の物質を少なくとも２つの固体相の混合物、例えば合成ポリマー繊維である異種固体に染み込ませる装置、システムおよび方法を提供する。本発明の概念の装置、システムおよび方法は、一時的および／または可逆的に材料を透過性にするために異種固体の材料のボソンピークの範囲内またはその付近にあるエネルギーの適用を利用し、染料、着色剤および／または他の物質の異種固体の本体内での浸透およびその後の分散を可能にする。

開示されるように、本発明の概念のシステム、方法およびプロセスはエネルギー放射と伝送環境の独自の組み合わせを利用して、エネルギー効率を倍増させ、着色剤または他の物質の繊維および他の材料への永久的な反復式の浸透を生じさせるのに必要な管理を向上させる。本発明者等は、今までにない現象を確認しており、そこでは非晶成分を含む異種固体への物質の侵入または浸透は、その固体が固体の非晶相のボソンピーク特性に近づくまたは到達するまで固体を活性化する（例えば熱および／または赤外／近赤外放射によって）ことによって実現することができる。ボソンピーク条件から離れるように条件および／またはエネルギー入力を変えることで、固体の透過性の変化を逆転させ、浸透物質を固体内に閉じ込める。例えば非透過状態に戻ろうとする固体の転移によって、従来技術の染色法に比べて染料を固体内のより深いところに閉じ込めることが可能になり、これにより正に２つの可能性のある利点のように紫外線放射や漂白剤に曝されても固体が染色された色を維持するのを助けることができる。驚くべきことに、本発明者等は、例えば周辺空気圧を低下させることによってエネルギーが適用される環境（すなわち伝送環境）を変えることによって、このプロセスの相転移特性が低下した温度で発生することを可能にすることを発見した。

理論に拘泥されることは望まないが、本発明者等はこのような現象が、ボソンピークが材料内の局所的な変化に関連し得ると仮定するＬｕｎｋｅｎｈｅｉｍｅｒおよびＬｏｉｄｌ(Ｊ．Ｎｏｎ-Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ(２００６年)３５２:４５５６-４５５９頁)ならびにＬｕｂｃｈｅｎｋｏおよびＷｏｌｙｎｅｓ(Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．(２００２年)１００(４):１５１５-１５１８頁)に記載される材料の挙動に関連し得ると考えており、これはガラスおよび他の非晶固体のそれぞれの作製方法に由来するモザイク構造に起因する可能性がある。ボソンピークは、材料内の原子または分子に対して利用可能な自由度の数に依存するパラメータを特徴付ける技術によって、好適な材料、例えば非晶質ポリマーなどにおいて容易に観察することができる。典型的な技術には、熱容量の微量熱量測定、中性子散乱および電磁放射散乱が含まれる。ＬｕｂｃｈｅｎｋｏおよびＬｏｉｄｌより採用された非晶質シリカ１００に関する典型的なボソンピークが図１に示されており、これは温度に応じた熱容量の変化を示している（シリカに関するデバイ温度に対する比として示される）。結果として生じる非均衡性は、ポリマーまたは他の異種固体の構造内の非晶の一団と結晶の一団の間の境界においてストレスの形態で蓄積されるエネルギーを明示しており、染料、着色剤または他の所望される物質を合成繊維などの異種固体内に詰め込むために空間および毛管作用を提供する機械的な作用の供給源として作用することができる。

異種固体を形成する際に蓄積された固有のエネルギーの機械的な刺激への変換が、トンネルを形成し、付随する毛管作用（例えば毛管現象の張力波、すなわちリプロン）は、異種固体のボソンピークでまたはその付近で（例えばボソンピーク領域の範囲内で）特定のエネルギー戻りレベルでその最大効率に達する。驚くべきことに、本発明者等は、異種固体の表面でドナーまたは透過物質が溶融した後、固体のボソンピーク領域に対応する特定のエネルギーレベルで受け取り異種固体（例えば繊維）を維持することによって、透過物質を溶剤キャリアまたは活性化化学物質を利用せずに異種固体内に注入することができることを発見した。好ましい一実施形態では、このようなプロセスを染料または他の着色剤を繊維および織物に取り込むために使用することができ、水や有毒な化学物質のいずれの使用に対する必要条件も排除することができる。

最終製品を生成する装置は、電磁エネルギーおよび／または熱エネルギー源を利用することができる。一部の実施形態において、高エネルギー配置段階は、透過物質（例えば染料）および異種固体（例えば繊維）の共鳴に合わせて調整された近赤外放射源（例えば、フィルタを通した白色光、発光ダイオードまたはレーザ）の群を利用する。このような共鳴は、例えばＩＲおよび近ＩＲ分光学などの既知の技術を利用して容易に特定することができる。これにより、透過物質を異種固体に迅速に大量に配置することが可能になる。配置技術は、透過物質および異種固体の性質に適応させることができ、透過物質の溶液または懸濁液の溶着（例えば噴霧、浸透またはプリンティングによる）、透過物質（例えば染料）を蒸気に変換しその後この蒸気が後異種固体（例えば繊維）の表面に液体を凝結する相変化または乾燥透過物質の異種固体の表面への溶着（例えば静電引力による）が含まれてよい。透過物質は異種固体の全てまたは一部のみに適用される場合もあることを理解されたい。同様に、透過物質が異種固体に進入することを可能にするエネルギーは、異種固体の全てまたは一部のみに適用される場合もあることを理解されたい。

透過物質が異種固体（例えば繊維）の表面に移動され、計算されたエネルギーレベルされる際、特定の物理現象が起こり、繊維構造の非晶部分の動的運動を拡大する。天然および人工の両方の全てのポリマーは、結晶分子構造と非結晶分子構造の両方を含むため、このような運動は、非晶領域と、結晶または半結晶領域の間の境界または境界面にトンネルなどの透過性が増大した一時的な領域を形成する。このようなトンネルは、境界または境界面領域におけるリプロン（毛管作用表面波）の形成を補助することができる。このようなリプロンは、染料を合成繊維の中に取り込む際に異種固体の表面から透過物質を移送することができ、これは色の浸透および繊維全体の均一化を実現することができる。透過物質の浸透の大きさおよび程度は、放射源の強度、チャンバ空気圧、放射時間および／または透過種のサイズを調節することによって管理することができる。エネルギー源の出力が低下される、またはなくなる際、トンネルは崩壊し、透過物質を異種固体の表面の下に閉じ込めた状態のままにする。これは有利には、透過物質を環境要因から保護する。例えば合成繊維または織物にこのようなやり方で取り込まれた染料は、漂白剤および他の洗浄剤に簡単に影響を受けない。

このような活性トンネルプロセスを利用する透過物質の異種固体への注入の３つの特徴となるステップは、配置、浸透および均一化である。以下は、染料または着色剤が合成繊維に取り込まれる例示のプロセスの各々のステップの詳細な記載である。

配置：このようなプロセスで使用される典型的な着色剤は、不活性な分散系の染料であるが、このプロセスはこのような着色剤に限定されない。むしろこのプロセスは、例えば調合薬などを含む他の液体または固体を利用する場合もある。受け取り異種固体（以後受け手と呼ばれる）の表面への染料の配置は、いくつかの異なる方法によって達成することができる。これらの１つは、物理的な配置であり、例えば受け手の表面上での直接的なプリンティングである。別の方法は、ドナーペーパー上に像をプリントし、それを受け手と接触するように配置することである。熱または加熱ステップが、プリントされた染料を蒸気に変化させ、これが受け手の表面へと拡散し、受け手の表面で像または色になるように凝結する。このプロセスは、最終的な着色法として歴史的に使用されてきた。所望される最終製品がべた色であるときに使用することができる別の配置方法は、受け手をマイクロコーティングデバイスの中に配置し、染料溶液を受け取り表面に均一に転がすまたは広げ、次いでその後で利用するために保存するものである。さらに別の方法は、静電気の相互作用を利用して染料を受け手の表面に引きつけることである。この方法は特に、減圧環境において有利である。しかしながら、染料（またはいずれかの所望される透過物質）を異種固体受け手の表面に接触させるいずれの方法も好適であり得ることを理解されたい。染料が受け手の表面の特定の位置にあるとき、受け手は、次のプロセスステップのための準備をする。

浸透：染料が受け手の表面上に配置されると、凝結した液体は、受け取り材料内の結晶相領域と非晶相領域の間の境界または境界面領域に形成される隙間またはトンネルへと搬送される。トンネルは、受け取り材料のボソンピークにまたはその前後に（例えばボソンピーク領域内で）制御されたエネルギーを加えることによって受け手の中に形成される。理論で拘泥されることは望まないが、本発明者等は、これは熱エネルギーおよび／または調和するように調整されたフォトン（光波）を使用してポリマーまたは他の異種材料の形成のエンタルピー（形成する際に蓄積されたエネルギー）を活性化することによって達成されると考えている。ボソンピーク領域の範囲内で受け手の非晶相において観察される自由度の増大は、少なくともその一部は非晶相領域の分子の一団の軌道に由来するものであり、これは静止した結晶の一団と、活性化され軌道を描く非晶の一団の間の境界面領域を透過性にする隙間またはトンネルの形成を誘発すると考えられる。このような隙間やトンネルは、受け取り異種固体の内部に深く延在する。トンネルの壁の表面は、毛管力、例えばエネルギー源から離れる毛管表面作用（すなわちリプロン）の波を呈し、これは染料または他の透過物質を異種固体内の深いところまで搬送する。

均一化：受け取り異種固体に適用されるエネルギーは、全ての過剰な染料が表面から排出され受け手の本体内へと溶着するまで、受け手のボソンピークにまたはその前後（例えばボソンピーク領域の範囲内）に維持される。これは透過物質の異種固体の内部への有効な送達を実現するが、透過物質は以前として透過性になった境界面領域内に誘発された隙間またはトンネル内に大かた限定されている。より均等に浸透した複合製品を形成するために、染料または他の透過材料を異種固体の中に再分配することが望ましい。これは、適用されるエネルギーをゆっくりと低下させ、境界の隙間を染料の一団に接するように近づけることによって達成することができる。このような欠点に思われるトンネルの崩壊は、染料の一団に対して機械的な応力を形成し、それらをより小さな１群に分解し、さらに分散させ受け手に含ませ、これにより染料の分散および色の見かけを均一化する。入力エネルギーをさらに削減するまたは打ち切ると、トンネルは完全に崩壊し、これにより染料は受け取りポリマーの内部に永久に閉じ込められた状態になる。

図２から図７は、本発明の概念のプロセスのステップを例示している。図２は、表面２１０を備えた異種固体２００を示す。一部の実施形態において、異種固体は、例えば異なる分子構成で固体化された特定のポリマーからできた固体などその固体全体を通して異なる様式で配置された単一の材料でできている。他の実施形態において、異種固体は、異なる材料または材料の種類を含む場合がある。好ましい一実施形態において異種固体は、合成繊維であり、これは個々の繊維として、糸の一部として、フェルトまたは織り物繊維の一部として、あるいは最終布製品（またはその一部分）の一部として扱うことができる。異種固体２００は、２つ以上の固体相を含み、例えば結晶または半結晶相２２０と、非晶相２３０である。異なる相は、異なる透過性を有する可能性がある。異なる相が相互作用する場所に境界面領域２４０が出現する。

図３は、ユーザが異種固体へと染み込ませることを望む透過物質３００と接触している異種固体を示している。ここに描かれるように、透過物質３５０は異種固体の表面３１０に適用され、プロセスのこの時点では、このような相または領域が表面３１０の一部を形成する場所を除いて結晶または半結晶相３２０、非晶相３３０または境界面領域３４０とは接触していない。透過物質３５０は、例えば直接塗布（例えば特定の溶液、懸濁液、ペーストまたは粉体としての）、転写（例えば転写シートからの熱転写）、正反対に帯電した透過物質と、異種固体の間の静電引力、あるいは所望される作用や特性を有意に損なったり失ったりせずに透過物質３５０と異種固体の表面３２１０の間の物理的接触を実現する任意の手段などの任意の好適な手段によって表面３１０に適用することができる。異種固体３００を覆うように描かれているが、透過物質３５０は、異種固体３００の一部のみに適用される場合もあることを理解されたい。

透過物質３５０の性質は、ユーザが最終的な複合材料に与えるつもりの目的とする特性に依存する。透過物質の例には、染料または他の着色剤（例えば繊維染料および顔料）、製剤活性物質（ステロイドホルモン、エストロゲン、アンドロゲン、アセチルコリンエステラーゼ阻害剤、興奮剤、抗鬱剤、インシュリンまたはインシュリン類似体、ビタミン、ニコチン、スコポラミンおよび／またはそれらの類似体）、有利な特性を備えたポリマー（高い耐摩耗性、高い化学的耐性、高い引っぱり強度、高い反射率、低い反射率を備えたポリマー、および／または電磁エネルギーの非可視波長の反射または吸収が可能なポリマーなど）ならびに／あるいは金属または金属粒子の懸濁液が含まれる。本発明の概念の好ましい一実施形態では、透過物質３５０は、布に利用するのに適した染料または他の着色剤である。

図４は、コーティングされた異種固体４００の中での透過性領域の形成を描いている。エネルギー４６０がコーティングされた異種固体４００に適用され、異種固体の結晶または半結晶相４２０と非晶相４３０領域の間の境界面領域４４０に透過性領域（例えばトンネル）４７０を形成させる。このような透過性領域４７０の少なくとも一部は、異種固体の表面４１０まで延び、透過物質４５０が通行することを可能にすることができる。驚くべきことに、本発明者等は、異種物質の材料のボソンピーク領域の範囲内にあるエネルギーを加えることは、異種固体内での透過性領域またはトンネルの形成を大きく促進することを発見した。理論に拘泥されることは望まないが、本発明者等は、このようなエネルギーを利用することで異種固体の非晶相４３０内で多数の自由度を維持し、これによりその流動性および異種固体を形成する際に生じる解放張力を変化させることを提案している。理論に拘泥されることは望まないが、本発明者等は、このような張力は、このときより流動性である非晶相４３０と、比較的剛性の結晶または半結晶相の間で境界面領域４４０内にトンネル４７０またはクラックが形成されることによって軽減されると考えている。

異種固体４００に加えられるエネルギー４６０は、プロセスを管理されたやり方で進めるのに必要とされるエネルギーを適用するのに適した任意の形態であってよい。好適なエネルギーの例には、熱（例えば伝導熱および／または対流熱）、電磁放射（例えばマイクロ波、赤外線、近赤外線、可視線、近紫外線および／または紫外線放射）、電磁誘導ならびに／あるいは化学反応が含まれる。本発明の概念の好ましい一実施形態において、エネルギーは、熱、赤外線または近赤外線放射、あるいはこれらの組み合わせとして適用される。

驚くべきことに、本発明者等は、エネルギーを適用する際に大気圧を下げることで（例えば真空状態または半真空状態を利用することによって）、プロセスに必要なエネルギーの量を削減することを見いだした。これは有利には、エネルギーおよび装備の観点で作動コストを抑え、追加として周辺圧力または上昇した圧力において不適合になる材料の組み合わせの利用を可能にすることができる。例えば、好適なエネルギーと組み合わせた好適な低下した圧力の選択は、異種固体（例えば合成繊維）のものとは明らかに異なる溶融点を有する透過物質（例えば染料または着色剤）の利用を可能にすることができる。このように低下した圧力または少なくとも半真空状態は、プロセスで使用される密閉された空間の収容装置内の周辺圧力を下げることによって、あるいはプロセスで使用される装置内の（例えば、連続処理を可能にする部分的にまたは一時的に開放した装置における）圧力を下げることによって適用することができる。

図５に示されるように、エネルギー５６０を適用することで染み込んだ異種固体５００が生じることになる。描かれる実施形態のように、透過物質は、エネルギー５６０が適用される際、透過性になった領域すなわちトンネル５７０に進入することができる。本概念の一部の実施形態では、透過物質は主に透過性になった領域すなわちトンネル５７０の中に見いだすことができ、基本的に表面５１０から完全に引き抜かれ、異種固体５００の非晶５３０および結晶または半結晶５２０領域の大部分には有意な量は見られない。有利には、適用される透過物質の量は、異種固体５００によって完全にまたはほぼ完全に吸収されるように選択することができ、取り込まれなかった透過物質を除去する後処理洗浄の必要性を減らすまたはなくすことができる。好ましい一実施形態では、透過物質は、合成繊維によって完全にまたはほぼ完全に吸収される染料または他の着色剤であり、これにより必要とされる時間、ならびに染色または着色プロセスによって消費されるエネルギー及び水を劇的に削減する。別の利点は、このような配置が透過物質を劣化させる可能性のある環境要因（例えば湿気、熱、化学物質、細菌、菌類など）からの保護を提供する点において、透過物質が最終的な複合材料の内部に制限する際にこのような実施形態において実現される。本発明の概念の好ましい一実施形態では、染料または他の着色剤の合成繊維の内部への局所化によって、化学酸化剤（例えば漂白剤）からの保護を提供し、このようなプロセスによって処理された繊維を洗濯する際の消毒を可能にする。

図６に示されるように、適用されたエネルギーは、染み込んだ異種固体６００を密閉するように変化させることができる。適用後のエネルギー６６０を変化させることは（例えば異種固体６００に適用されるエネルギーを低下させる）、先のステップにおける変化の少なくとも部分的な逆転となり、透過性になった領域６７０の少なくとも部分的な削減につながる可能性がある（例えばトンネルの少なくとも部分的な崩壊）。一部の実施形態において、このような崩壊が、取り込まれた透過物質を異種繊維の表面６１０から密閉する。これは、透過性になった領域６７０および取り込まれた透過材料に対してひずみを負わせる可能性がある。このプロセスにおいて、透過材料は、非晶相６３０の大部分に進入することができるが、結晶または半結晶相からは切り離されたままであり得る。

図７は、エネルギーを適用した後の染み込んだ異種固体を描いている。透過物質７５０は、境界面領域７４０の透過性を低下させることによって（例えばトンネルの崩壊によって）誘発される応力によって非晶相７３０内に分散される。透過物質を境界面領域７４０内に見いだすことができる限り、それは結晶または半結晶相７２０には進入しない。本概念の好ましい一実施形態において、透過物質の適用は、基本的に全ての透過物質が異種相内に取り込まれ複合固体または物質７００を形成するように管理され、透過物質は表面７１０上にはほとんどまたは全く残らない。結果として生じる複合物７００は有利には、透過物質の所望される光学的、薬学的または他の特性を備えた固体を提供する一方で、異種固体の環境的、化学的および生物学的抵抗力を提供する。

本発明を開発する際、従来技術において開示または提示されないいくつかの固有の条件および固有の用途が発見された。これらには以下のものが含まれる。

フォトン−フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）デバイスを利用する材料の特定方法としての周波数共鳴の利用は、確立された手法である。驚くべきことに、本発明者等は、このような共鳴周波数が、透過物質（例えば染料）の異種固体（例えば繊維）内への取り込みを促進するのに有益であることに気付いた。別々の放射において染料と受け手の形成のエンタルピーを促進するのに電磁エネルギー（例えば近赤外フォトン）を利用することで、染料と受け手の両方の広範囲にわたる迅速な活性化が可能になり、受け手の繊維または織物の中に染料を染み込ませるのに必要な時間を放射熱エネルギーを利用する際に必要とされる時間の１０％未満まで短縮する。本概念の一部の実施形態において、電磁エネルギーまたはフォトンを利用して染料を受け手の繊維または織物の中に染み込ませるのに必要とされる時間は、放射熱エネルギーを使用する際に必要とされる時間のおよそ５％またはそれ未満である。

低下した圧力−驚くべきことに、本発明者等は、空気圧が、染料の相変化および受け取り異種固体内でのトンネルの形成を妨げることを発見した。着色プロセスにおける真空環境の形成による空気圧の低下は実質的にエネルギー源の効率を改善する。熱テストを利用して本発明者等は、相変化に関するトリ−ポイントが、空気圧を１０％（ｋＰａ/ｋＰａ）下げる毎におよそ７℃だけ低下することに気付いた。これにより有利には、より低いエネルギー放射源の利用、および以前にはポリマー着色に関して余りに大きなエネルギーを必要とすると考えられていた不活性染料の活性化が可能になる。低下した圧力の利用はまた、コーティングプロセスにおける静電相互作用の利用も助ける。圧力は、本発明のプロセスのステップにおいて、周辺空気圧のおよそ９０％、およそ８０％、およそ７０％、およそ６０％、およそ５０％、およそ４０％、およそ３０％、およそ２０％、およそ１５％、およそ１０％、およそ５％、およそ２％、およそ１％、およそ０．１％、およそ０．０１％またはおよそ０．０１％未満まで低下させることができる。

静電引力−減圧された大気圧室内の微小粒子を気化させ、それらを誘電性の受け手における対向する電荷に引きつけることによって、特定の条件下で染料および他の透過物質を受け取り異種固体に対して取り込むことができる。このプロセスは、これより慣習的な伝達プロセスは許容することができない透過物質、例えば医薬品、生体分子（例えばタンパク質および核酸など）およびポリマーに対して特に有用である。

図８は、物質を特定の材料８０６に対して適用するためにシステム８００の一実施形態を例示している。好ましいシステムは、材料８０６を受け入れるように構成されたデバイス８０２を含むことができる。材料は、ローラまたは他の手段を介してデバイス８０２の中を通過することができるように企図されている。他の実施形態において、物質が適用される一片の材料を差し出す機械アームなどの自動システムを介して材料を受け取る場合もある。当然のことながら、材料はまた、デバイス８０２の中に手動で配置される場合もある。

好ましい材料は、非晶領域と、結晶または半結晶領域とを有し、それらの間に配置された１つまたは複数の境界面領域を含む。企図される材料には、例えば、合成ポリマーが含まれ、繊維、より糸、糸、あるいはさらにはシャツ、パンツなどの最終製品の形態であってよい。

デバイス８０２は、材料８０６の少なくとも一部に対してエネルギーを放射するように構成された１つまたは複数のエネルギー源８０４を含む。エネルギー源によって放射されるエネルギーは、例えば熱、電磁放射および赤外または近赤外放射（例えば７５０ｎｍから１４００ｎｍの間の）であってよい。材料８０６に対して放射されるエネルギーは、材料の表面にある物質が境界面領域へと染み込むことができるように境界面領域を一時的に透過性にするのに十分な量であることが好ましい。より好ましくは、エネルギーの量は、この材料のボソンピーク領域の範囲内であり、好ましくはほぼその材料に関するボソンピークに近いものであり、これは、上記に記載したものなど材料の中に原子または分子に対して利用可能な自由度の数に依存するパラメータを特徴付ける既知の技術によって判定することができる。

物質は好ましくは、１つまたは複数の染料であるが、例えば医薬品、有利な特性を備えたポリマー、金属などを含めた多数の他の種類の物質を含む場合もある。

適用されるエネルギーが、材料８０６のボソンピーク領域の範囲内にあるとき、境界面領域は、この物質が材料の表面の下で材料の中に染み込むことを可能にする１つまたは複数のトンネルの形成によって透過性になる。物質は、推進力によって材料の中に引き込むことができ、この力には、例えば毛管作用またはリプロンが含まれてよい。ひとたび材料の中に入ると、エネルギーの量は典型的には、材料のボソンピーク領域の範囲側の特定の量まで低下し、これによりトンネルを崩壊させ材料をそのこれまでの状態に戻す。

デバイス８０２はさらに、エネルギー源８０４から放射されるエネルギーの量を制御するように構成された制御装置８０８を含むことができる。このような実施形態では、制御装置８０８は、材料８０６のボソンピーク領域の範囲内になるようにエネルギーの量を自動的に増大させ、その後物質が操作者が望む量だけ材料８０６に浸透した後、適用されるエネルギーを減少させるように構成することができる。

エネルギーは半真空状態で材料８０６に適用することもでき、これにより境界面領域を透過性にするのに必要なエネルギーの量を削減するように企図される。これにより有利には、本明細書に記載されるシステムおよび方法で使用される材料のより広範な選択が可能になるが、これには典型的に従来技術のプロセスにおいて必要とされる高い温度に起因して従来技術の染色法に耐えることができないような材料も含まれる。他の実施形態において、半真空状態が、材料８０６の片側のみに適用される場合がある。境界面領域が透過性になったとき、空気がトンネルの中に進入し材料の中にエアポケットを形成する場合がある。システムが材料の両側の染色を可能にするように構成される場合、これは有利には、異なる色の染料をエアポケットに使用されることを可能にし、対向する側部から染料が入り混じったりにじんだりするのを阻止する助けをする。

本明細書で使用されるように、文脈がそうでないことを指示しない限り、用語「結合される」は、直接的な結合（互いに結合される２つの要素が互いに接触する）と、間接的な結合（少なくとも１つの追加要素が２つの要素の間に位置する）の両方を含むことが意図されている。したがって用語「結合される」および「〜と結合した」は同義語として使用される。

一部の実施形態において、本発明の特定の実施形態を記載および主張するのに使用される、原料の量を表す数値、濃度、反応条件などの特性などは、一部の例において用語「およそ」によって修正されるように理解すべきである。したがって一部の実施形態では、書面による記載および添付のクレームに記載される数量的なパラメータは、特定の実施形態によって実現されることが求められる所望の特性に依存して変化し得る近似値である。一部の実施形態において、数量的パラメータは、報告される有効数字を鑑みて、および通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。本発明の一部の実施形態の広範な範囲を記載する数値の範囲およびパラメータが近似値であるにも関わらず、特有の例に記載される数値は、実現可能であるように正確に報告される。本発明の一部の実施形態において提示される数値は、そのそれぞれのテスト測定法において見られる標準的なずれから必然的に生じる特定の誤差を含む可能性がある。

文脈がそうでないことを指示しなければ、本明細書に記載される全ての範囲は、その終点を含んでいるものとして解釈すべきであり、制約のない範囲は、商業的に実用的な値のみを含むと解釈すべきである。同様に値の全てのリストは、文脈がそうでないことを指示しなければ、中間値を含むものとみなすべきである。

本明細書の記載において、かつ以下に続くクレーム全体を通して使用されるように、「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」の意味には、文脈がそうでないことを指示しなければ複数の言及も含んでいる。また本明細書の記載で使用されるように、「中で（ｉｎ）」の意味は、文脈がそうでないことをはっきりと指示しなければ「中で（ｉｎ）」と「上で（ｏｎ）」を含んでいる。

本明細書における値の範囲の列挙は、この範囲内にある各々の別々の値を個別に参照する速記法として機能することが意図されているだけである。文脈がそうでないことを指示しなければ特定の範囲内の各々の個々の値は、あたかもそれが本明細書に個別に列記されるかのように明細書の中に取り込まれている。本明細書に記載される全て方法は、文脈がそうでないことを指示しなければ、あるいは文脈によってはっきりと否定されなければ任意の好適な順番で実行することができる。本明細書の特定の実施形態に関して提供される任意のおよび全ての実施例または例示の言語（例えば「など」）の利用は、単に本発明をより適切に解明することが意図されているだけであり、別の方法で主張される本発明の範囲に対する制限を提起するものではない。明細書の中のいずれの言語も、いかなるクレーム請求されない要素も本発明を実施するのに必須であることを指し示すように解釈すべきでない。

本明細書に開示される本発明の代替の要素または実施形態のグループ分けは、限定として解釈すべきではない。各々のグループの要素は、個々にあるいはグループの他の要素または本明細書に見いだされる他の要素との任意の組合わせで言及およびクレーム請求することができる。グループの１つまたは複数の要素は、便宜上および／または特許性の理由のために特定のグループの中に含まれる、またはそこから削除される場合がある。いずれかのこのような包含または削除が生じた際、その明細書は、修正されたようにこのグループを包含するとここでは考えられ、これにより添付のクレームにおいて使用される全てのマルクーシュグループの書面による記載を遂行する。

本明細書の進歩的概念から逸脱せずに、既に記載されるものの他に多くのさらなる修正形態が可能であることは当業者には明白である。本発明の主題はしたがって、添付のクレームの精神以外で制限されるべきではない、さらに明細書とクレームの両方を解釈する際、全ての用語は、文脈と一致する最も広い可能な方法で解釈されるべきである。詳細には、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）は、非排他的な方法における要素、構成要素またはステップを指すものとして解釈すべきであり、参照される要素、構成要素またはステップが特別に参照されない他の要素、構成要素またはステップとともに存在しうる、利用され得る、又は組み合わせることができることを指し示している。明細書が、Ａ、Ｂ、Ｃ．．．およびＮから成る群から選択されたいずれかの少なくとも１つを参照する場合、テキストは、ＡプラスＮ、またはＢプラスＮなどではなく、そのグループから１つの要素のみを必要とするものとして解釈すべきである。

Claims (56)

1. 特定の物質を異種固体の中に染み込ませるための方法であって、
   透過物質と、前記異種固体が第１の領域、第２の領域、および前記第１の領域と前記第２の領域の間に挿入された境界面領域を備える異種固体とを用意するステップと、
   前記異種固体にエネルギーを適用し、前記エネルギーの量が前記境界面領域を一時的に透過性にするのに十分な量であるステップと、
   前記透過物質を前記境界面領域の中に染み込ませるように構成された推進力を適用するステップと、
   前記エネルギーの適用を修正することで前記境界面領域を非透過性にするステップとを含む方法。
2. 前記第１の領域が非晶固体を含み、前記第２の領域が少なくとも半結晶固体を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記異種固体が合成ポリマーである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記異種固体が繊維である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記透過物質が染料である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記エネルギーが熱である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記エネルギーが電磁放射である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記エネルギーが赤外放射である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記エネルギーの量が、前記異種固体のボソンピーク領域の範囲内である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記推進力が毛管作用である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記推進力がリプロンである、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記境界面領域が、１つまたは複数のトンネルの形成によって透過性になる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記エネルギーが適用される間少なくとも半真空状態を適用するステップをさらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. エネルギーを適用する前記ステップが、前記境界面領域を可逆的な様式で透過性にするのに十分である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記透過物質を用意する前記ステップがさらに、前記透過物質を前記異種固体に適用するステップを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記透過物質が、前記エネルギーが前記異種固体に適用される前に前記異種固体に適用される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記透過性物質を用意する前記ステップがさらに、前記透過物質を特定のドナーから前記異種固体へと移動させるステップを含む、請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
18. 前記境界面領域が、前記エネルギーが前記異種固体に適用される間一時的に透過性になる、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域の間に挿入された境界面領域とを備える異種固体と、
    前記境界面の中にあり、前記境界面領域を一時的に透過性にするように構成されたエネルギーを適用することによって前記境界面領域の中に取り込まれる透過物質とを備える複合固体。
20. 前記第１の領域が非晶固体を含み、前記第２の領域が少なくとも半結晶固体を含む、請求項１９に記載の複合固体。
21. 前記エネルギーが前記異種固体のボソンピーク領域の範囲内にあるように選択される、請求項１９または２０の複合固体。
22. 前記異種固体が合成ポリマーである、請求項１９から２１のいずれか一項に記載の複合固体。
23. 前記異種固体が繊維である、請求項１９から２２のいずれか一項に記載の複合固体。
24. 前記透過物質が染料である、請求項１９から２３のいずれか一項に記載の複合固体。
25. 前記透過物質が医薬品である、請求項１９から２３のいずれか一項に記載の複合固体。
26. 前記透過物質が特定の固体である、請求項１９から２３のいずれか一項に記載の複合固体。
27. 前記透過物質が金属である、請求項１９から２３のいずれか一項に記載の複合固体。
28. 前記透過物質が少なくとも２つの別個の物質である、請求項１９から２７のいずれか一項に記載の複合固体。
29. 前記複合固体が化学的漂白に対して耐性がある、請求項１９から２８のいずれか一項に記載の複合固体。
30. 外側面と、前記外側面の下に配設された内部とを有する受け手を用意するステップであって、前記受け手が、少なくとも１つの非晶領域と、少なくとも１つの半結晶または結晶領域とを備えるステップと、
    染料を用意するステップと、
    前記受け手の前記外側面の少なくとも一部にエネルギーを適用することで、前記非晶領域と半結晶または結晶領域の間に一時的な隙間を形成させて、前記隙間を介して前記染料を前記受け手の内部に分散することができるステップと、
    前記外側面の一部に適用される前記エネルギーを削減して一時的な隙間をなくし、前記染料を前記受け手の前記外側面の下に閉じ込めるステップとを含む、特定の材料を染めるための方法。
31. 前記受け手が合成ポリマーである、請求項３０に記載の方法。
32. 前記受け手が繊維である、請求項３０又は３１に記載の方法。
33. 前記エネルギーが熱である、請求項３０から３２のいずれか一項に記載の方法。
34. 前記エネルギーが電磁放射である、請求項３０から３２のいずれか一項に記載の方法。
35. 前記エネルギーが赤外放射である、請求項３０から３２のいずれか一項に記載の方法。
36. 前記エネルギーが前記受け手のボソンピーク領域の範囲内である、請求項３０から３５のいずれか一項に記載の方法。
37. 前記染料が毛管作用によって前記受け手の内部に移動される、請求項３０から３６のいずれか一項に記載の方法。
38. 前記エネルギーが適用される間少なくとも半真空状態を適用するステップをさらに含む、請求項３０から３７のいずれか一項に記載の方法。
39. 前記エネルギーが前記受け手のボソンピーク領域を下回る量まで削減される際、前記受け手の内部にある前記染料が化学的漂白に対して耐性がある、請求項３０から３８のいずれか一項に記載の方法。
40. 特定の物質を特定の材料に適用するためのシステムであって、
    （ｉ）非晶領域と、（ｉｉ）少なくとも半結晶領域と、（ｉｉｉ）前記非晶領域と前記少なくとも半結晶領域の間に挿入された境界面領域とを含む材料を受け入れるように構成された装置と、
    前記材料の少なくとも一部に対して、前記境界面領域を一時的に透過性にするのに十分な量でエネルギーを放射するように構成されることで、前記材料の表面にある物質が前記境界面領域内に染み込むことができるエネルギー源とを備えるシステム。
41. 前記エネルギーの量が、前記材料のボソンピーク領域の範囲内である、請求項４０に記載のシステム。
42. 前記エネルギーが熱である、請求項４０または４１に記載のシステム。
43. 前記エネルギーが電磁放射である、請求項４０または４１に記載のシステム。
44. 前記エネルギーが赤外放射である、請求項４０または４１に記載のシステム。
45. 前記受け手が合成ポリマーである、請求項４０から４４のいずれか一項に記載のシステム。
46. 前記受け手が繊維である、請求項４０から４５のいずれか一項に記載のシステム。
47. 前記受け手が糸またはより糸である、請求項４０から４５のいずれか一項に記載のシステム。
48. 前記受け手がシャツまたはパンツである、請求項４０から４５のいずれか一項に記載のシステム。
49. 前記物質が染料である、請求項４０から４５のいずれか一項に記載のシステム。
50. 前記物質が医薬品である、請求項４０から４５のいずれか一項に記載のシステム。
51. 前記境界面領域が１つまたは複数のトンネルの形成によって透過性になる、請求項４０から５０のいずれか一項に記載のシステム。
52. 前記装置がさらに、前記エネルギーが適用される間、前記材料の表面に少なくとも半真空状態を形成するように構成される、請求項４０から５１のいずれかに記載のシステム。
53. 前記エネルギー源から放射されるエネルギーの量を制御するように構成された制御装置をさらに備える、請求項４０から５２のいずれか一項に記載のシステム。
54. 前記制御装置が、前記物質の少なくとも一部が前記境界面領域内に染み込んだ後、放射されるエネルギーの量を削減し、これにより前記境界面領域を非透過性にするように構成される、請求項５３に記載のシステム。
55. 前記装置がさらに、前記物質を含むドナーを受入れるように構成される、請求項４０から５３のいずれか一項に記載のシステム。
56. 前記エネルギーが、７５０ｎｍから１４００ｎｍの間の波長を有する近赤外放射である、請求項４０から４１または４５から５３のいずれか一項に記載のシステム。

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