TWI627327B - 超臨界流體軋製或捲繞材料加工 - Google Patents

超臨界流體軋製或捲繞材料加工 Download PDF

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Abstract

本發明的方法是有關於使用超臨界流體來執行對材料染 色使得來自第一材料的染料用於對第二材料染色。使超臨界流體穿過加壓容器中的第一材料。超臨界流體將來自第一材料的染料輸送至至少第二材料，以使得第二材料的染料特性曲線因來自第一材料的染料散佈於第二材料上而改變。

Description

超臨界流體軋製或捲繞材料加工 [相關申請案的交叉參考]
本申請案就主題而言與以下申請案相關：1)於2015年2月20日提出申請的且名稱為以超臨界流體對捲繞材料染色(Dyeing of Spooled Material with a Supercritical Fluid)的美國專利申請案62/119,015、以及2)於2015年2月20日提出申請的且名稱為以超臨界流體對軋製材料均衡染色(Equilibrium Dyeing of Rolled Material with a Supercritical Fluid)的美國專利申請案62/119,010。前述申請案全部併入本案供參考。
本發明是有關於以超臨界流體對例如織物及/或紗線等材料進行處理、染色、及處置。
傳統的對材料的染色依靠大量的水進行，此可不利於淡水供應且亦可導致不期望的化學品進入廢水流。因此，已探索使用超臨界流體來作為對傳統水染色製程的替代。然而，在染色製程中使用例如二氧化碳(carbon dioxide，CO2)等超臨界流體(supercritical fluid，SCF)已遭遇多個挑戰。舉例而言，染料材 料與超臨界流體的交互作用(包括溶解度、引入、分散、循環、沈積)以及對所述交互作用的表徵皆對以超臨界流體進行染色的工業規模實現帶來了問題。於2000年1月13日提出申請並授予北卡羅萊納州立大學(North Carolina State University)的亨德裏克斯(Hendrix)等人的美國專利6,261,326(’326專利)嘗試提出先前所探索的對超臨界流體與染料材料交互作用的解決方案。所述’326專利嘗試以單獨的製備容器來補救交互作用的併發問題(complication)，所述單獨的製備容器用於將染料引入超臨界流體並接著將染料與超臨界流體的溶液轉移至紡織物處置系統以對材料染色。在’326專利的實例中，將染料連同超臨界流體引入包含待染色的材料的容器中，此可增加製程及系統的零件的複雜度。
本發明的方法及系統是有關於使用超臨界流體來執行對材料染色，使得來自第一材料的染料(其可為著色劑或其他材料加工物)用於對共用容器內的第二材料染色。使無染料的超臨界流體穿過加壓容器中的第一材料。超臨界流體將來自第一材料的染料輸送至至少第二材料，以使得第二材料的染料特性曲線因染料散佈於第二材料上而改變。第一材料可接觸壓力容器內的第二材料或與所述第二材料物理地分開。此外，在示例性態樣中，第一材料的染料在染色製程開始時與第一材料成一體。
100‧‧‧染料
101‧‧‧染料
102‧‧‧第二材料
104‧‧‧捲繞材料
106‧‧‧超臨界流體二氧化碳
108‧‧‧染料材料
110‧‧‧超臨界流體二氧化碳
112‧‧‧染料材料
114‧‧‧染料材料
116‧‧‧染料材料
118‧‧‧超臨界流體二氧化碳
120‧‧‧第一表面
122‧‧‧第二表面
124‧‧‧第一表面
126‧‧‧第二表面
204‧‧‧材料保持元件
206‧‧‧捲繞材料
207‧‧‧捲繞材料
208‧‧‧第二材料
209‧‧‧第二材料
300‧‧‧流程圖
302、304、306、308、310‧‧‧方框
400‧‧‧流程圖
402、404、406、408‧‧‧方框
500‧‧‧流程圖
502、504、506‧‧‧方框
508‧‧‧流程圖
510、512、514、516、518‧‧‧方框
602‧‧‧溫度
604‧‧‧壓力
606‧‧‧固相
608‧‧‧液相
610‧‧‧氣相
612‧‧‧超臨界流體相
614‧‧‧臨界點
1102‧‧‧第一材料
1104‧‧‧第二材料
1106‧‧‧超臨界流體二氧化碳
1108‧‧‧染料材料
1110‧‧‧超臨界流體二氧化碳
1112‧‧‧染料材料
1114‧‧‧染料材料
1116‧‧‧染料材料
1118‧‧‧超臨界流體二氧化碳
1120‧‧‧第一表面
1122‧‧‧第二表面
1124‧‧‧第一表面
1126‧‧‧第二表面
1204‧‧‧軸
1206‧‧‧第一材料
1207‧‧‧第一材料
1208‧‧‧第二材料
1209‧‧‧第二材料
1300‧‧‧纏繞物
1302‧‧‧超臨界流體二氧化碳
1304‧‧‧超臨界流體二氧化碳+染料
1306‧‧‧超臨界流體二氧化碳+染料
1400‧‧‧流程圖
1401‧‧‧纏繞物
1402、1403、1404、1406、1408、1410、1412‧‧‧方框
1405‧‧‧超臨界流體二氧化碳+染料
1407‧‧‧超臨界流體二氧化碳
在本文中參照附圖詳細地闡述本發明，在附圖中：圖1是繪示根據本文的態樣，藉由超臨界流體將染料自第二材料轉移至捲繞材料的示例性說明圖。
圖2是繪示根據本文的態樣，藉由超臨界流體將染料自第一材料轉移至第二材料的示例性說明圖。
圖3繪示根據本文的態樣，用於散佈(perfuse)更多種材料加工物中的一者的呈接觸佈置的示例性材料。
圖4繪示根據本文的態樣，用於散佈更多種材料加工物中的一者的呈非接觸佈置的示例性材料。
圖5繪示根據本文的態樣，呈接觸佈置的示例性材料。
圖6繪示根據本文的態樣，呈非接觸佈置的示例性材料。
圖7繪示根據本文的態樣，環繞軸連續纏繞的兩種材料。
圖8繪示根據本文的態樣，環繞軸同時纏繞的材料。
圖9繪示根據本文的態樣，二氧化碳的溫度及壓力相圖。
圖10繪示根據本文的態樣，表示一種使用超臨界流體對捲繞材料施加染料的示例性方法的流程圖。
圖11繪示根據本文的態樣，表示一種使用超臨界流體對捲繞材料施加材料加工物的示例性方法的流程圖。
圖12繪示根據本文的態樣，表示一種使用超臨界流體對捲繞材料施加第一材料加工物及第二材料加工物的示例性方法的流程圖。
圖13繪示根據本文的態樣，說明一種以超臨界流體對材料染 色的方法的流程圖。
圖14繪示根據本文的態樣，說明另一種以超臨界流體對材料染色的方法的流程圖。
本發明的方法是有關於使用超臨界流體來執行對材料染色，使得來自第一材料的染料(其可為著色劑或其他材料加工物)用於對共用容器內的第二材料染色。使超臨界流體穿過加壓容器中的第一材料。超臨界流體將來自第一材料的染料輸送至至少第二材料，以使得第二材料的染料特性曲線因染料散佈於第二材料上而改變。第一材料可接觸壓力容器內的第二材料或與所述第二材料物理地分開。此外，在示例性態樣中，第一材料的染料在染色製程開始時與第一材料成一體。
本發明的方法亦有關於藉由以下方式對材料染色：將具有第一染料特性曲線的至少第一犧牲材料及具有第二染料特性曲線的目標材料定位於共用壓力容器中，使得第一犧牲材料不接觸目標材料。繼續進行所述方法，以將二氧化碳引入壓力容器內使得二氧化碳在位於壓力容器中的同時達成超臨界流體狀態。使用超臨界流體二氧化碳將來自第一犧牲材料染料特性曲線的染料散佈於目標材料上，其中在引入二氧化碳之前來自第一犧牲材料的染料與第一犧牲材料成一體。其他態樣更設想在達成二氧化碳的超臨界流體狀態之前將具有第三染料特性曲線的第二犧牲材料定位於壓力容器中，且然後在將來自第一犧牲材料染料特性曲線的 染料散佈於目標材料上的同時將來自第二犧牲材料染料特性曲線的染料散佈於目標材料上。
所設想的其他示例性方法是有關於藉由以下方式對材料染色：將具有第一染料特性曲線的至少第一犧牲材料及具有第二染料特性曲線的目標材料定位於共用壓力容器中，使得第一犧牲材料接觸目標材料。所述方法包括：將二氧化碳引入壓力容器內使得二氧化碳在位於壓力容器中的同時達成超臨界流體狀態。使用超臨界流體二氧化碳將來自第一犧牲材料染料特性曲線的染料散佈於目標材料上。其他態樣設想在達成超臨界流體狀態之前將具有第三染料特性曲線的第二犧牲材料定位於壓力容器中，且在將來自第一犧牲材料染料特性曲線的染料散佈於目標材料上的同時將來自第二犧牲材料染料特性曲線的染料散佈於目標材料上。
超臨界流體(SCF)二氧化碳(CO2)是表現出氣體及液體兩種特性的二氧化碳流體狀態。超臨界流體二氧化碳具有類液體密度(liquid-like densities)及類氣體低黏度(gas-like low viscosities)以及擴散性質。超臨界流體的類液體密度容許超臨界流體二氧化碳溶解染料材料及化學物質以用於最終對材料染色。相較於傳統以水為主的製程，類氣體黏度及擴散性質可例如加快染色時間與加快染料材料的分散。圖9提供突顯二氧化碳的例如固相606、液相608、氣相610、及超臨界流體相612等各種相的二氧化碳的壓力604及溫度602的圖。如圖所示，二氧化碳在約304凱氏度(degrees Kelvin)(即，87.53華氏度、30.85攝氏度) 及73.87巴(即，72.9大氣壓(atm))處具有臨界點614。通常而言，在高於臨界點614的溫度及壓力處，二氧化碳為超臨界流體相。
儘管本文的實例具體指代超臨界流體二氧化碳，但設想可使用處於或接近超臨界流體相的其他或替代組成物。因此，儘管本文中將具體參照二氧化碳作為組成物，但設想本文的態樣可適用於替代組成物及用於達成超臨界流體相的適當臨界點值。
可使用可商購獲得的機器(例如由荷蘭的DyeCoo紡織物系統BV(DyeCoo Textile Systems BV of the Netherlands)提供的機器(DyeCoo))來達成超臨界流體二氧化碳在染色製程中的使用。實作於傳統系統中的製程包括：將旨在進行染色的未染色材料放置於能夠加壓及加熱的容器中以達成超臨界流體二氧化碳。在保持貯存器中維持整體上與紡織物無關聯的粉末式染料物(例如，散粉)。將染料物保持貯存器放置於具有未染色材料的容器中，使得所述染料物在對容器加壓之前不接觸未染色材料。舉例而言，保持貯存器使染料物與未染色材料物理地分開。對容器加壓並施加熱能以使二氧化碳進入超臨界流體(或接近超臨界流體)狀態，所述超臨界流體(或接近超臨界流體)狀態使得染料物溶於超臨界流體二氧化碳中。在傳統系統中，藉由超臨界流體二氧化碳將染料物自保持貯存器輸送至未染色材料。然後使染料物遍佈未染色材料擴散以對未染色材料染色，直至超臨界流體二氧化碳相終止。
本文中的態樣是有關於一種染料均衡的概念，所述染料均衡為一種控制在材料上產生的染料特性曲線(profile)的方式。舉例而言，若第一材料具有可被闡述為紅色著色的染料特性曲線且第二材料具有可被闡述成不存在著色(例如，漂白或白色)的染料特性曲線，則以超臨界流體二氧化碳進行均衡染色的概念產生所述兩種染料特性曲線之間所嘗試的均等化，使得形成第一染料特性曲線的至少一些染料物自第一材料轉移至第二材料。此製程的施加包括：使用在其上及/或其中包含有染料物的犧牲材料(例如，被染色的第一材料)，所述犧牲材料用作載體以將具體染料物施加至旨在被所述犧牲材料的染料物染色的第二材料。舉例而言，在施加超臨界流體二氧化碳製程之後，第一材料與第二材料可分別具有彼此不同的所產生的染料特性曲線，同時亦具有與其相應初始染料特性曲線(例如，第一染料特性曲線及第二染料特性曲線)不同的染料特性曲線。此種真正均衡的缺乏可能是所期望的。在示例性態樣中，舉例而言，若第一材料為僅旨在作為染料載體的犧牲材料，則可執行所述製程直至第二材料達成所需染料特性曲線，而無論所產生的第一材料的染料特性曲線如何。
使用超臨界流體二氧化碳的染色製程的另一實例可被稱為加性染色製程(additive dyeing process)。有助於說明加性染色製程的實例包括具有表現出紅色著色的染料特性曲線的第一材料及具有表現出藍色著色的第二染料特性曲線的第二材料。超臨界流體二氧化碳有效地在第一材料及第二材料(及/或第三材料)上 產生表現出紫色著色(例如，紅色+藍色=紫色)的染料特性曲線。
如前所述，設想當容許均衡染色製程充分進行時，第一材料及第二材料可達成共同的染料特性曲線。在其他態樣中，設想第一材料與第二材料產生彼此不同的染料特性曲線，但所產生的染料特性曲線亦不同於每一相應材料的初始染料特性曲線。此外，設想第一材料可為犧牲染料轉移材料，而第二材料為需要目標染料特性曲線的材料。因此，可執行超臨界流體二氧化碳染色製程直至第二材料達成所需染料特性曲線，而無論第一材料的所產生染料特性曲線如何。此外，在示例性態樣中，設想可將具有第一染料特性曲線(例如，紅色)的第一犧牲材料染料載體及具有第二染料特性曲線(例如，藍色)的第二犧牲染料載體放置於系統中，以在第三材料上產生所需染料特性曲線(例如，紫色)。應理解，可變動材料、染料特性曲線、及其他所設想變數(例如，時間、超臨界流體二氧化碳體積、溫度、壓力、材料組成、及材料類型)的任何組合及數目，以達成本文所設想的結果。
本文中的態樣設想使用超臨界流體二氧化碳對一或多種材料染色(例如，以材料加工物進行處置)。在本文的態樣中設想彼此結合使用的二或更多種材料的概念。此外，設想在系統中引入對並非旨在用於傳統後處理利用(例如，服裝製造、鞋製造、鋪地毯、室內裝飾)的具有一體染料物的一或多種材料的使用，所述一或多種材料可被稱為犧牲材料或染料載體。此外，設想可使用任何染料特性曲線。可彼此結合地使用染料特性曲線的任何 組合，以在一或多種材料中達成任何所需染料特性曲線。在本文中將提供用於所揭露的方法及系統的其他特徵及製程變數。
在材料上達成所需染料特性曲線可受到多種因素的影響。舉例而言，若存在50公斤的第一材料(例如，捲繞或軋製材料)以及100公斤的第二材料，則當第二材料原始染料特性曲線不存在染料時，每重量的第一材料所產生的染料特性曲線可表達為第一染料特性曲線的原始顏色/強度/飽和度的1/3。作為另一選擇，在具有相同比例的材料但原始第二染料特性曲線具有與第一染料特性曲線相當的飽和度/強度且具有不同著色的情況下，第一染料特性曲線可表達為1/3X+1/3Y，其中X為原始第一染料特性曲線且Y為原始第二染料特性曲線(即，第一材料的重量/所有材料的重量)。以第二材料來看，使用所述前面的兩個實例所產生的染料特性曲線對於第一實例而言可為(2/3X)/2及對於第二實例而言可為(2/3 X+2/3 Y)/2(即，[第二材料的重量/所有材料的重量]*[第一材料的重量/第二材料的重量])。前面的實例僅用於說明目的，乃因應設想多種其他因素亦為相關的，例如可由經驗值表示的每公斤碼數、材料組成、染色製程長度、溫度、壓力、時間、材料孔隙率、材料密度、材料的纏繞張力、及其他變數。然而，前述內容旨在提供對預期均衡染色製程的理解以補充本文所提供的態樣。因此，所提供的實例及值並非為限制性的而是僅為示例性的。
現在參照圖1，即根據本文的態樣繪示藉由超臨界流體二 氧化碳而將染料100自第二材料102轉移至捲繞材料104的示例性說明圖。以超臨界流體二氧化碳引入至染色製程的材料可為任何材料，例如組成物(例如，棉花、羊毛、絲綢、聚酯、及/或耐綸)、基材(例如，織物及/或紗線)、產品(例如，鞋類及/或衣服)等。在示例性態樣中，第二材料102為具有第一染料特性曲線且由染料材料108構成的聚酯材料。染料特性曲線為可由顏色、強度、色調、染料物類型、及/或化學組成定義的染料特性或材料加工物特性。設想不存在大量染料物(例如沒有藉由染色方法或在上面施加的其他材料加工物的非自然著色)的材料亦具有闡述不存在染料的染料特性曲線。因此，無論與材料相關的著色、加工物、或染料如何，所有材料皆具有染料特性曲線。換言之，無論所執行(未執行)的顏色/材料加工製程如何，所有材料皆具有染料特性曲線。舉例而言，所有材料皆具有起始(starting)著色，而無論是否已對材料執行染色製程。
第二材料102具有第一表面120、第二表面122、及多種染料材料108。可為染料物的組成物/混合物的染料材料108出於論述目的而被繪示成粒狀構件；然而，染料材料108實際上可能在宏觀層面上無法與材料的下伏基材(underlying substrate)被個別地辨識出。此外，如將在下文所述，設想染料物可與所述材料成一體。一體染料物為以化學方式或物理方式與材料結合的染料物。一體染料物是相較於作為不以化學方式或物理方式與材料耦接的染料物的非一體染料物。非一體染料物的實例包括撒在及刷 在材料的表面上使得以最小的機械作用力便能被移除的乾粉式染料物。
在圖1處，僅出於論述目的而將超臨界流體二氧化碳106繪示為箭頭。儘管在圖1中如此繪示，但實際上超臨界流體二氧化碳在宏觀層面上無法單獨被辨識出。此外，染料材料112及116被繪示成分別由超臨界流體二氧化碳110及118轉移，但如所指出，此說明圖僅用於論述目的而非實際的按比例縮放的表示。
參照圖1，將超臨界流體二氧化碳106引入至第二材料102。超臨界流體二氧化碳106的初始引入與染料材料無關(例如，沒有溶解於其中的染料物)。在示例性態樣中，超臨界流體二氧化碳106自第一表面120穿過第二材料102至第二表面122。當超臨界流體二氧化碳106穿過第二材料102時，第二材料102的染料材料108(例如，染料物)變得與超臨界流體二氧化碳有關(例如，溶解於其中)，染料材料108被繪示成與超臨界流體二氧化碳110連接的染料材料112。第二材料102被繪示成具有第一染料特性曲線，所述第一染料特性曲線可由第二材料102的染料材料108造成。作為另一選擇，在示例性態樣中，設想超臨界流體二氧化碳的初始引入(或在任何時間)可將染料物自來源(例如，保持貯存器)輸送至第二材料102以加強第二材料的染料特性曲線，同時亦加強具有來自所述來源的染料物及第二材料102的捲繞材料104的染料特性曲線。
捲繞材料可為有效地用於編織、針織、編結、鉤編、縫 紉、刺繡等中的連續的類紗線材料。捲繞材料的非限制性實例包括紗線、線、繩索、帶、細絲、及繩。設想捲繞材料可圍繞捲軸(例如，圓錐形或圓柱形)纏繞，抑或捲繞材料在沒有幫助形成所產生纏繞形狀的第二支撐結構的情況下可圍繞其自身纏繞。捲繞材料的性質可為有機的或合成的。捲繞材料可為多批個別材料或單批材料。
在圖1中，捲繞材料104具有第一表面124及第二表面126。捲繞材料亦被繪示成具有第二染料特性曲線以及染料材料114。在示例性態樣中，染料材料114可為由已穿過第二材料102的超臨界流體二氧化碳轉移的染料物，並且/或者染料材料114為與前一操作中的捲繞材料104有關的染料物。
因此，圖1繪示超臨界流體二氧化碳染色操作，在所述超臨界流體二氧化碳染色操作中，超臨界流體二氧化碳自第一表面120穿過第二材料102至第二表面122，同時轉移來自第二材料的染料物(例如，將染料物溶解於超臨界流體二氧化碳中)，如由超臨界流體二氧化碳110輸送的染料材料112所示。捲繞材料104在第一表面124上接收超臨界流體二氧化碳(例如，110)。超臨界流體二氧化碳穿過捲繞材料104，同時容許染料材料(例如，114)對捲繞材料104染色。在示例性態樣中，對捲繞材料104染色的染料材料可為來自第二材料102的染料材料。更設想，對捲繞材料104染色的染料材料可為來自其他材料層或來源的染料材料。此外，超臨界流體二氧化碳(例如，超臨界流體二氧化碳118)可 穿過捲繞材料104，同時隨其轉移染料材料(例如，116)。此染料材料116可與另一材料層及/或第二材料102層沈積於一起。應理解，此可為其中因超臨界流體二氧化碳重複穿過材料層而在不同材料層上達成染料材料的均衡的循環。最後，在示例性態樣中，設想染料材料108、112、114、及116可在不同材料中無法區分及/或產生無法區分的染料特性曲線。換言之，由於各種染料物中的每一者在超臨界流體內具有不同的溶解度，因此超臨界流體穿過各種材料的流動會帶走並沈積所述染料物，以產生在宏觀層面上的(例如，在人眼看來)染料物的均質摻和。此循環可繼續直至例如在二氧化碳自超臨界流體狀態發生狀態變化時超臨界流體被自循環過程移除。
圖1為示例性的，且旨在用作對製程的說明而未按比例繪示。因此，在示例性態樣中，應理解，實際上對於通常觀察者而言，在沒有特殊設備的情況下，染料物(即，染料材料)、材料、及超臨界流體二氧化碳可能在宏觀層面上反而是看似無法區分。
現在參照圖2，即根據本文的態樣繪示藉由超臨界流體二氧化碳將染料101自第一材料1102轉移至第二材料1104的示例性說明圖。被引入以超臨界流體二氧化碳進行均衡染色的材料可為任何材料，例如組成物(例如，棉花、羊毛、絲綢、聚酯、及/或耐綸)、基材(例如，織物及/或紗線)、產品(例如，鞋類及/或衣服)等。在示例性態樣中，第一材料1102為具有第一染料特性曲線且由染料材料1108構成的聚酯材料。第一材料1102具有 第一表面1120、第二表面1122、及多種染料材料1108。可為染料物的組成物/混合物的染料材料1108出於論述目的而被繪示成粒狀構件；然而，實際上染料材料1108可能在宏觀層面上無法與材料的下伏基材被個別地辨識出。此外，如將在下文所述，設想染料物與材料成一體。一體染料物為以化學方式或物理方式與材料結合的染料物。一體染料物是相較於作為不以化學方式或物理方式與材料耦接的染料物的非一體染料物。非一體染料物的實例包括撒在及刷在材料的表面上使得以最小的機械作用力便能被移除的乾粉式染料物。
在圖2處，僅出於論述目的而將超臨界流體二氧化碳1106繪示為箭頭。實際上，超臨界流體二氧化碳在宏觀層面上無法如圖2所示被單獨辨識出。此外，染料材料1112及1116被繪示成分別由超臨界流體二氧化碳1110及1118轉移，但如所指出，此說明圖僅用於論述目的而非實際的按比例縮放的表示。
參照圖2，將超臨界流體二氧化碳1106引入至第一材料1102。超臨界流體二氧化碳1106的初始引入與染料材料無關(例如，沒有溶解於其中的染料物)。在示例性態樣中，超臨界流體二氧化碳1106自第一表面1120穿過第一材料1102至第二表面1122。當超臨界流體二氧化碳1106穿過第一材料1102時，第一材料1102的染料材料1108(例如，染料物)變得與超臨界流體二氧化碳有關(例如，溶解於其中)，染料材料1108被繪示成與超臨界流體二氧化碳1110連接的染料材料1112。第一材料1102被 繪示成具有第一染料特性曲線，所述第一染料特性曲線可由第一材料1102的染料材料1108造成。作為另一選擇，在示例性態樣中，設想超臨界流體二氧化碳的初始引入(或在任何時間)可將染料物自來源(例如，保持貯存器)輸送至第一材料1102以加強第一材料的染料特性曲線，同時亦加強具有來自來源的染料物及第一材料1102的第二材料1104的染料特性曲線。
第二材料1104具有第一表面1124及第二表面1126。第二材料亦被繪示成具有第二染料特性曲線以及染料材料1114。在示例性態樣中，染料材料1114可為由已穿過第一材料1102的超臨界流體二氧化碳轉移的染料物，並且/或者染料材料1114為與前一操作中的第二材料1104有關的染料物。
因此，圖2繪示超臨界流體二氧化碳染色操作，在所述超臨界流體二氧化碳染色操作中，超臨界流體二氧化碳自第一表面1120穿過第一材料1102至第二表面1122，同時轉移來自第一材料的染料物(例如，將染料物溶解於超臨界流體二氧化碳中)，如由超臨界流體二氧化碳1110輸送的染料材料1112所示。第二材料1104在第一表面1124上接收超臨界流體二氧化碳(例如，1110)。超臨界流體二氧化碳穿過第二材料1104，同時容許染料材料(例如，1114)對第二材料1104染色。在示例性態樣中，對第二材料1104染色的染料材料可為來自第一材料1102的染料材料。更設想，對第二材料1104染色的染料材料可為來自其他材料層或來源的染料材料。此外，超臨界流體二氧化碳(例如，超臨 界流體二氧化碳1118)可穿過第二材料1104，同時隨其轉移染料材料(例如，1116)。此染料材料1116可與另一材料層及/或第一材料1102層沈積於一起。應理解，此可為其中因超臨界流體二氧化碳重複穿過材料層而在不同材料層上達成染料材料的均衡的循環。最後，在示例性態樣中，設想染料材料1108、1112、1114、及1116可在不同材料中無法區分及/或產生無法區分的染料特性曲線。換言之，由於各種染料物中的每一者在超臨界流體內具有不同的溶解度，因此超臨界流體穿過各種材料的流動會帶走及沈積所述染料物，以產生在宏觀層面上的(例如，在人眼看來)染料物的均質摻和。此循環可繼續直至例如在二氧化碳自超臨界流體狀態發生狀態變化時超臨界流體被自循環過程移除。
圖2為示例性的，且旨在用作對製程的說明而未按比例繪示。因此，在示例性態樣中，應理解，實際上對於通常觀察者而言，在未借助特殊設備的情況下，染料物(即，染料材料)、材料、及超臨界流體二氧化碳可能在宏觀層面上反而是看似無法區分。
此外，如本文中將提供，各態樣設想與材料成一體的染料物。在實例中，當染料物以物理方式或化學方式與材料結合時，所述染料物與材料成一體。在另一實例中，當染料物在材料上均質化時，所述染料物與材料成一體。染料物的均質化與染料物以非均勻方式施加於其上的材料(例如若僅將染料物撒在材料上或以其他方式鬆散地施加至材料)形成對比。與材料成一體的染料 物的實例為當染料物嵌入並維持於材料的纖維內時，例如當染料物散佈於材料上時。
本文所用的用語「散佈」為在材料上及/或遍佈整個材料塗佈、滲透、及/或擴散表面加工物(例如染料物)。將染料物散佈於材料上在例如熱壓釜等壓力容器中進行，此為在此項技術中所已知的。此外，超臨界流體及溶解於超臨界流體中的染料物可藉由循環幫浦在壓力容器內循環，此亦為此項技術中所已知的。超臨界流體藉由幫浦在壓力容器內的循環使得超臨界流體穿過壓力容器內的材料並環繞所述材料以使得被溶解的染料物散佈於材料上。換言之，當將其中溶解有染料物(例如，加工材料)的超臨界流體二氧化碳散佈於目標材料上時，所述染料物沈積於所述目標材料的一或多個部分上。舉例而言，聚酯材料在暴露至適於形成超臨界流體二氧化碳的條件時，可變為「打開的」以容許部分染料物保持嵌入形成聚酯材料的聚酯纖維中。因此，調整熱量、壓力、循環流動、及時間會影響超臨界流體、染料物、及目標材料。在所有所述變數相組合的情況下，當超臨界流體二氧化碳散佈於目標材料上時，可發生染料物遍佈整個材料上的沈積。
圖3繪示根據本文的態樣，支撐多種捲繞材料206及第二材料208的材料保持元件204。此實例中的所述多種捲繞材料206具有第一染料特性曲線。在示例性態樣中，所述第一染料特性曲線可為除材料的自然狀態之外不存在著色或其他表面加工物的特性曲線。所述多種捲繞材料206可為目標材料，即旨在用於例 如服裝或鞋類等商品中的材料。第二材料208可為具有一體染料物的犧牲材料。舉例而言，第二材料208可為先前所染色的(或以其他方式處置的)材料。
在與下文將論述的圖4形成對比的圖3中所示的實例中，第二材料208與捲繞材料206物理接觸。在此實例中，第二材料208的表面接觸捲繞材料206的表面。在示例性態樣中，物理接觸或由所述接觸提供的緊密接近提供在存在超臨界流體的情況下染料物自第二材料208至捲繞材料206的高效轉移。此外，在示例性態樣中，暴露至超臨界流體以用於染色目的的材料的物理接觸容許高效地使用壓力容器中的空間，使得材料的尺寸(例如，材料的卷材長度)可被最大化。
如用於示例性目的的圖3所示，第二材料208的體積顯著小於捲繞材料206。在此實例中，捲繞材料206為目標材料；因此，目標材料的體積的最大化可能為所期望的。由於某些壓力容器具有有限的體積，因此所述有限體積的由犧牲材料所佔用的一部分會限制可供目標材料使用的體積。因此，在示例性態樣中，犧牲材料(或多種犧牲材料)在定位於共用壓力容器中時具有較目標材料小的體積(例如，碼數)。此外，儘管繪示了示例性材料保持元件204，但設想，可實作保持元件的替代配置。
圖4繪示根據本文的態樣，亦支撐捲繞材料207及第二材料209的材料保持元件。儘管繪示捲繞材料207及第二材料209位於共用保持元件上，但設想，在替代示例性態樣中可使用物理 地分開的保持元件。捲繞材料207具有第一染料特性曲線且第二材料209具有第二染料特性曲線。具體而言，捲繞材料207或第二材料209中的至少一者具有一體染料物。與其中繪示多種材料緊密接近或物理接觸的圖3相反，圖4所示的材料彼此未直接接觸。在示例性態樣中，不存在物理接觸容許對至少一種材料的高效替代及操縱，而不存在對其他材料的顯著的物理操縱。舉例而言，若由具有包含第一著色的染料特性曲線的第二材料209來處置捲繞材料207以使得第二材料的染料物中的至少某些在超臨界流體染色製程中散佈於捲繞材料207上，則第二材料209可被移除並由具有不同染料特性曲線(例如，材料處置(例如DWR))的第三材料來替代，所述第三材料較佳繼第二材料209的染料物之後被散佈至捲繞材料207。換言之，圖4所示及大體論述的物理關係可在製造及處理方面為高效的，乃因可達成對材料的個別操縱。
在示例性態樣中，儘管繪示捲繞材料207及第二材料209位於共用材料保持元件204上，但設想捲繞材料207位於第一保持元件上而第二材料209位於與第一保持元件不同的第二保持元件上。
儘管在圖3及圖4中僅繪示兩種材料，但應理解可同時將任何數目的材料暴露至超臨界流體(或接近超臨界流體)。舉例而言，設想將二或更多種具有一體染料物的犧牲材料放置於具有旨在被散佈以犧牲材料的染料物的目標材料的共用壓力容器內。 此外，設想材料的數量並非僅限於在圖3或圖4中所示的該些比例。舉例而言，設想目標材料可具有較犧牲材料大得多的體積。此外，設想可調整犧牲材料的體積以達成所需要的目標材料的染料特性曲線。舉例而言，端視犧牲材料的染料特性曲線(例如，濃度、著色等)以及除目標材料的體積外所需要的目標材料的染料特性曲線而定，可調整犧牲材料的量以達成所需要的超臨界流體染色結果。類似地，設想根據在染色製程中所包括的材料的所需染料特性曲線及/或體積來調整第二材料(或第一材料)的染料特性曲線。
圖5繪示根據本文的態樣，支撐第一材料1206及第二材料1208的例如軸1204等材料保持元件。此實例中的第一材料1206具有第一染料特性曲線。在示例性態樣中，第一染料特性曲線可為除材料的自然狀態之外不存在著色的特性曲線。第一材料1206可為目標材料，即旨在用於例如服裝或鞋類等商品中的材料。第二材料1208可為具有一體染料物的犧牲材料。舉例而言，第二材料1208可為先前所染色的(或其他處置)材料。
在與下文將論述的圖6形成對比的圖5中所示的實例中，第二材料1208與第一材料1206物理接觸。在此實例中，第二材料1208的表面接觸第一材料1206的表面。在示例性態樣中，物理接觸或由所述接觸提供的緊密接近提供在超臨界流體的存在下染料物自第二材料1208至第一材料1206的高效轉移。此外，在示例性態樣中，暴露至超臨界流體以用於染色目的的材料的物 理接觸容許高效地使用壓力容器中的空間，使得材料的尺寸(例如，材料的卷材長度)可被最大化。
如用於示例性目的的圖5所示，第二材料1208的體積顯著小於第一材料1206。在此實例中，第一材料1206為目標材料；因此，目標材料的體積的最大化可為所期望的。由於某些壓力容器具有有限的體積，因此所述有限體積的由犧牲材料所佔用的一部分會限制可供目標材料使用的體積。因此，在示例性態樣中，犧牲材料(或多種犧牲材料)在定位於共用壓力容器中時具有較目標材料小的體積(例如，碼數)。儘管繪示第二材料1208相對於第一材料1206位於軸1204的外部位置上，但設想可相對於目標材料在軸1204上更向內地定位犧牲材料。此外，儘管繪示示例性軸1204，但設想可實作保持元件的替代配置。
圖6繪示根據本文的態樣，亦支撐第一材料1207及第二材料1209的例如軸1204等材料保持元件。儘管繪示第一材料1207及第二材料1209位於共用保持元件上，但設想在替代示例性態樣中可使用不同的保持元件。第一材料1207具有第一染料特性曲線且第二材料1209具有第二染料特性曲線。具體而言，第一材料1207或第二材料1209中的至少一者具有一體染料物。與其中繪示多種材料緊密接近或物理接觸的圖5相反，圖6所示的材料未直接彼此接觸。在示例性態樣中，不存在物理接觸容許對至少一種材料的高效替代及操縱，而不存在對其他材料的顯著的物理操縱。舉例而言，若由具有包含第一著色的染料特性曲線的第二材 料1209來處置第一材料1207以使得第二材料的染料物中的至少某些在超臨界流體染色製程中散佈於第一材料1207上，則第二材料1209可被移除並由具有不同染料特性曲線(例如，材料處置(例如DWR))的第三材料替代，所述第三材料較佳繼第二材料1209的染料物之後被散佈至第一材料1207。換言之，在示例性態樣中，圖6所示及大體論述的物理關係可在製造及處理方面為高效的，乃因可達成對材料的個別操縱。
儘管第一材料1207及第二材料1209被繪示成具有類似的材料體積，但設想第一材料1207可具有實質上較第二材料1209大的材料體積，在示例性態樣中第二材料1209可用作犧牲材料。此外，在示例性態樣中，儘管繪示第一材料1207及第二材料1209位於共用保持元件上，但設想第一材料1207位於第一保持元件上且第二材料1209位於與第一保持元件不同的第二保持元件上。
儘管在圖5及圖6中僅繪示兩種材料，但應理解可同時將任何數目的材料暴露至超臨界流體(或接近超臨界流體)。舉例而言，設想將二或更多種具有一體染料物的犧牲材料放置於具有旨在被散佈以犧牲材料的染料物的目標材料的共用壓力容器內。此外，設想材料的數量並非僅限於圖5或圖6中所示的該些比例。舉例而言，設想目標材料可具有較犧牲材料大得多的體積。此外，設想可調整犧牲材料的體積以達成所需要的目標材料的染料特性曲線。舉例而言，端視犧牲材料的染料特性曲線(例如，濃度、著色等)以及除目標材料的體積外所需要的目標材料的染料特性 曲線而定，可調整犧牲材料的量以達成所需要的超臨界流體染色結果。類似地，設想根據在染色製程中所包括的材料的所需染料特性曲線及/或體積來調整第二材料(或第一材料)的染料特性曲線。
如已在圖5及圖6中說明且如將在圖7及圖8中說明，設想圍繞保持裝置的第一材料及第二材料的各種接合。如前文所提供，第一材料1206及/或第二材料1208可為針織、機織、或以其他方式構造的任何材料織物。第一材料1206及/或第二材料1208可由任何有機的或合成的材料形成。在示例性態樣中，第一材料1206及/或第二材料1208可具有任何染料特性曲線。染料特性曲線可包括由任何染料物形成的任何染料類型。在示例性態樣中，第一材料1206及第二材料1208為聚酯機織材料。
超臨界流體二氧化碳容許以改質的被分散染料物對聚酯染色。此因超臨界流體二氧化碳及/或造成二氧化碳的超臨界流體狀態的條件使得材料的聚酯纖維溶脹而發生，所述溶脹使得染料物能夠擴散並滲入聚酯纖維的孔隙及毛細管結構。設想當材料中的一或多者的組成為纖維素時，可以類似方式使用反應性染料。在示例性態樣中，第一材料1206及第二材料1208是由共同材料類型形成使得染料物有效地用於對所述兩種材料染色。在替代態樣中，例如當所述材料中的一者作為染料載體而為犧牲性的時，所述染料物可具有較目標材料低的對犧牲材料的親和力，其可增大超臨界流體二氧化碳染色的速度。實例可包括：第一材料的性 質為纖維素的且第二材料為聚酯材料，且與第一材料有關的染料物為被分散染料類型，使得所述染料物具有較第一材料大的對聚酯材料(在此實例中)的親和力。在此實例中，可經歷縮短的染色時間以達成所需要的第二材料的染料特性曲線。
圖10繪示根據本文的態樣，一種對捲繞材料(例如圖1、圖3、及圖4中所示者)染色的示例性方法的流程圖300。在方框302處，將多種捲繞材料及第二材料定位於壓力容器中。在示例性態樣中，可將捲繞材料維持於固定設備上，所述固定設備容許多種捲繞材料同時定位於壓力容器中。此外，設想固定設備有效地用於將捲繞材料定位於相對於壓力容器的內壁以及相對於其他捲繞材料的適當位置中。在示例性態樣中，避免欲被散佈以材料加工物的材料接觸壓力容器的內壁容許所述材料被散佈以所述材料加工物。如前所述，在定位於容器中之前，可將捲繞材料圍繞軸纏繞。可藉由將作為共同分組的材料移動至壓力容器內而將所述材料定位於容器內。此外，設想可以各種方式(例如，以垂直方式、以堆疊方式、以水平方式、及/或以偏置方式)將材料維持於固定設備上。此外，設想可將材料維持於不同的固定裝置上並定位於共用壓力容器中。
在方框304處，可對壓力容器加壓。在示例性態樣中，將材料裝載至壓力容器中，且然後將壓力容器密封並加壓。為維持所添加的二氧化碳處於超臨界流體相，在示例性態樣中使壓力上升至高於臨界點(例如，73.87巴)。
無論以何種方式對壓力容器加壓，在方框306處，將超臨界流體二氧化碳引入壓力容器中。可藉由使維持於壓力容器中的二氧化碳自第一狀態(即，液體、氣體、或固體)過渡至超臨界流體狀態來引入此超臨界流體二氧化碳。正如所已知，可藉由達成足夠用於超臨界流體相改變的壓力及/或溫度來實現狀態改變。設想一或多個加熱元件用於使壓力容器的內部溫度上升至足夠的溫度(例如，304凱氏度、30.85攝氏度)。在示例性態樣中，一或多個加熱元件亦可在將二氧化碳引入壓力容器中時(或之前)加熱所述二氧化碳。
在方框308處，使超臨界流體二氧化碳穿過所述多種捲繞材料及第二材料中的每一者。在超臨界流體二氧化碳穿過可能具有不同染料特性曲線的材料的同時，染料物在各材料之間轉移並散佈於所述材料上。在示例性態樣中，將染料物溶解於超臨界流體二氧化碳中，使得超臨界流體二氧化碳用作染料物的溶劑及載體。此外，由於超臨界流體二氧化碳的溫度及壓力，因此所述材料可暫時性地變動(例如，膨脹、打開、溶脹)以更易於接受染料物的染色。
在示例性態樣中，設想超臨界流體二氧化碳的通過為其中例如在具有循環幫浦的閉合系統中超臨界流體二氧化碳穿過材料多次的循環。此循環正是可有助於達成染色的因素。在態樣中，使超臨界流體循環經過材料達一段時間(例如，60分鐘、90分鐘、120分鐘、180分鐘、240分鐘)，且然後藉由使溫度及/或壓力下 降而容許超臨界流體二氧化碳改變狀態(例如，變為液體二氧化碳)。在示例性態樣中，在二氧化碳自超臨界流體狀態改變狀態之後，染料物不再可溶解於非超臨界流體二氧化碳中。舉例而言，染料物可溶解於超臨界流體二氧化碳中，但當二氧化碳過渡至液體二氧化碳時，染料物不再可溶解於液體二氧化碳中。
在方框310處，自壓力容器提取所述多種捲繞材料及第二材料。在示例性態樣中，將壓力容器內的壓力降低至接近大氣壓力且自壓力容器重新捕獲二氧化碳以便可重新用於後續染色操作中。在實例中，在達成所述材料的一或多者的所需染料特性曲線之後，可將用於固定所述材料的固定設備移出容器。
儘管在圖10中論述及繪示了具體步驟，但設想可引入一或多個其他或替代步驟以達成本文的態樣。此外，設想所列出步驟中的一或多者可被一起省略以達成本文所提供的態樣。
圖11繪示根據本文的態樣的流程圖400，流程圖400繪示一種藉由犧牲材料對捲繞材料施加材料加工物的示例性方法。在方框402處，將具有表面加工物的犧牲材料及多種捲繞材料定位於共用壓力容器中。如前所述，所述定位可為手動的或自動的。亦可藉由移動共用固定設備來達成所述定位，所述共用固定設備供固定犧牲材料及/或所述多種捲繞材料中的一或多者以用於定位。設想犧牲材料在定位於壓力容器中時接觸捲繞材料或與所述捲繞材料物理地分開。
如前所述，設想犧牲材料的材料加工物可為著色劑(例 如，染料物)、親水性加工物、疏水性加工物、及/或抗菌加工物。如下文將在圖12中說明，設想多種犧牲材料可與所述多種捲繞材料同時定位於壓力容器內。作為另一選擇，設想犧牲材料可包含旨在施加至所述多種捲繞材料的多於一種材料加工物。在示例性態樣中，舉例而言，著色劑及親水性加工物兩者可由犧牲材料維持並藉由超臨界流體的散佈而被施加至捲繞材料。
在方框404處，將二氧化碳引入壓力容器中。二氧化碳在被引入時可處於液體狀態或氣體狀態。此外，設想在二氧化碳引入時壓力容器是封閉的以將二氧化碳維持於壓力容器內。壓力容器在二氧化碳被引入時可處於大氣壓力下。作為另一選擇，壓力容器在二氧化碳被引入時可高於或低於大氣壓力。
在方框406處，對壓力容器加壓以容許所引入的二氧化碳達成超臨界流體狀態(或接近超臨界流體狀態)。此外，設想對壓力容器(或在壓力容器內)施加熱能以幫助達成二氧化碳的超臨界流體狀態。如上文所述，圖9的狀態圖繪示用以達成超臨界流體狀態的溫度與壓力之間的趨勢。在態樣中，將壓力容器加壓至至少73.87巴。可藉由注入大氣空氣及/或二氧化碳直至壓力容器的內部壓力達到所需壓力(例如至少二氧化碳的臨界點壓力)來達成此加壓。
在方框408處，將來自犧牲材料的材料加工物中的至少一部分散佈於所述多種捲繞材料上。藉由超臨界流體二氧化碳將材料加工物轉移至所述多種捲繞材料。如前所述，超臨界流體二 氧化碳用作材料加工物自犧牲材料至所述多種捲繞材料的輸送機制。此可藉由使超臨界流體在壓力容器內循環(例如藉由循環幫浦)使得超臨界流體散佈於犧牲材料及所述多種捲繞材料兩者上而協助進行。設想材料加工物可至少部分地溶解於超臨界流體內，以容許所述材料加工物脫離與犧牲材料的結合而被沈積於所述多種捲繞材料上/內。為確保材料加工物施加至所述多種捲繞材料的一致性，材料加工物可與犧牲材料成一體，此確保預期量的材料加工物被引入壓力容器內。材料加工物的轉移可繼續進行直至足夠量的材料加工物散佈於捲繞材料上。
儘管在圖11中具體參照一或多個步驟，但設想可在達成本文所提供的態樣的同時實作一或多個其他或替代步驟。因此，可增添或省略方框同時仍保持處於本文的範圍內。
圖12繪示根據本文的態樣的流程圖500，流程圖500說明一種將來自第一犧牲材料及第二犧牲材料的至少兩種材料加工物施加至捲繞材料的方法。方框502繪示將捲繞材料、第一犧牲材料、及第二犧牲材料定位於共用壓力容器中的步驟。第一犧牲材料具有第一材料加工物及第二犧牲材料具有第二材料加工物。舉例而言，如以上所提供，設想第一材料加工物具有第一染料特性曲線且第二材料加工物具有第二染料特性曲線，其散佈於捲繞材料上時會產生第三染料特性曲線。前面的實例亦適用於此處，其中第一染料特性曲線為紅色著色劑且第二染料特性曲線為藍色著色劑，以使得當紅色著色劑及藍色著色劑兩者散佈於捲繞材料 上時所述捲繞材料呈現紫色著色。在替代實例中，第一材料加工物可為抗菌加工物且第二材料加工物可為疏水性材料加工物，使得捲繞材料在共同施加製程中需要所述兩種材料加工物，此縮短加工時間。儘管以組合方式提供具體材料加工物，但應認識到可同時將任何組合暴露至超臨界流體以施加至捲繞材料。
儘管論述了第一犧牲材料及第二犧牲材料，但可提供任何數目的犧牲材料。此外，設想第一犧牲材料的數量與第二犧牲材料的數量端視需要施加至捲繞材料的每一材料加工物的所需量而不同。此外，設想犧牲材料亦將維持來自壓力容器內的其他材料的材料加工物的一部分。因此，設想在確定欲添加至壓力容器中的表面加工物的數量時考慮到所有材料(包括犧牲材料在內)的體積。
在方框504處，對壓力容器加壓，使得壓力容器內的二氧化碳在壓力容器中達成超臨界流體狀態。然後，如在方框506中所示，超臨界流體有效地將第一犧牲材料的材料加工物及第二犧牲材料的材料加工物施用至捲繞材料。
儘管在圖12中具體參照一或多個步驟，但設想可在達成本文所提供的態樣的同時實作一或多個其他或替代步驟。因此，可增添或省略方框，同時仍保持處於本文的範圍內。
圖7繪示根據本文的態樣的多種材料的第一示例性纏繞物1300，其具有為了均衡染色而在軸1204上彼此接觸的表面。纏繞物1300是由軸1204、第一材料1206、及第二材料1208構成。 第一材料1206及第二材料1208被橫切以說明與軸1204的相對位置。在此種纏繞物中，在第二材料1208環繞第一材料1206纏繞之前，全部的第一材料1206環繞軸1204纏繞。換言之，超臨界流體二氧化碳1302在作為超臨界流體二氧化碳+染料1304穿過第二材料1208之前，超臨界流體二氧化碳1302實質上穿過第一材料1206的纏繞厚度。接著，超臨界流體二氧化碳以超臨界流體二氧化碳+染料1306的型態自第二材料1208排出，然後，可使超臨界流體二氧化碳+染料1306再循環經過一或多種額外或其他材料(例如，第一材料1206)。因此，在示例性態樣中，形成一種循環，於此循環中，超臨界流體二氧化碳+染料散佈於壓力容器內的材料上直至溫度或壓力被改變而導致超臨界流體改變狀態，在超臨界流體改變狀態時，染料物將與其在超臨界流體狀態改變時所接觸的材料成為一體。
在此所示實例中，第一材料1206的最後一圈暴露出與第二材料1208的第一圈的表面直接接觸的表面。換言之，纏繞物1300的所繪示連續軋製容許第一材料1206與第二材料1208之間有限的但可得的直接接觸。此直接接觸可與其中染料載體或染料物與待染色的材料物理地分開的替代態樣區隔。因此，在示例性態樣中，待染色材料與具有染料物的材料之間的直接接觸可減少染色時間並減少可能的清潔及維護次數。
圖8繪示根據本文的態樣的用於超臨界流體染色的第二示例性纏繞物1401，其中第二示例性纏繞物1401的多種材料在軸 1204上。纏繞物1401是由軸1204、第一材料1206、及第二材料1208構成。第一材料1206及第二材料1208被橫切以說明與軸1204的相對位置。在此種纏繞物中，第一材料1206與第二材料1208同時環繞軸1204纏繞。換言之，當所述兩種材料圍繞軸1204纏繞時每種材料的多圈與另一材料接觸，因此超臨界流體二氧化碳1407穿過第一材料1206與第二材料1208的交替層能容許所述材料之間的多重直接接觸。在此實例中，超臨界流體二氧化碳1407在所述材料之間轉移染料，並因染料物源與目標間的一致距離(例如，1個材料厚度距離)而在可能較短的循環中達成染料物的轉移。超臨界流體二氧化碳+染料1405可自材料(例如，第二材料1208)排出以再循環經過材料並使染料物的均衡進一步擴展。
儘管在圖7及圖8中僅繪示兩種材料，但在額外示例性態樣中，設想任何數目的材料可以任何方式相對於彼此纏繞。此外，設想可對材料實作物理佈置的組合。舉例而言，可如圖7或圖8所示佈置二或更多種犧牲材料，而目標材料不接觸犧牲材料。換言之，根據本文的態樣，設想在用於共用超臨界流體染色製程的共用壓力容器中，一或多種材料可彼此物理接觸，而一或多種材料可彼此物理地分開。
圖13繪示根據本文的態樣，一種對材料均衡染色的示例性方法的流程圖508。在方框510處，將第一材料及第二材料定位於壓力容器中。如前所述，在定位於容器中之前，可將所述材料圍繞軸纏繞。可藉由將軋製於一起的材料移動至壓力容器中而定 位所述材料。此外，設想所述材料可以各種方式(例如，連續地、並行地)圍繞軸纏繞。此外，設想可將所述材料維持於不同的保持裝置上並定位於共用壓力容器中。
在方框512處，可對壓力容器加壓。在示例性態樣中，將所述材料裝載至壓力容器中，且然後將壓力容器密封並加壓。為維持所添加的二氧化碳處於超臨界流體相，在示例性態樣中，使壓力上升至高於臨界點(例如，73.87巴)。
無論以何種方式對壓力容器加壓，在方框514處，將二氧化碳引入(或再循環)至壓力容器中。可藉由使維持於壓力容器中的二氧化碳自第一狀態(即，液體、氣體、或固體)過渡至超臨界流體狀態來引入此種二氧化碳。正如所知，可藉由達成足夠用於超臨界流體相改變的壓力及/或溫度來達成所述狀態改變。設想一或多個加熱元件用於使壓力容器的內部溫度上升至足夠的溫度(例如，304凱氏度、30.85攝氏度)。在示例性態樣中，當二氧化碳被引入壓力容器中時(或之前)，一或多個加熱元件亦可(或作為另一選擇)加熱所述二氧化碳。二氧化碳的引入可在加壓期間、在加壓之前、及/或後續加壓之後發生。
在方框516處，使超臨界流體二氧化碳穿過第一材料及第二材料。在示例性態樣中，將超臨界流體二氧化碳泵送至供所述材料中的一或多者纏繞的軸中。超臨界流體二氧化碳自軸排出至所述材料中。當超臨界流體二氧化碳穿過可能具有不同染料特性曲線的材料時，染料物在各材料之間轉移並散佈於所述材料 上。在示例性態樣中，染料物溶解於超臨界流體二氧化碳中，使得超臨界流體二氧化碳用作染料物的溶劑及載體。此外，由於超臨界流體二氧化碳的溫度及壓力，因此所述材料可暫時性地變動(例如，膨脹、打開、溶脹)，以更易於接受染料物的染色。
在示例性態樣中，設想超臨界流體二氧化碳的通過是其中例如在具有循環幫浦的閉合系統中超臨界流體二氧化碳穿過材料多次的循環。此循環正是可有助於達成染色的因素。在態樣中，使超臨界流體循環經過材料達一段時間(例如，60分鐘、90分鐘、120分鐘、180分鐘、240分鐘)，且然後藉由使溫度及/或壓力下降而容許超臨界流體二氧化碳改變狀態(例如，變為液體二氧化碳)。在示例性態樣中，在二氧化碳自超臨界流體狀態改變狀態之後，染料物不再可溶解於非超臨界流體二氧化碳中。舉例而言，染料物可溶解於超臨界流體二氧化碳中，但當二氧化碳過渡至液體或氣體二氧化碳時，染料物可能不再可溶解於液體或氣體二氧化碳中。更設想使二氧化碳在內部循環(例如，穿過材料保持器或軸)及/或使二氧化碳隨著重新捕獲過程而循環以減少在相變(例如，減壓)期間損耗的二氧化碳。
在方框518處，自壓力容器提取第一材料及第二材料。在示例性態樣中，將壓力容器內的壓力降低至接近大氣壓力且自壓力容器重新捕獲二氧化碳以便可能重新用於後續染色操作中。在實例中，在達成所述材料中的一或多者的所需染料特性曲線之後，可將上面纏繞有材料的軸移出容器。
儘管在圖13中論述及繪示了具體步驟，但設想可引入一或多個額外或替代步驟以達成本文的態樣。此外，設想所列出步驟中的一或多者可一起省略以達成本文所提供的態樣。
圖14繪示根據本文的態樣的流程圖1400，其為一種用於以超臨界流體二氧化碳對材料染色的方法。所述方法具有至少兩個不同的起始定位(starting position)。如在方框1402所示的第一途徑為環繞軸的第一材料的纏繞物。在方框1404處，第二材料環繞來自方框1402的第一材料纏繞。方框1402及方框1404可產生與在圖7或圖8中大體所繪示的纏繞物類似的纏繞物。
在替代方式中，圖14的第二起始定位在方框1403處表示為第一材料圍繞例如軸等保持裝置的纏繞物以及第二材料圍繞保持裝置的纏繞物，所述保持裝置可與供放置第一材料的保持裝置相同或不同。在方框1403處所示的步驟中，第一材料與第二材料不彼此物理接觸。方框1403所提供的步驟可產生在圖6中大體所繪示的材料定位。
在第一起始定位及第二起始定位中，如在方框1406處所示使多種材料以一種方式或另一種方式圍繞一或多個保持裝置纏繞以定位於共用壓力容器中。
在方框1408處，將壓力容器加壓至至少73.87巴。可藉由注入大氣空氣及/或二氧化碳直至壓力容器的內部壓力達到所需壓力(例如至少二氧化碳的臨界點壓力)來達成此加壓。舉例而言，將二氧化碳添加至具有幫浦的壓力容器中直至在壓力容器內 達成適當壓力。
在方框1410處，使超臨界流體二氧化碳穿過第一材料及第二材料以使得第一材料或第二材料中的至少一者的染料特性曲線改變。染料轉移可繼續直至染料物充分散佈於材料上以達成所需染料特性曲線。在示例性態樣中，設想內部再循環幫浦有效地使超臨界流體二氧化碳循環經過所述軸以及被纏繞材料多次以達成均衡染色。可調整此內部再循環幫浦以達成所需要的超臨界流體二氧化碳的流動速率。內部再循環幫浦所提供的流動速率可受材料量、材料的密度、材料的滲透率等影響。
在方框1412處，自壓力容器提取第一材料及第二材料，使得所述材料的顏色特性曲線(例如，染料特性曲線)不同於存在於方框1402、1403、或1404處的材料的顏色特性曲線。換言之，在超臨界流體二氧化碳完成穿過所述材料時，所述材料中的至少一者的染料特性曲線發生變化以反映所述材料中的所述至少一者已藉由超臨界流體二氧化碳而被染色。
儘管在圖14中具體參照一或多個步驟，但設想可在達成本文所提供的態樣的同時實作一或多個額外或替代步驟。因此，可增添或省略方框同時仍保持處於本文的範圍內。
製程
在材料染色或加工應用中使用超臨界流體二氧化碳的製程依賴於對多個變數的操縱。所述變數包括時間、壓力、溫度、二氧化碳的數量、及二氧化碳的流動速率。此外，製程中存在多 個階段，可以操縱各階段中的一或多個變數以達成不同結果。該些階段中的三者包括加壓階段、散佈階段、及減壓階段。在示例性情景中，將二氧化碳引入密封的壓力容器中，其中溫度及壓力升高使得二氧化碳被抬升至至少304凱氏度及73.87巴的臨界點。在此傳統製程中，進行對待加工的材料進行散佈的第二階段。可設定並維持流動速率且確立第二階段的時間。最後，在傳統製程中的第三階段處，停止流動速率，終止熱能的施加，且降低壓力，所有上述者實質上同時進行以使二氧化碳自超臨界流體過渡至氣體。
對傳統製程的改良能夠藉由調整不同的變數來實現。具體而言，調整階段期間變數變化的順序及定時會提供更佳的結果。舉例而言，傳統製程可使得材料加工物(例如，染料物)塗佈壓力容器的內表面。壓力容器的塗佈是低效率的及不期望的，乃因壓力容器的塗佈表示材料加工物未遍佈散佈於預期材料且需要後續清潔來確保材料加工物不會散佈至並非所預期的後續材料中。在第三階段起始時停止流動速率導致二氧化碳及溶解於其中的材料加工物在壓力容器內停滯。當二氧化碳自超臨界流體過渡至氣體時，由於材料加工物在相變時自二氧化碳溶液析出，故此停滯環境中的材料加工物可能未找到合適的宿主來附著。因此，壓力容器自身(而非目標材料)可變成表面加工物的目標。對變數的操縱可使得材料加工物能夠有利於黏附/結合/塗佈預期目標材料而非壓力容器自身。
在第三階段中，設想維持或不終止流動速率直至二氧化碳自超臨界流體變為氣體狀態。舉例而言，若壓力容器內的壓力在散佈階段期間在100巴下運作，則二氧化碳可在第三階段中保持處於超臨界流體狀態直至壓力被降低至低於73.87巴。因此，當第二階段完成時，不停止二氧化碳的流動或顯著降低壓力容器內二氧化碳的流動速率，而是在第三階段中維持所述流動速率。在其他概念中，維持二氧化碳的流動速率直至壓力降低至低於73.87巴。
設想第三階段的至少兩種不同的情境。第一種情境是其中製程的第三階段在二氧化碳的溫度降低時起始的順序。舉例而言，在示例性態樣中，第二階段可在320凱氏度下運作，在第二階段完成時，容許溫度自320凱氏度的運作溫度下降。儘管在溫度開始下降時傳統製程亦可停止壓力容器內二氧化碳的流動，但可替代地，設想維持所述流動速率處於某一水準，直至至少所述溫度降至低於二氧化碳的臨界溫度，即304凱氏度。在此實例中，二氧化碳可保持為超臨界流體直至所述溫度降至低於304凱氏度；因此，維持流動速率以使二氧化碳及其中所溶解的材料加工物環繞目標材料移動。在此第一情境中，可將壓力維持於運作壓力(或高於73.87巴)，直至二氧化碳自超臨界流體變為另一狀態(例如，在高於73.87巴時為液體)。作為另一選擇，亦可容許壓力在第三階段開始時下降，但維持流動直至至少所述二氧化碳變為不同狀態。
第二情境儘管與第一情境類似但依賴於因壓力的下降而起始的第三階段。舉例而言，若壓力容器內用於散佈材料的運作壓力為100巴，則當壓力下降時起始第三階段。儘管傳統製程可在此時終止二氧化碳的流動速率，但可替代地，設想維持或不同時終止所述流動速率。相反地，在第三階段處，使二氧化碳流動直至壓力降低至低於至少73.87巴，以確保其中包含有被溶解的表面加工物的二氧化碳在二氧化碳處於超臨界流體狀態的整個時間內的階段。亦可使溫度隨著壓力下降而同時下降，或者可維持所述溫度直至達成某一壓力。
在示例性態樣中，使壓力及溫度朝二氧化碳臨界點下降而起始第三階段，但至少部分地維持二氧化碳的流動速率，直至二氧化碳已自超臨界流體狀態過渡。儘管列出了具體溫度及壓力，但設想可使用任何溫度或壓力。此外，在示例性態樣中，並非依賴二氧化碳來達成特定溫度或壓力，而是可使用時間來決定何時降低或終止二氧化碳流動速率。
對變數的操縱並非僅限於第三階段。設想可藉由在第一階段及第二階段中調整變數來達成表面加工物的更高的均衡飽和度。舉例而言，在二氧化碳自第一狀態(例如，氣體或液體)過渡至超臨界流體狀態之前，可能開始出現流動速率。在示例性態樣中，設想當二氧化碳過渡至超臨界流體狀態時，欲溶解於超臨界流體中的材料加工物被暴露至二氧化碳的非停滯池，以容許不久便發生溶液的均衡。類似地，設想在二氧化碳引入之前及/或在 二氧化碳的加壓開始之前，對壓力容器內部體積施加熱能。在示例性態樣中，由於熱能的轉移可因壓力容器的熱質量而減緩製程，因此設想在施加壓力之前進行添加熱能。
具有不同極性的吸收性材料加工物載體
本文所提供的犧牲材料可用作輸送載具以引入預期遍佈目標材料散佈的材料加工物(例如，染料物)。在示例性態樣中，材料加工物可溶解於二氧化碳超臨界流體中以使超臨界流體能夠溶解材料加工物以散佈於材料上。超臨界流體為非極性的；因此，可在二氧化碳超臨界流體處理系統中操作的材料加工物的化學性質為溶解於非極性溶液中的化學物質。舉例而言，適用於對聚酯材料染色的染料物可溶解於二氧化碳超臨界流體中但不溶解於水中。此外，適用於對聚酯染色的染料物可不具有與不同材料(例如，如棉花等有機材料)結合的適當化學性質。因此，設想將有機材料(例如，棉花)浸漬於欲施加至聚酯材料的材料加工物中。所浸漬的有機材料用作壓力容器內的載體材料。當執行二氧化碳超臨界流體製程時，材料加工物被二氧化碳超臨界流體溶解並遍佈聚酯材料散佈。將需要不同化學性質以用於材料加工物結合的有機材料不維持所述材料加工物，且因此材料加工物的預期量可供用於散佈於目標材料上。
在實例中，棉花材料用作染料物的輸送載具以對聚酯材料染色。在此實例中，在二氧化碳超臨界流體製程中期望對150公斤的聚酯染色。若總目標重量的1%表示達成所需著色所需要的 染料物的量，則需要將1.5公斤的染料物散佈至聚酯中以達成所需著色。可在具有5公斤水的水溶液中稀釋1.5公斤的染料物。因此，染料物溶液為10公斤。在此示例性態樣中，由於染料物具有適於溶解於非極性二氧化碳超臨界流體中的化學性質，因此染料物僅懸浮於水中而非溶解於水中。棉花具有高吸收性。舉例而言，棉花可能夠吸收達其重量的25倍。因此，為吸收10公斤的染料物溶液，0.4公斤的棉花(10/25=0.4)可用作載體。然而，設想可使用更大部分的棉花來達成對染料物溶液的輸送。在示例性態樣中，設想棉花具有按重量計30%的吸收率。在以上使用按重量計30%的吸收率的實例中，使用33.3公斤棉花以攜帶10公斤的染料物溶液。應理解，可調整溶液量、染料物的量、及吸收量以達成欲包含於用於染色製程的壓力容器中的材料的所需量。
當應用於具體材料加工實例時，設想將具有與目標材料不同的結合化學性質的材料(例如，棉花對聚酯)浸沒或以其他方式浸漬於材料加工物溶液中。然後將所浸漬的載體材料放置於壓力容器中。可將所浸漬的載體放置於支撐結構上或環繞目標材料包繞。可起始二氧化碳超臨界流體加工的製程。使二氧化碳超臨界流體環繞並穿過載體材料並且溶解材料加工物以使材料加工物散佈於目標材料上。在材料加工物施加完成時，使二氧化碳自超臨界流體狀態過渡至氣體狀態(在示例性態樣中)。在示例性態樣中，對載體材料不具有結合化學性質的材料加工物被吸引至目標材料並由目標材料維持。因此，在示例性態樣中，在加工製程 完成時，材料加工物被施加至目標材料，且載體材料幾乎不存在材料加工物。
應理解，某些特徵及子組合為有用的，且無需參照其他特徵及子組合便可被採用。此依據申請專利範圍的範圍進行設想並處於申請專利範圍的範圍內。
儘管彼此相結合地論述了具體元件及步驟，但應理解，設想無論是否對其作出明確規定，本文所提供的任何元件及/或步驟可與任何其他元件及/或步驟進行組合，同時仍處於本文所提供的範圍內。由於可在不背離本發明的範圍的條件下對本發明作出諸多可能的實施例，因此應理解，本文中所述或附圖中所示的所有內容皆被解釋為說明性的而不具有限制性意義。
本文及結合下文所列申請專利範圍所用的術語「申請專利範圍中的任一項」或所述術語的類似變型旨在被解釋成申請專利範圍的特徵可以任何組合形式加以組合。舉例而言，示例性申請專利範圍第4項可指示申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的方法/設備，其旨在被解釋成申請專利範圍第1項及申請專利範圍第4項的特徵可加以組合，申請專利範圍第2項及申請專利範圍第4項的元件可加以組合，申請專利範圍第3項及申請專利範圍第4項的元件可加以組合，申請專利範圍第1項、申請專利範圍第2項、及申請專利範圍第4項的元件可加以組合，申請專利範圍第2項、申請專利範圍第3項、及申請專利範圍第4項的元件可加以組合，申請專利範圍第1項、申請專利範圍第2項、 申請專利範圍第3項、及申請專利範圍第4項的元件可加以組合及/或其他變型。此外，術語「申請專利範圍中的任一項」或所述術語的類似變型旨在包括「申請專利範圍中的任一者」或此種術語的其他變型，如由以上所提供的實例中的某些所指示。

Claims (20)

  1. 一種對材料染色的方法，所述方法包括：將具有第一染料特性曲線的至少第一材料及具有第二染料特性曲線的第二材料定位於壓力容器中，其中所述第一材料為固態材料；將二氧化碳(CO2)引入所述壓力容器內，使得所述二氧化碳在位於所述壓力容器中的同時達成超臨界流體(SCF)狀態；以及以超臨界流體二氧化碳將來自第一材料染料特性曲線的染料散佈於所述第二材料上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述第二材料是捲繞材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述第二材料是軋製材料。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述第一材料接觸所述第二材料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括：環繞軸纏繞所述第一材料；以及在環繞所述軸纏繞所述第一材料之後，環繞所述第一材料纏繞所述第二材料。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括：環繞共用軸同時纏繞所述第一材料及所述第二材料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括：在引入所述二氧化碳之前，將具有第三染料特性曲線的第三材料定位於所述壓力容器中；以及在將來自所述第一材料染料特性曲線的所述染料散佈於所述第二材料上的同時以超臨界流體二氧化碳將來自第三材料染料特性曲線的染料散佈於所述第二材料上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中在引入所述二氧化碳之前將所述第一染料特性曲線的染料均質化於所述第一材料上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述第二染料特性曲線是所述第二材料上不存在染料時的染料特性曲線。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中所述第一染料特性曲線的所述染料包含選自以下中的至少一者：著色劑；親水性加工物；疏水性加工物；以及抗菌加工物。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括：將所述壓力容器加壓至至少73.87巴(7.387百萬帕斯卡)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述第一材料是由有機材料構成。
  13. 一種對材料染色的方法，所述方法包括：將具有第一染料特性曲線的第一犧牲材料及具有第二染料特性曲線的目標材料定位於壓力容器中，使得所述第一犧牲材料接觸所述目標材料，其中所述第一犧牲材料為固態材料；將二氧化碳(CO2)引入所述壓力容器內，使得所述二氧化碳在位於所述壓力容器中的同時達成超臨界流體(SCF)狀態；以及以超臨界流體二氧化碳將來自所述第一犧牲材料的所述第一染料特性曲線的染料散佈於所述目標材料上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的方法，更包括：在達成所述超臨界流體狀態之前，將具有第三染料特性曲線的第二犧牲材料定位於所述壓力容器中；以及在將來自所述第二染料特性曲線的染料散佈於所述目標材料上的同時，將來自所述第三染料特性曲線的染料散佈於所述目標材料上。
  15. 如申請專利範圍第13項至第14項中任一項所述的方法，其中所述目標材料是軋製材料。
  16. 如申請專利範圍第13項至第14項中任一項所述的方法，其中所述目標材料是捲繞材料。
  17. 如申請專利範圍第13項至第14項中任一項所述的方法，其中所述第一犧牲材料由棉花構成。
  18. 如申請專利範圍第13項至第14項中任一項所述的方法，其中來自所述第二染料特性曲線的所述染料在溶解於超臨界流體二氧化碳中時對所述目標材料的結合親和力大於對所述第一犧牲材料的結合親和力。
  19. 一種施加材料加工物的方法，所述方法包括：將目標材料及具有材料加工物的第二材料定位於壓力容器中，其中所述第二材料為固態材料；將二氧化碳(CO2)引入所述壓力容器內；將所述壓力容器加壓至至少73.87巴，其中所述二氧化碳在位於所述壓力容器中的同時達成超臨界流體(SCF)狀態；在達成超臨界流體狀態之前或之後起始所述二氧化碳的流動；使用超臨界流體二氧化碳將來自所述第二材料的材料加工物散佈於所述目標材料上；在維持二氧化碳的所述流動的同時降低所述壓力容器內的壓力；以及在所述壓力低於73.87巴之後降低所述二氧化碳的所述流動。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，其中所述材料加工物在溶解於超臨界流體二氧化碳中時對所述目標材料的結合親和力大於對所述第二材料的結合親和力。
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