專利名稱:包封的活性顆粒及其制備和使用方法
技術領域:
本發(fā)明涉及活性顆粒性能的保持。特別地,本發(fā)明涉及用可除去 的保護物質包封至少一部分活性顆粒的方法。 發(fā)明背景眾所周知, 一些顆??捎糜谠黾硬煌问降牟牧先鐨怏w、液體和 固體的性能性質。這些顆??删哂羞m于氣味吸附、濕氣控制、紫外光 保護、化學保護、生物危險性保護、阻燃、抗細菌保護、抗病毒保護、 抗真菌保護、抗微生物保護和其它因素及其組合的性能。這些顆??商峁┻@種性能,是因為它們具有"活性"?;钚灶w粒 之所以具有活性,是因為它們具有吸附或捕獲物質的能力,其中包括 本身可能是固體、液體和/或氣體的物質,例如花粉、水、丁烷和環(huán)境 空氣?;钚灶w粒具有吸附性能,是因為每種顆粒具有多個孔隙(例如數(shù) 量級為每一個顆粒數(shù)千、數(shù)萬或數(shù)十萬的孔隙)。正是這些孔隙提供具 有吸附能力的活性顆粒。例如,活性顆粒如活性炭可通過在活性炭的 孔隙內捕獲物質從而吸附物質(例如丁烷)。將活性顆粒暴露于物質下可因封閉或抑制孔隙,使活性顆粒過早 失活,從而降低活性顆粒的吸附能力。也就是說, 一旦孔隙被物質封 閉或抑制(inhibit),則那些被封閉或抑制的孔隙可阻止進一步的吸 附。然而,可通過除去封閉或抑制孔隙的這些物質來增加或恢復活性 顆粒的吸附能力。從而可再生(例如再活化)活性顆粒。與活性顆粒常常有關的常見問題是,它們可過早失活。當活性顆 粒過早失活時,顆粒不可能吸附最初打算吸收的物質,而是吸附一些 一一所需的物質。過早吸附的一些物質可能是有害物質。有害物質是不 可能容易地從活性顆粒中除去并因此降低活性顆粒進一步吸附能力的 物質。例如,有害物質如熔融聚合物可使活性顆粒過早失活。例如, 不可能在沒有破壞活性顆?;驀@活性顆粒周圍的物質的情況下除去 熔融聚合物。過早吸附的其它物質可相對容易地除去。也就是說,可采用不破 壞活性顆?;蛑車镔|的再生或再活化的已知方法,來除去這類物質。 例如,當非有害物質如甲烷被吸附時,可通過加熱顆粒從活性顆粒中 除去它。生產活性顆粒包含在其中的材料的進展已受到當制造這種材料時 遇到的不利條件限制。 一種這樣的方法包括,例如,擠塑工藝,該工 藝用于生產合成紗線的繩股。在擠塑工藝中,該工藝典型地以將基礎 材料如聚合物轉化成熔融混合物作為開始。然后,使用該熔融混合物, 通過擠塑裝置擠出所需材料(例如紗線)。然而,當活性顆粒被混合到 熔融混合物內時,熔融混合物可能因填充顆粒的孔隙導致活性顆粒失 活,從而抑制活性顆粒吸附的能力。已嘗試各種擠塑方法來防止活性顆粒失活,但所有方法產生無效或基本上削弱基礎材料的結果。使用活性炭的一種方法已導致約4wt% 活性炭包埋在其中作為活性物質的材料。然而,該方法要求活性炭的 高負載,以便產生紗線,該紗線具有最好也僅僅4%的活性出自于包埋 在紗線內的所有碳。負載必須大的紗線的缺點是,它導致?lián)碛谢钚蕴?(或顆粒)的物理特征,而不是生產紗線所使用的基礎材料的物理特征 的紗線。因此,使用該方法生成的紗線或織物具有碳(或顆粒)添加劑, 而不是基礎材料占主導的手感和觸感。此外,隨著碳(或顆粒)負載的 增加,基礎材料的拉伸強度下降,從而導致發(fā)脆和非拉伸的織物。鑒于前述問題,本發(fā)明的目的是保持具有可除去保護物質的活性 顆粒。另外,本發(fā)明的目的是除去可除去的保護物質,以便視需要再生 或再活化活性顆粒。本發(fā)明另 一 目的是提供用可除去的包封劑使之失活的活性顆粒, 以避免過早失活。發(fā)明概述通過用可除去物質(例如包封劑)使活性顆粒失活,以避免過早失 活,從而實現(xiàn)本發(fā)明的目的。在活性顆粒之上或與之一起使用的可除 去物質通過封閉或抑制活性顆粒的孔隙使活性顆粒失活。盡管可除去 物質可能取消或降低活性顆粒的吸附能力,但吸附能力的這種損失不 是永久的。因此,當從活性顆粒中除去可除去物質時,吸附能力增加 或恢復。換句話說,除去可除去物質導致活性顆粒的再生或再活化。用可除去物質使活性顆粒失活的一個優(yōu)點是,它可防止活性顆粒 過早吸附物質。若活性顆粒過早吸附物質(例如有害物質),或要么暴 露于影響吸附的不利條件下,則顆粒在有機會吸附所需物質之前可能 夫活了。過早失活可包括基于在非所需的早期發(fā)生的吸附導致的失活, 而不管所吸附物質是否有害、無害或甚至是所打算的目標物。例如,假設為了吸附物質"A"的目的而引入活性顆粒,但在活性顆粒可用于 該目的之前,活性顆粒因吸附物質"B"而過早失活,其中"B"是不 容易除去的物質。若已用可除去物質使活性顆粒失活,則活性顆粒不 可能過早吸附物質"B"。當可除去物質被施加到活性顆粒上時,它包封至少一部分活性顆 粒。因此,包封顆粒是以失活狀態(tài)存在的活性顆粒,且已用可除去物 質至少部分填充、覆蓋或密封,但一旦除去保護物質可再生或再活化。本發(fā)明另一優(yōu)點是,可在可除去物質施加到活性顆粒上之后,在 預定或所需的時間處,除去可除去物質。例如,若已知不存在可能引 起過早失活的物質。則可以除去可除去物質。在另一實例中,可以將 可除去物質無限期地施加在活性顆粒上,或者只要可除去物質實際上 可施加到活性顆粒上即可。
可除去物質可保持施加在活性顆粒上, 一直到施加一種或多種預 定條件或物質來除去可除去物質。例如,若可除去物質受到熱水的作 用,然后干燥,則可除去它。在另一實例中,施加熱或光可以除去可 除去物質。在沒有外部影響的情況下,可除去物質不可能被另一物質 替代,除非其它物質首先除去該可除去物質,或者特別地構造為除去 該可除去物質??沙ノ镔|能使包封顆粒經受可能引起過早失活的物質的作用。 例如,可在將顆粒引入或摻入到包埋物質內的方法中使用包封顆粒。 包埋物質可以是形式為固體、液體、氣體的物質或不同相的結合。若 在該方法中使用有害物質,則包封顆粒被保護避免過早失活。在包封顆粒摻入到包埋物質內之后,可除去至少一部分可除去物 質,再活化活性顆粒。 一旦除去可除去物質,則活性顆??山o予包埋 物質或材料性能增強的特征(例如,氣味吸附、濕氣控制等)。活性顆 粒除了賦予包埋物質的性能增強特征之外,還可摻入它,其方式使得 維持通常與活性顆粒摻入其中之前的包埋物質有關的手感和觸感、紋 理、耐久性、強度、拉伸性、粘度、壓縮性、膨脹性、相對密度以及 其它物理和化學性能。附圖簡述一旦考慮到下述詳細說明,并結合附圖,本發(fā)明的目的和優(yōu)點將 變得顯而易見,其中在整個說明書中,相同的參考符號是指相同的部件,和其中圖l示出了根據(jù)本發(fā)明原理包封的活性顆粒的截面視圖; 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明原理保持活性顆粒的方法的流程圖,其中 所述活性顆粒經受了可引起過早失活的物質的作用。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明原理將活性顆粒摻入到包埋物質內的流程圖4示出了根據(jù)本發(fā)明原理,具有包封顆粒包埋在其中的纖維剖 面的截面視圖;圖5示出了根據(jù)本發(fā)明原理,具有包封顆粒包埋在其中的纖維剖
面的截面視圖,其中在所述包封顆粒內,從伸到纖維外表面之外或暴露于環(huán)境溫度下的顆粒中除去可除去物質;圖6示出了根據(jù)本發(fā)明原理進行實驗獲得的數(shù)據(jù);和 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明原理進行另一實驗獲得的數(shù)據(jù)。 發(fā)明詳述活性顆粒是具有孔隙或陷阱的顆粒,它具有吸附形態(tài)為固體、液 體和/或氣相及其結合的物質的能力。這些孔隙的尺寸、形狀和數(shù)目可 隨活性顆粒的類型而變化。例如, 一些顆粒天然具有孔隙,如火山巖, 和可用極高的溫度和活化劑如氧氣處理其它顆粒如碳,以產生孔隙。活性顆粒是可吸附物質或具有吸附物質可能性的顆粒?;钚灶w粒 可以以失活狀態(tài)存在。盡管處于失活狀態(tài)下的活性顆粒的孔隙可被封 閉或抑制,防止吸附一些分子尺寸的物質,但這不意味著這些孔隙被 永久地排除吸附該物質?;钚灶w粒的這些孔隙可通過再活化或再生以 解除堵塞或者解除抑制。再活化或再生除去捕獲在活性顆??紫秲鹊?物質。然而,若有害物質被活性顆粒吸附,則再活化或再生不可能恢 復活性顆粒的吸附能力?;钚灶w??商峁┬再|增強性能如氣味吸附、濕氣控制、紫外光保 護、化學保護性能、生物危險性保護性能、阻燃、抗細菌保護性能、 抗病毒保護性能、抗真菌保護性能、抗微生物保護性能及其組合?;?性顆??砂?,但不限于,活性炭、石墨、氧化鋁(活性氧化鋁)、硅 膠、蘇打灰、三水合鋁、小蘇打、對曱氧基肉桂酸2-乙氧基乙基酯(桂 醚酯)、氧化鋅、沸石(zealite)、 二氧化鈦、分子過濾器類材料和其 它合適的材料。
圖1示出了一部分活性顆粒100的截面視圖,活性顆粒100具有 分散在整個顆粒周邊的孔隙120。如圖1所示,至少一些孔隙120被 包封劑110(例如可除去物質)填充??紫?20可以保持填充狀態(tài),一 直到除去包封劑。包封劑可填充每一孔隙120的至少一部分,填充至 少一部分孔隙120,填充所有孔隙120,覆蓋部分顆粒IOO,或包圍全 部顆豐立100。
包封劑是可除去物質,它通過防止活性顆粒過早失活(例如防止有 害或非打算的物質被吸附或通過其它不利條件失活),從而保護與活性 顆粒相關的性能。在預定的時間處和當經受施加一種或多種預定條件 (例如熱、時間等)或物質(例如水、光等)的作用時,可以從活性顆粒 中除去包封劑。
包封劑可包括,但不限于,水溶性表面活性劑、表面活性劑、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)、光活性材料、可降解材料、可生物降解材料、乙氧化炔屬二醇和 任何其它合適的物質。適合于包封活性顆粒的這種包封劑的具體實例包括由 Allentown, Pennsylvania的 Air Products and Chemicals Corporation銷售的Surfynol 485W、 485、 2502和465水溶性表面活 性劑,由Charlotte, Noerth Carolina的BASF Corporation以Textile Wax-W和Size SF-2銷售的蠟,和由Cleveland, Ohio的Kindt-Collins Company以型號Kinco 878-S和Kinco 778-H銷售的蠟。
為了生產性能增強的產品或材料,典型地將活性顆粒摻入到基礎 材料(例如包埋物質)內。基礎材料是根據(jù)本發(fā)明原理為生產性能增強 的產品或材料提供基礎而使用的物質?;A材料可以是在生產特定產 品(例如紗線、纖維、泡沫體、織物等)中使用的主要成分之一。值得 注意的是,盡管此處所述的本發(fā)明一些實施方案的實踐使用以固相存 在的基礎材料或包埋物質(以生產例如布料制品),但這不排除以液體 或氣相存在的基礎材料。例如,可以所需地使用液體形式的包封顆粒 供過濾器應用。
本發(fā)明的優(yōu)點是,性能增強產品或材料維持基礎材料的手感和觸 感,即使它具有包埋在其中的活性顆粒。除了維持基礎材料的手感和 觸感、紋理、耐久性、強度、拉伸性、粘度、壓縮性、膨脹性、相對 密度和其它物理和化學性能之外,基礎材料還顯示出由活性顆粒賦予 它的"活性"性能?;A材料可包括,但不限于,聚酯、尼龍、聚丙 烯酸類、熱塑性樹脂(thermoplastics) 、 PTFE(例如Tef Ion )、聚碳 酸酯、聚鏈烷烴、聚乙烯基化合物、環(huán)氧樹脂、硅氧烷基反應聚合物、
膠、交聯(lián)聚合物、聚合物、纖維、棉、乙酸酯、丙烯酸類、芳族聚酰
胺、生物組分(bicomponent)、可溶細胞(lyocel 1)、三聚氰胺、改性 聚丙烯腈纖維(modacrylics)、尼龍、烯烴、PBI、人造纖維、斯潘德 克斯(spandex)、水、油、氣溶膠、香料或任何其它合適的材料。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明原理保護活性顆粒的方法200的流程圖, 所述活性顆粒經受了可使該活性顆粒過早失活的物質的作用。以步驟 210作為開始,將包封劑施加到活性顆粒上,以保護活性顆粒的性能 防止過早失活。換句話說,施加包封劑,使至少一部分活性顆粒失活。 可例如通過在包封劑浴中混合活性顆粒,在活性顆粒上噴涂包封劑, 在包封劑的溶液中混合或粉碎活性顆粒,或者其它合適的方法,來施 加包封劑。
包封劑包封活性顆粒的程度可以變化。例如,包封劑可以填充每 一孔隙的至少一部分,填充至少一部分的孔隙,填充所有孔隙,覆蓋 每一活性顆粒的一部分,包圍全部活性顆粒,或使用其結合包封。包 封劑施加到其上的活性顆粒區(qū)域被封閉或抑制,防止進一步吸附。因 此,活性顆粒的這些特定的區(qū)域處于失活狀態(tài),和受到保護避免過早 失活。
在步驟220處,包封的顆粒經受可使該活性顆粒過早失活的一種 或多種物質(例如有害物質或不打算立即吸收的物質)的作用。當包封 顆粒經受步驟220時,已通過包封劑事先失活的一部分活性顆粒不能 進一步吸附。因此,這些包封的部分活性顆粒受到保護,和在預定和/ 或隨后的時間處可再活化。
數(shù)個優(yōu)點可通過能夠保護活性顆粒的性能并同時進行步驟220來 實現(xiàn)。例如,包封顆??杀┞队谑褂糜泻ξ镔|的工藝(例如擠塑工藝) 下。在另一實例中,包封顆??砷L時間地暴露于有害物質下且仍能被 再活化。在另一實例中,可將包封顆粒引入到包埋物質內,且沒有喪 失其"活性"性能。在再一實例中,可在所需的時間處啟動"活性" 性能,從而不需要特殊的包裝和/或處理說明。
在步驟230處,可除去包封,再活化或再生活性顆粒??稍陬A定 和/或隨后的時間處和當經受施加一種或多種再活化劑(例如施加熱、 光、時間、水、細菌等)的作用時,從活性顆粒中除去包封劑。例如,
可就在進行步驟220之后立即除去包封劑。視需要,可根據(jù)預定的時 間安排除去包封劑。例如,可在經受預定條件的作用一段時間如由使 用者進行的洗滌和干燥循環(huán)之后除去包封劑。若在步驟210處,兩種 或多種不同的包封劑施加到每一活性顆粒上或者活性顆粒的獨立組上 (即具有其各自類型的包封劑的每一組),則可需要不同的再活化劑以 除去包封劑。例如,可使用光除去笫一種包封劑和可使用熱水除去第 二種包封劑。這有助于在再活化期間內的控制,而控制對改變、維持 或要么控制摻入該顆粒的產品的性能特征是有益的。
除去包封劑使活性顆粒的孔隙再生并給予包埋物質活性顆粒的性 能增強特征,且沒有損壞包埋物質。除去包封劑的程度可以變化。例 如,可僅從暴露于周圍環(huán)境下的部分包封顆粒中除去包封劑,從而留 下固定到包埋物質上的完整包封劑。
為了促進包封劑從活性顆粒上的除去,包封劑可以溶于不同類溶 劑中如水(例如蒸汽)、超臨界二氧化碳、液氮和類似物中。在另一實 施方案中,可使用光源(例如白熾光、紫外光、紅外光等)從活性顆粒 中除去包封劑。在又一實施方案中,可使用生物材料除去可生物降解 的材料。例如,可使用細菌來消耗和處理包封劑。在另一實施方案中, 在有或無外部影響的情況下,包封劑可隨時間降解,從而使得時間依 賴的再活化變得可能。
使用對活性顆粒具有低親和力(藉助范德華力和/或氫鍵相互作用) 的包封劑可以促進包封劑的除去。更特別地,包封劑的親和力可以具 有下述本性它能使包封劑粘附到活性顆粒上并同時經受有害物質(例 如熔融基礎材料)的作用,但在沒有損壞包埋物質和活性顆粒的情況下 容易除去。
包封劑可具有與包埋物質類似或較高的玻璃化轉變溫度(Tg)。玻 璃化轉變溫度是包埋物質如聚合物從粘稠或橡膠狀態(tài)變?yōu)橛操|和相對
,當活性顆粒經在受可引起過早失活的物質的作用時,具有相同或較高 玻璃化轉變溫度能使包封劑維持它在活性顆粒上的施加。
值得注意的是,工藝200的上述步驟是例舉的和可添加、刪除或 結合那些步驟。
在可供替代的實施方案中,活性顆粒在經受可引起過早失活的物 質的作用之前不需包封。視需要,可同時混合未受保護的活性顆粒, 可引起過早失活的物質,和包封劑。盡管活性顆粒與可能過早失活的 物質一起混合,但包封劑比可能過早失活的物質可具有更快的擴散速 度。因此,包封劑可比物質(例如有害物質)更快速地填充活性顆粒的 孔隙。這有利地提供活性顆粒、包封劑、基礎材料和其它成分同時混 合的混合物。
施加包封劑到活性顆粒上,使那些包封的顆粒經受可使活性顆粒 過早失活的物質的作用,然后在預定的時間段之后除去包封劑的方法 可在將活性顆粒引入或摻入到包埋物質內的工藝中完成。 一旦活性顆 粒引入到這些包埋物質上,最終產品或材料具有由活性顆粒賦予它的 性能增強性質。
圖3示出了將本發(fā)明原理并入到擠塑工藝的方法300。在步驟310 處,用包封劑(例如水溶性表面活性劑)包封活性顆粒(例如活性炭)。 這可通過例如在大缸內混合活性顆粒和包封劑來進行。視需要,可將
具有不同性能或不同用量的包封劑施加到活性顆粒上,以促進可變的 再生。施加具有不同性能的包封劑或施加不同用量的包封劑可導致時 間延遲的再生,其中活性顆粒的不同包封組在不同時間處再活化。
在步驟320處,將包封顆粒與基礎材料(例如包埋物質)混合,以 生成母料(master batch)。母料是包封顆粒和基礎材料的預定配方。 也就是說,以預定比例一起混合母料的各成分。例如,15%的母料可由 包封顆粒組成和其余85%可由基礎材料組成。因此,通過延伸 (extension),可高度精確地控制所生產的增強材料的組成(例如活性 顆粒的濃度)。制造商可容易地改性母料的組成,以產生具有不同濃度 的包埋包封顆粒的增強材料。 。
在步驟325處,在配制母料之后,可將它轉換成固體碎片或粒料, 這些碎片或粒料隨后在工藝300中使用,以生成所需性能的增強材料 或產品。值得注意的是,術語碎片和粒料僅僅是類屬術語,和不要求 母料的固體形式呈碎片或粒料形式。視需要,母料(或在擠塑工藝中使 用的任何其它材料)可以是任何合適的形狀,如薄片、球形或塊料。值 得注意的是,由母料獲得的碎片在此處是指母料碎片。
具有數(shù)種方式一起混合包封的塊料和基礎材料,以生成母料,和 隨后生成母料碎片。優(yōu)選,混合母料,以便包封的顆粒充分地分布在 全部基礎材料中。這確保由該母料獲得的母料碎片基本上彼此一致。
混合的一種方法包括使包封的顆粒和基礎材料經受預定時間段的 預定溫度和預定壓力的作用。預定溫度和壓力使得基礎材料處于熔融 或粘稠狀態(tài)。當固體基礎材料顯示出流動或移動時,基礎材料變?yōu)槿?融。也就是說,包括基礎材料的固體結構的分子鍵開始相對彼此移動, 從而顯示出熔融特征。當基礎材料處于熔融狀態(tài)時,它起到熔融懸浮 液的作用,該熔融懸浮液有助于在混合過程中包封顆粒的擴散。換句 話說,該熔融混合工藝類似于一碗軟質冰洪淋與少量堅果混合,其中 水淇淋代表基礎材料,和堅果代表包封顆粒。當兩種成分一起混合時, 堅果變得分散在全部水淇淋中。
在混合包封顆粒之后,獲得母料碎片。由熔融混合物獲得母料碎 片的一種方法是將該混合物放置在不溶解基礎材料或包封劑的溶液的 冷浴中,然后冷卻的混合物可粉碎成預定的尺寸。 - 生成母料的另一方法包括生產液體分散液(例如漿料)??赏ㄟ^混 合基礎材料、溶劑(例如二元醇、多元醇、水等)和包封顆粒,從而形 成液體分散液。當添加溶劑時,基礎材料可以轉變成漿料。這種漿料 可起到液體懸浮液的作用,所述液體懸浮液促進包封顆粒的分散。在 包封顆粒在整個漿料中混合之后,可通過沉淀方法獲得母料碎片。
值得注意的是,混合包封顆粒和基礎材料的上述方法僅僅是例舉, 和決不代表可生產母料和母料碎片的唯一方式。例如,可在最終產品 內結合具有不同的包封劑類型或濃度(如具有不同除去真求的包封劑或包封劑的結合)、活性顆粒和/或基礎材料的兩種或多種不同的母料。
在使用兩種不同的母料的情況下,可使用由笫一種母料獲得的紗線和 由第二種母料獲得的紗線來編織布料制品。
值得注意的是,在母料的形成過程中,當包封劑與基礎材料混合 時,通過防止基礎材料進入孔隙內,從而使包封劑保護活性顆粒。在
步驟330中所述的擠塑工藝期間,包封劑保護活性顆粒。
在步驟330處,對母料碎片進行擠塑工藝,產生具有包封顆粒包 埋在其中的材料或產品??墒褂脭D塑工藝生產例如一股或多股紗線或 纖維束、織物片材、各種固體形狀(例如片劑)和塑料(例如袋子、瓶子、 機動車部件等)。可使用各種模塑方法由母料碎片形成不同形狀。
擠塑工藝典型地包括使母料碎片經受預定時間段的預定溫度和壓 力的作用,以產生包括基礎材料(例如聚合物)和包封顆粒的熔融混合 物。視需要,可將額外的基礎材料(例如純粹形式的特定基礎材料)加 入到母料碎片中,以稀釋包封顆粒的濃度。所添加的基礎材料也可以
是碎片形式,它可以是與生成母料所使用的相同的基礎材料或者可以 是不同的基礎材料。若添加純粹的碎片,則它們也經受預定時間段的 預定溫度和壓力的作用。
在粉碎并稀釋碎片(例如母料碎片和/或純粹的碎片)到活性顆粒 的所需濃度之后,擠塑碎片??蓴D塑碎片產生各種材料如織物和紗線。 例如,若擠塑裝置被構造為生產紗線,則可將碎片擠塑成纏結的纖維, 以形成紗線。因此,由該擠塑工藝獲得的最終產品導致得到包封顆粒 包埋在其中的材料。
擠塑的材料具有包埋在基礎材料(例如包埋物質)內的包封顆粒。 一些包封顆??赏耆跀D塑材料內,和其它顆??裳由斐龌A 材料的外表面或暴露于周圍環(huán)境下。例如,圖4示出了包封顆粒包埋 在其中的纖維400的截面視圖。特別地,纖維400具有延伸超出纖維 400的外表面的包封顆粒402和完全包含在纖維400內的包封顆粒 403。如圖4所示,每一包封顆粒具有活性顆粒405 (例如活性炭)和包 封劑406 (例如水溶性表面活性劑)。
包封顆粒在整個纖維400截面上的分布可隨任何數(shù)量的變量而變 化(例如所使用的顆粒的濃度、纖維的尺寸等)。本領域的技術人員會 理解通過擠塑工藝生產的材料可具有包封顆粒的任何分布,有的包封 顆粒延伸超出材料的外表面或者暴露于周圍環(huán)境下,有的完全包含在 基礎材料內。
再參考圖3,在步驟340處,從延伸超出擠塑材料的表面或者暴 露于周圍環(huán)境下的包封顆粒中除去包封劑。在此階段,不需除去包含 在擠塑基礎材料內的包封顆粒的包封劑,因為基礎材料全部密封包封 顆粒,防止它暴露于周圍環(huán)境。然而,若那些密封的包封顆粒隨后暴 露在表面上,則隨后它們可再生。例如,普通的磨損和破裂可撕去基 礎材料或包封劑的層材或一部分,結果在表面上暴露新的顆粒。撕去 或剝掉層材暴露新的活性顆粒的概念可具有數(shù)種實際的應用。例如, 利用(例如摩擦、除去或處理)產品表面可暴露密封的包封顆粒,然后 可使它們再活化。
圖5示出了包封劑已從延伸超出纖維500外表面的包封顆粒中除 去的纖維500。也就是說,延伸超出纖維500表面或者暴露于周圍環(huán) 境下的一部分顆粒502不再具有包封劑。但包含在纖維500內的顆粒 503仍被包封。
可使用再生工藝除去包封劑??墒褂谜羝鳛橛行У脑偕鷦┮猿?去包封劑。例如,可使用漿紗系統(tǒng)施加蒸汽到通過擠塑工藝生產的一 排紗線股上??墒褂檬┘拥恼羝绯ニ苄园鈩?,如水溶性表 面活性劑、鹽、聚合物鹽或聚乙烯醇。在又一實例中,可通過使擠塑 材料經歷熱水浴除去包封劑。在另一實例中,可使用超臨界二氧化碳 作為溶劑溶解包封劑??梢蠖啻蜗礈旌吞娲幚矸椒ǔヒ恍┌?劑。在時間-釋放再生工藝中這可以是有效的。
值得注意的是,由于有害物質的吸附和其它因素,因此一些活性 顆粒的再生可能沒有導致活性顆粒起始活性的完全恢復。然而,已發(fā) 現(xiàn),為了賦予基礎材料性能增強性質,對于活性顆粒來說,、不需恢復 全部預包封的活性。
以上所述的擠塑工藝是增強材料生產工藝的一個實例,其中可實 施本發(fā)明的包封方法。以下討論的是其中可利用本發(fā)明原理的其它方 法。例如,討論空氣擴散方法、浸染方法處理和結合的溶劑/包封固體 雄力口方法??蓪⒈景l(fā)明的原理并入到處理包埋物質的空氣擴散方法內。 一般地,空氣擴散方法(a)在氣體載體內夾雜活性顆粒,(b)用夾雜的氣體 裁體處理包埋物質(例如織造織物)的第一表面,(c)在橫跨包埋物質 上,從包埋物質的第一表面到第二表面維持壓降,以便至少一些夾雜 的活性顆粒摻入到包埋物質內,和(d)將活性顆粒固定到包埋物質上。 空氣擴散方法的上述說明不打算作為全面的解釋,而僅僅是這種方法 的例舉實例。本領域的技術人員會理解可以以許多方式進行空氣擴散 方法。例如可在2003年3月27日公開的美國專利申請公開 No. 20030060106中找到空氣擴散方法的詳細解釋,在此通過參考將其 全部內容引入。固定步驟,在以上稱為步驟(d),是將顆粒永久地附著到包埋物質 上的步驟。在一種方法中,可通過使用含有粘合劑和溶劑(例如水)的 溶液實施該步驟。施加該溶液,將顆粒粘接到包埋物質上。粘合劑起 到"膠"的作用,把顆粒固定到包埋物質上,而水起到"載體"的作 用,用于攜帶粘合劑穿過包埋物質到達顆粒。由于溶液主要由溶劑組 成,因此當溶液被包埋物質吸附時,它傾向于離開活性顆粒,從而暴 露一部分包封劑。因此,當溶劑被包埋物質吸附時,它也攜帶粘合劑 離開顆粒(例如溶液離開未與包埋物質直接接觸或幾乎直接接觸的一 部分顆粒)。然而,與包埋物質接觸的一部分包封顆??赡懿荒軌蚴谷?液流出。這能有利地使粘合劑在顆粒與包埋物質之間形成粘接且同時 暴露包封劑。固定方法可引起未受保護的活性顆粒失活。例如,若溶液沒有快 速地足夠干燥,則粘合劑可能滲出包埋物質并進入未受保護的活性顆 粒的孔隙內。可在顆粒被夾雜在氣體載體內之前,通過包封顆粒來避 泉該問題。
因此,在進行空氣分散工藝之前施加包封劑到活性顆粒上可促進 活性顆粒的保護并同時經受可引起過早失活的物質的作用。在包封顆 粒連接到包埋物質上之后,可施加再生劑以除去包封劑。因此,除去 未被粘合劑覆蓋的任何部分包封顆粒,這導致那些特定部分暴露于周 圍環(huán)境下。可將本發(fā)明的原理并入到用于處理包埋物質的浸染方法中。浸染 方法包括使材料(例如紗線、織物等)穿過活性顆粒浴。當包埋物質穿 過該浴時,活性顆粒粘附到包埋物質上。浸染工藝可攪拌顆粒浴防止 形成通道,而通道可能會阻止充足的活性顆粒摻入。另外,浸染方法 可采用輥將活性顆粒壓入包埋物質內,當它穿過浸染室時?;钚灶w??赏ㄟ^施加粘合劑永久地連接到包埋物質上。典型地在 包埋物質穿過浸染室之前或之后,將粘合劑以溶液形式施加到包埋物 質上。與以上所述相同的固定方法結合空氣快速方法可應用到該方法 上。浸染工藝的上述說明不打算為窮舉的討論,而僅僅起到提供可如何實施浸染方法的所有例舉實例的作用。可例如在2002年12月26日 申請的美國專利申請公開No. 20020197396中找到浸染方法的詳細討 論,其公開內容在此通過參考全部引入。值得注意的是,溶液(例如粘合劑和溶劑)可能使活性顆粒過早失 活。然而,在它們應用到浸染工藝之前,包封活性顆粒會降低過早失 活的可能性。在包封顆粒永久固定到材料上之后,除去包封劑。如上所述并結合空氣快速方法,粘合劑不可能包圍全部顆粒,這 是因為包埋物質(例如紗線)虹吸溶液。因此,當采用再生劑時,能除 去未被粘合劑覆蓋的包封劑。本發(fā)明的包封方法可用于施加活性顆粒和粘合劑的組合混合物到 包埋物質(例如織物)上的應用中。這種組合的混合物有時稱為液體懸 浮液。該懸浮液可例如噴涂到包埋物質上,可通過輥或其它涂敷器施 加到包埋物質上,或者可用作包埋物質可浸漬在其中的浴。過去嘗試 侏用該液體懸浮液已導致活性顆粒的過早失活,這是因為一旦顆粒浸 漬在溶液內,則活性顆??杀贿^早失活。
在浸漬于液體懸浮液內之前用包封劑(例如蠟)包封活性顆??杀?持其性能增強性質,并同時經受要么將使活性顆粒過早失活的條件(例 如粘合劑)的作用。因此,使用施加液體懸浮液的設備,包封顆粒和溶 液混合物可有利地用于施加性能增強顆粒到包埋物質上。由于溶液傾 向于粘附到包埋物質上,因此溶液將離開包封顆粒并留下暴露于周圍 環(huán)境下的一部分包封劑。然后除去這種暴露的包封劑使那部分活性顆 粒再生??稍诶缟鲜鼋痉椒ǖ母男宰兺ǚ桨钢惺褂眠@種結合的包封顆 粒和粘合劑懸浮液。更特別地,可改變浸染方法,以便當材料穿過浸 染室時,用液體懸浮液浸染該材料。因此,通過使用液體懸浮液,可 以不需要用活性顆粒和粘合劑以兩個獨立的步驟浸染材料??梢砸徊?地施加液體懸浮液。也可將本發(fā)明的原理并入到處理包埋物質的靜電復印方法中。靜 電復印方法利用靜電或磁吸引原理,將調色劑配方從給料器轉移到鼓 組件上。該鼓組件是以預定速度旋轉的荷電或磁性極化的組件。當該 鼓組件旋轉時,調色劑配方被組件的選擇(例如荷磁或荷電)部分吸引 并保留。然后,當組件繼續(xù)旋轉時,它將調色劑配方壓到包埋物質上。 然后,包埋物質經受熱處理的作用,所迷若熱處理引起調色劑配方永 久固定到材料上(例如在調色劑配方內粘合劑塑化并將顆粒粘接到包埋物質上)。在例如2002年12月26日申請的美國專利申請公開 No. 20020197547中可找到靜電復印方法的詳細討論,在此通過參考將 其全文引入。調色劑配方包括,但不限于,活性顆粒(例如活性炭)、粘合劑和 添加劑如電荷控制顆粒、磁控制顆粒,和/或著色劑。釆用本發(fā)明的原 理,可在添加到調色劑配方中之前,用包封劑(例如蠟)包封活性顆粒。 這種包封劑可保護活性顆粒的性能并同時使它們永久地連接到包埋物 質上。使用以上所述的包封方法,可制造各種處理過的包埋物質如織物 (織造和非織造織物)、紗線、泡沫體、袋子、塑料組件、氣溶膠、液 體物質(例如在過濾器內的水)、氣體物質(例如香料)和其它物體。例 如,可使用處理過的紗線編織衣服如襪子。這種襪子可吸附能從人腳 中釋放出的令人不快的氣味。在另一實例中,包封顆粒可保持在空氣 清新劑中,所迷空氣清新劑噴灑包封顆粒到所需位置處。然后在施加 特定的再生條件或物質之后,再活化包封顆粒。根據(jù)本發(fā)明,活性顆粒摻入其中的包埋物質可用于其它應用,如 室內裝飾、地毯、厚毛毯、墊子、襯里、片材、毛巾、擦拭材料、寵 物床、褥墊、褥子、家具、窗簾、高爐過濾器、鞋子、鞋墊和尿布。處理材料也可用于布料如襯衫、褲子、工作服、內衣(如T-恤、內衣、 胸罩等)、帽子和其它與布料相關的物品??墒褂迷撎幚聿牧现圃旆雷o 服如生化防護服和抗刺激服(即提供保護防止紅外輻射的服裝)。另夕卜, 可使用本發(fā)明的處理材料制造獵槍。此外,可釆用該處理材料制造過 濾器。這種過濾器可用于真空清洗器中,以捕獲花粉和其它顆粒??稍谑褂梦kU生物材料的試驗室中使用過濾器;活性顆??刹东@生物試 劑和防止它們逃逸到大氣中。其它過濾器可使用包埋在待填充的物質 如水過濾器內的包封顆粒。是窮舉清單,而僅僅是可能應用的例舉說明。以下提供例舉的實施例,其中可使用以上所述的方法,采用本發(fā) 明保護將摻入到基礎材料內的顆粒的性能。這些實施例僅用于闡述目 的和無論如何不解釋為本發(fā)明范圍的限制。實施例1該實施例示出了根據(jù)圖3的方法生產性能增強的合成紗線。更特 別地,該實施例示出了進行包封活性炭的方法,將它與聚酯基礎材料 混合,形成母料碎片,擠塑該母料碎片,產生所需的紗線,和從暴露 的活性炭顆粒中除去保護的包封層。通過該實施例獲得的紗線除了顯 示出與聚酯基礎材料相關的物理特征以外,還顯示出顯著的吸附能力。 因此,該紗線具有聚酯的手感和觸感,而且具有由活性炭賦予它的性 能增強質量(例如氣味吸附)。
在該實施例中使用的活性炭由 Ardmore, Pennsylvania的 CarboChem Corporation以型號SA-30銷售。進一步噴射研磨SA-30 和分類,以便97。/fl的碳顆粒具有直徑小于IO微米的平均尺寸。因此, 本實施例中使用的97%SA-30的直徑小于10微米。然后混合活性炭與包封劑,包封碳顆粒。本實施例中使用的包封 劑是由 Allentown, Pennsylvania的 Air Products and Chemicals Corporation以Surfynol 485W銷售的水溶性表面活性劑。該水溶性 表面活性劑充分地涂布活性炭顆粒的表面,以便孔隙被至少部分包封, 進而保護SA-30避免任何有害的條件。所使用的水溶性表面活性劑的 用量相當于生成母料所使用的活性炭總重量的約20%。值得注意的是, 盡管該特定實施例使用的包封劑占母料內使用的碳重量的20%,但應 理解可使用不同用量或濃度的包封劑。在該實施例中,測試濃度范圍 為約20%-約100%的水溶性表面活性劑,但發(fā)現(xiàn)20%的濃度得到最好的結果。還要注意的是,所使用的碳顆粒的特定尺寸和包封劑的類型 可保證不同的用量或濃度。在活性炭顆粒被包封之后,將包封顆粒與聚酯基礎材料混合,以 生成母料。在本實施例中使用的基礎材料由Charlotte, North Carolina的American Corporation以坯料PET形式銷售。配制母料, 以便活性炭占母料總重量的15%。例如,若母料重1000g,則150g母 料重量將歸因于碳。在包封的碳與聚酯基礎材料徹底混合之后,將混合物轉換成母料 碎片。然后從具有76孔的裝置中擠塑這些母料碎片和100°/ 聚酯。通 過該裝置以4-到-l的拉伸比拉伸纖維(例如對于牽引穿過該裝置的每 米纖維,將纖維拉伸成4米的長度)。這一特定拉伸比導致具有4. 4旦 的每根纖維。值得注意的是,使用不堵塞過濾器的溫度和壓力,具有包封碳的 碎片穿過40微米的過濾器。碎片流過過濾器,這是因為在此經受引起 碎片顯示流動的預定壓力和溫度的作用。 ''添加聚合物碎片,稀釋包含在擠塑纖維內的包封碳顆粒的濃度。 值得注意的是,母料碎片具有約15%的碳濃度。因此,若纖維唯一地 從母料碎片中拉伸,則纖維的碳濃度為約15%。因此,在擠塑工藝過 程中添加聚合物碎片到母料碎片中導致碳濃度小于15%的纖維。在該 實施例中,進行四次擠塑工藝,其中進行的每次加工獲得具有不同碳 濃度的纖維。此處,四次獨立的擠塑工藝導致碳濃度為1%、 2%、 3%和 4%的纖維。在擠塑纖維76之后,將它們編織成筒狀織物(例如襪子)。在編織 完筒狀織物之后,從四個筒狀織物的每一種中切割出約100cn^的部分 用于測試。因此,在該實施例中測試具有不同碳濃度(例如1%、 2°/。、 3%和4W的四種織物。使用供確定活性炭的活性含量的美國材料試驗學會標準 (American Standard for Testing and Materials)(下文"ASTM,,), 測定包含在織物內的碳的活性。在2000年該試驗被重新認可作為測試 活性炭的活性含量的標準且具有標記D5742-95 (下文"ASTM方法")。 一般地,ASTM方法通過測定丁烷活性來確定活性炭的活性。根據(jù)ASTM, 丁烷活性定義為被活性炭樣品吸附的丁烷質量與樣品質量之比。也就 是說,用丁烷氣體飽和樣品,然后測量,以確定來自于丁烷吸附導致 的質量增加。因此,被吸附的丁烷越多表示活性程度更高。值得注意的是,以前的標準使用四氯化碳(CC14)進行活性炭活性 的測量。然而,發(fā)現(xiàn),CCL對臭氧層的破壞太大,因此丁烷已經替代 了它的使用。此外,CCL與丁烷之間存在直接的關聯(lián)(即1單位的丁烷 活性相當于約2. 55單位的CClr活性)。因此,使用丁烷進行的測量可 與使用CCl,的測量相關聯(lián)。使用ASTM方法,在SA-30經受母料配方工藝之前,測量粉末形式 的SA-30的活性。通過SA-30粉末吸收的丁烷的重量增加為0. 0988g 丁烷/g SA-30。這導致9. 88°/ 的丁烷活性值或25. 19%的CCl4活性值。圖6示出了在未加工樣品(例如純的SA-30)和1°/ 、 2%、 3%和4%樣 品上獲得的數(shù)據(jù)表。在該實施例中,測量每一樣品的重量(如j如織物和 碳的組合重量)、在每一樣品內碳的重量、每一樣品的丁烷重量增加。
圖6示出了這些重量值?;谒鶞y量的重量,計算丁烷和CClr活性以 及每一樣品保留的活性。通過用丁烷的重量增加除以所測量的樣品中 的碳重量,計算丁烷活性。通過用丁烷活性乘以2. 55計算CCL活性。 通過比較樣品的丁烷活性與SA-30粉末的丁烷活性來計算保留活性。 圖還示出了這些計算值。對于每一稀釋的樣品,在洗滌和干燥循環(huán)之前,測量以上提及的 重量。圖6中的數(shù)據(jù)示出了特定的樣品是否洗滌。洗滌循環(huán)包括使用 大負栽的含水量在熱水浴中洗滌樣品14分鐘和一次冷水漂洗循環(huán)。洗 滌樣品所使用的洗滌機由Sears Corporation以Kenmore Series 90 住宅洗滌機形式銷售。使用布料干燥器,在高熱裝置上干燥樣品45分 鐘。在該實施例中使用的干燥器由Sears Corporation以Kenmore Series 90住宅干燥器形式銷售。圖6中列表的數(shù)據(jù)表明未洗滌的樣品顯示出很少或沒有丁烷活 性。另外,未洗滌的樣品沒有保留活性。實現(xiàn)可忽略不計的活性是因 為包封劑仍然包封樣品,從而將孔隙與周圍環(huán)境隔離所致。洗滌樣品以除去水溶性表面活性劑,和進而暴露活性炭。1%、 2%、 3%和4WSA-30樣品分別顯示出9. 80%、 5. 63%、 2. 71%和3. 97%的丁烷活 性,從而表明在形成母料的過程中和擠塑工藝過程中,在經受熔融聚 酯的作用之后,活性炭仍保留活性。如圖6所示,1%、 2%、 3°/。和4%SA-30 樣品保留的活性分別為99. 17%、 57. 00%、 27. 46%和40. 19%。值得注意的是, 一般地,當樣品內碳的負載增加時(例如4%樣品 具有比3%樣品更多的碳,和3%樣品具有比2%樣品更多的碳,和依此 類推),丁烷的吸附增加。數(shù)據(jù)表明負載較重的樣品比負載較少的樣品 吸附的丁烷越多,盡管對于負載較重的樣品丁烷活性的程度較低。相 對于負栽較少的樣品,負載較重的樣品的丁烷活性可能下降,這是因 為更多的碳完全被基礎材料密封因此在洗滌之后沒有暴露于周圍環(huán)境 下所致。實施例2重復實施例1中列出的類似方法,但通過使用不同的包封劑生成
不同的母料。圖7示出了該實施例的結果。在該實施例中使用的母料 使用與實施例1中使用的相同分級的SA-30,和由Charlotte, North Carolina的BASF以Textile Wax W形式銷售的包封劑蠟層。使用以上提及的母料,將樣品稀釋成2%的碳負載。在通過擠塑工 藝獲得擠塑纖維之后,將纖維編織成筒狀(例如襪子)。即使以4-到-l 的比例拉伸纖維,纖維的旦數(shù)為5,而不是實施例1的纖維實現(xiàn)的4. 4 旦。取出100cn^的一部分筒狀織物、洗滌并測試。圖7示出了與實施例1獲得的那些相同的測量重量和計算活性值。 圖7的數(shù)據(jù)也顯示出SA-30純形式的數(shù)據(jù)和這兩個樣品的數(shù)據(jù)。另外, 圖7示出了純粹由聚酯組成的樣品的數(shù)據(jù)。正如所預計的,聚酯樣品 沒有吸附能力。稀釋的樣品的丁烷活性數(shù)據(jù)表明在母料的形成過程中 和在擠塑工藝過程中包封劑保護活性炭。因此看出活性顆??墒艿奖Wo,防止過早失活。本領域的技術人 員會理解,可通過為闡述而不是限制目的列出的所述實施方案以外的 其它來實現(xiàn)本發(fā)明,和僅通過隨后的權利要求來限制本發(fā)明。
權利要求
1.一種組合物,它包括基礎材料;活性顆粒,其與所述基礎材料接觸;和可除去的保護物質,其用量有效防止不同于所述可除去的保護物質的物質在除去所述可除去的保護物質之前使至少大部分的活性顆粒失活,并且其中所述可除去的保護物質是可除去的以便將所述活性顆粒部分的至少一小部分再活化。
2. 權利要求1的組合物,其中所述活性顆粒占所述組合物的約 1%_約99%。
3. 權利要求2的組合物,其中所述活性顆粒占所述組合物的約 1%-約50%。
4. 權利要求2的組合物,其中所述活性顆粒占所述組合物的約 1%-約25%。
5. 權利要求2的組合物,其中所述活性顆粒占所述組合物的約 1%-約亂
6. 權利要求2的組合物,其中所述活性顆粒占所述組合物的約 1% -約5%。
7. 權利要求l的組合物,其中所述活性顆粒包括活性炭。
8. 權利要求l的組合物,其中所述活性顆粒包括沸石顆粒。
9. 權利要求l的組合物,其中所述活性顆粒包括氣味吸附顆粒。
10. 權利要求1的組合物,其中所述活性顆粒包括抗細菌顆粒、 抗病毒顆粒、抗微生物顆?;蚩拐婢w粒。
11. 權利要求l的組合物,其中所述活性顆粒包括化學保護顆粒 或生物危險性保護顆粒。
12. 權利要求l的組合物,其中所述活性顆粒選自活性炭、石墨、 氧化鋁(活性氧化鋁)、硅膠、蘇打灰、三水合鋁、小蘇打、對甲氧基 肉桂酸2-乙氧基乙基酯(桂醚酯)、氧化鋅、沸石、二氧化鈦、分子過 濾器材料及其任何組合。
13. 權利要求l的組合物,其中所述基礎材料選自聚酯、尼龍、 聚丙烯酸類、熱塑性樹脂、PTFE、聚碳酸酯、聚鏈烷烴、聚乙烯基化 合物、環(huán)氧樹脂、硅氧烷基反應聚合物、膠、交聯(lián)聚合物、纖維、棉、 乙酸酯、丙烯酸類、芳族聚酰胺、生物組分、可溶細胞、三聚氰胺、 改性聚丙烯腈纖維、烯烴、PBI、人造纖維、斯潘德克斯、水、油、氣 溶膠、香料及其任何組合。
14. 權利要求l的組合物,其中所述可除去的保護物質防止所述 基礎材料使所述大部分的活性顆粒至少部分失活。
15. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是母料。
16. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是紗線或纖維。
17. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是塑料顆粒。
18. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是布料制品。
19. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是織物。
20. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是涂布的織物。
21. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是涂布的紗線。
22. 權利要求l的組合物,其中所述組合物是涂布的布料制品。
23. 權利要求l的組合物,其中所述組合物選自袋子、泡沫體、 塑料組件、室內裝飾、地毯、厚毛毯、墊子、片材、毛巾、擦拭材料、 寵物床、褥墊、褥子、窗簾、過濾器、鞋子、鞋墊、尿布、襯衫、褲 子、工作服、內衣和防護服。
24. 權利要求l的組合物,其中所述可除去的保護物質是笫一種 可除去的保護物質,所述組合物還包括第二種可除去的保護物質。
25. 權利要求l的組合物,其中所述活性顆粒具有活性,所述組 合物具有至少 一種性能性質,所述性能性質至少部分歸因于所述活性 顆粒的活性,并且其中所述可除去的保護物質是可除去的以便提供所 述組合物顯著增強的性能。
26. 權利要求l的組合物,其中所述不同于所述可除去的保護物 質的物質包括基礎材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過使用可以除去的包封劑保持活性顆粒的性能。包封劑可保護活性顆粒避免過早失活。視需要,可除去包封劑,再生活性顆粒。可實施各種方法引入包封的顆粒到可在各種產品中使用的包埋物質內。
文檔編號B01J20/34GK101157015SQ20071014241
公開日2008年4月9日 申請日期2003年6月12日 優(yōu)先權日2002年6月12日
發(fā)明者G·W·哈格奎斯特 申請人:創(chuàng)普太克公司