阅读说明：本技术 将添加剂施加于基底和相关产品的装置和方法 (Apparatus and method for applying additives to substrates and related products ) 是由 安德鲁·L.·皮特森 于 2019-02-19 设计创作，主要内容包括：将一种或多种添加剂施加到基底上的装置和方法。基底可以是织物、纤维或纱线,但不限于此。所述装置包括多个喷雾器的阵列,当基底移动或处于静止位置时,所述多个喷雾器布置在基底附近。喷雾器布置成将一种或多种添加剂和添加剂输送介质的混合物输送至基底,所述喷雾器足以将至少一种或多种添加剂的至少一部分结合至基底中或将一种或多种添加剂粘附至基底的表面。所述添加剂输送介质可以是空气。所述喷雾器包括喷嘴,所述喷嘴配置成产生喷雾图案,所述喷雾图案能够基本均匀和基本完全覆盖。所述装置任选地包括加热器以加热基底,以改善一种或多种添加剂在基底上和基底内的粘附性。(Apparatus and method for applying one or more additives to a substrate. The substrate may be a fabric, fiber, or yarn, but is not limited thereto. The apparatus includes an array of a plurality of sprayers disposed proximate to the substrate when the substrate is moving or in a stationary position. A sprayer is arranged to deliver a mixture of the one or more additives and the additive delivery medium to the substrate, the sprayer being sufficient to incorporate at least a portion of the at least one or more additives into the substrate or adhere the one or more additives to a surface of the substrate. The additive delivery medium may be air. The sprayer includes a nozzle configured to produce a spray pattern that is capable of substantially uniform and substantially complete coverage. The apparatus optionally includes a heater to heat the substrate to improve adhesion of the one or more additives on and within the substrate.)

将添加剂施加于基底和相关产品的装置和方法

技术领域

本发明涉及改善织物和可与织物相关或不相关的其他基底的特性。更具体地，本发明涉及将添加剂有效且具有经济效益地施加于基底上，所述基底包括但不限于织物、羽绒、填充物、皮革、合成纤维和纱线，它们在本文中通常被称为材料。本发明是一种通过喷涂或以其他方式直接将添加剂施加到基底上，以使基底表面和内部充满添加剂的装置和方法。

背景技术

提到的织物和适用的基底在世界范围内广泛用于制造成品，例如衣服、床上用品和毛巾，仅举三例。产品制造商试图在其产品中建立许多所需的特性。这些特性变化很大，可以包括但不限于手感、温度控制、湿度控制和微生物控制。制造商还试图通过多次清洁和使用来保持产品的完整性和所需的特性。因此，重要的是有效地处理材料以使其具有所需的特性。能够以具有经济效益的方式做到这一点也很重要。

目前，大多数情况下，在潮湿条件下，例如在浴中，通过常规喷涂、涂覆或发泡将添加剂施加到材料上。就所使用的添加剂材料的量、用于输送添加剂的液体的量以及在液体浸没之后干燥材料所需的能量而言，目前完成液态添加剂的施加是昂贵的。此外，溶剂和增粘化学品形式的添加剂输送介质是处理中越来越不希望的组分，其可能保留在材料中和/或暴露在下游的流出物中。然而，目前通过施加液体添加剂所获得的所需材料特性超过了负面影响。另外，通过向其上施加添加剂来处理材料的现有方法包括简单地涂覆材料而不是以将它们结合或嵌入到材料中的方式来施加添加剂，因此，在增强材料特性的同时，当前方法所施加的添加剂无法尽可能地改善那些特性。

所描述的添加剂引入材料的局限性还限制了可用于织物以改善其特性的所需添加剂的数量、形式和类型。一些添加剂可能不适合分散在液体中和/或均匀引入材料中。在单一液体混合物中可能无法混合多种添加剂，因此可能需要多次施加。这些限制和其他限制减少了制造商以所需要的但具有经济效益的方式改进材料的选择。因此，需要一种装置和方法，通过将一种或多种添加剂粘附和/或嵌入到材料上和/或材料中，以将一种或多种添加剂有效地施加到材料上。此外，需要一种以具有经济效益的过程施加添加剂的装置和方法。另外，需要一种将一种或多种添加剂施加到其他类型的基底以及材料组分上的装置和方法，特别是纳米颗粒添加剂，但不限于此。相关地，本发明形成包括这种添加剂的新产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于将一种或多种添加剂有效地施加到基底上的装置和方法，所述基底例如织物，但不限于此。本发明的另一个目的是提供一种以具有经济效益的过程改进添加剂施加的装置和方法。

使用本发明实现了这些和其他目的，本发明是一种添加剂施加装置，其可以是独立的装置，或者可以形成更全面的系统(例如织物或填充物生产和处理装置)的一部分。添加剂施加装置包括多个以阵列布置的喷雾器，以将雾化的添加剂(可以是多种添加剂)基本均匀地分散在材料上，从而将一种或多种添加剂的至少一部分保留在其中，或至少附着在材料的表面上。本发明说明书的焦点涉及一种或多种添加剂在织物和/或织物组分上的应用；但是，不仅限于该基底。例如但不限于此，应理解，本发明可用于将一种或多种添加剂粘附和/或嵌入在纤维、纱线、羽绒、填充物、皮革和其他合成或天然材料的表面和/或内部。材料可以是固定的，也可以在添加剂施加过程中移动。阵列中喷雾器的数量和布置是可选择的。喷雾器包括相对于材料可选择地定位的喷嘴，以确保添加剂分散的基本均匀性和与材料的基本完全接触。该装置包括一个或多个与喷雾器相连的歧管。歧管向喷雾器供应添加剂输送介质，其可能是空气。所述一种或多种添加剂通过输送介质供应到喷雾器，并通过喷嘴传输。喷嘴配置为产生混合物的分散图案，例如以锥形布置。输送介质配置为以最小的液体容量(inclusion)将一种或多种添加剂分散到材料上。结果，使用最少液体和减少干燥要求的添加剂处理材料。

该装置可选地包括加热器，该加热器用于将材料加热至足以控制其物理性质的程度。所述材料基底，特别是合成纤维，但不限于此，具有热塑性结构，可在热操作和暴露于热时改变其物理性能。加热材料以增强添加剂附着力的过程不限于使用本文所述的添加剂施加装置。即，加热机构可以与所述添加剂装置分开使用，只要将一种或多种添加剂或其至少一部分嵌入或粘附在基底上，一种或多种添加剂就可以通过另一种方式直接导向材料。基底的加热还可以通过其他方式实现，而不仅限于与基底相邻放置的加热器。例如，当合成材料被热固化但不限于此时，基底可能由于其制造过程而变热。

本发明的添加剂施加装置可用于改善材料特性以及使用这种材料制成的任何所得产品的特性。用于将添加剂添加到材料中的先前方法通常涉及将材料浸入水或包含这种添加剂的另一种溶剂中，或者简单地用处理剂涂覆材料的表面。另一方面，相对于浸渍法，本发明使得添加剂能够以接近干燥的形式引入，同时能够将至少一部分添加剂结合到材料内部或材料表面。完成干燥所需的能量更少，使用的水更少(具有相应的废物清除义务)，并且该材料具有更好的质量，其中残留的湿气更少。本发明的方法包括产生添加剂配方、添加剂输送介质和将该混合物的分散体导向至待处理的材料。分散的添加剂配方使用有效量的水，以使添加剂粘附到材料上或嵌入材料表面内部。添加剂配方以一定的模式和速率导向到材料上，选择的模式和速率应使其具有足够的速度、功率和压力以在材料上提供基本均匀的分散，从而确保全面并最大程度地提高添加剂的使用效率。使用相对干燥的输送介质，减少了施加添加剂后，将材料干燥至完成所需的时间和能量。

如所指出的，本发明的装置还可以用于将一种或多种添加剂施加到表面上，例如墙壁、地毯、椅子、计算机键盘以及需要使用纳米颗粒添加剂处理此类表面的任何其他应用。对于此类添加剂，用于输送添加剂和添加剂输送介质的制剂的装置包括由低表面张力材料制成或处理的与添加剂接触的部件。当那些内表面相对粗糙时，纳米颗粒倾向于粘附到诸如泵壁、管、阀和喷雾器喷嘴的部件的内表面上。被设计为接触纳米颗粒添加剂的本发明的装置的部件的表面涂覆有低表面张力材料或由低表面张力材料制成。这包括非金属材料，例如尼龙和聚四氟乙烯。

通过阅读以下详细说明、附图和所附权利要求，本发明的这些和其他优点将变得更加明显。

附图说明

图1是包括本发明的添加剂施加装置的织物处理装置的示例的正面透视图。

图2是图1所示装置的背面透视图。

图3是图1所示装置的正视图。

图4是图1所示装置的侧视图。

图5是本发明的添加剂施加装置的侧视图，示出了布置在其中用于处理的一部分织物，并且包括可选的织物加热部件。

图6是添加剂施加装置的喷雾器阵列的一个实施方案的透视图。

图7是没有喷雾器喷嘴的添加剂施加装置的喷雾器歧管的侧视图。

图8是喷雾器歧管及其两个端盖的端视图。

图9是添加剂施加装置中的添加剂输送控制器的一个示例表示，所述添加剂输送控制器用于将添加剂转移到喷雾器歧管。

图10是使用本发明的装置和方法施加了添加剂的织物或纱线的纤维的照片，其中添加剂被嵌入或粘附在织物或纱线上。

图11是本发明的添加剂施加装置的移动视角的简化表示。

具体实施方式

尽管以下描述针对的是本发明的实施方案，其中一种或多种添加剂被输送到材料上，但是应当理解，本发明不限于此。相反，本发明提供了这样一种装置和方法，其有利于在干燥和加工后在所需最少的情况下将一种或多种添加剂引入和粘附到材料上。另外，本发明通过将添加剂更有效地结合到材料的空隙中而增加了增强处理材料特性的机会。另外，本发明提供了一种使用所述装置进行材料增强的方法。所描述的方法的步骤可以以不同的顺序来完成，而不背离本发明的范围。本发明的方法涉及将一种或多种添加剂施加到感兴趣的基底上，由于一种或多种添加剂与基底表面和内部结合，使得添加剂能有效地与基底连接，进而使得产品织物具有改进的特性。

图1-4示出了织物处理设备10，其包括形成其一部分的添加剂施加装置12。应当理解，虽然添加剂施加装置12为包括其他部件的织物处理设备10的一部分，但是装置12也可以是独立装置。另外，织物处理设备10可以形成较大的织物制造系统的一部分。对于附图中所示的本发明的示例，设备10包括织物引入部分14、织物辊部分16、任选的织物处理部分18、织物回收部分20和添加剂施加装置12。虽然本发明描述了织物的处理，但是应当理解，它也可以以类似的方式用于处理其他材料。

织物引入部分14包括多个准备辊22和任选的预处理器24，其可用于准备织物以用于在设备10中的后续处理。织物辊部分16用于将织物配置成所需的直线并用于控制织物通过设备10的速率。织物回收部分20用于将处理的织物卷起来以便后续的输送和随后加工成成品。应当理解，织物引入部分14、织物辊部分16、任选的织物处理部分18和织物回收部分20都是本领域技术人员已知的织物处理系统的元件。图1-4所示的设备10代表了这种已知组件的示例，并且该表示不意图是限制性的。添加剂施加装置12使设备10具有新颖性。

参考图1-2和图4-5，添加剂施加装置12包括一个或多个添加剂歧管26和多个添加剂喷雾器28。每个歧管26配置成向喷雾器28供应分散介质。每个喷雾器28配置成向织物30输送一种或多种添加剂，其中一种或多种添加剂以喷雾形式分散在织物30表面和内部的方式与分散介质结合。分散介质可以是空气或另一种气态材料。在与分散介质结合之前，一种或多种添加剂可以是固体、液体或气体形式。图中所示的添加剂施加装置12包括结构支撑构件32，以在将织物30从织物引入部分14输送到织物回收部分20时将一个或多个歧管26定位在织物30需要的附近。织物的输送机制是本领域技术人员已知的任何形式，并且可以包括但不限于由电动机驱动的皮带轮系统。

如图5所示，添加剂施加装置12可任选地包括织物加热器100，其可以定位在织物30的任一侧或两侧上。在经由喷雾器28将一种或多种添加剂引入到织物之前，织物加热器100可任选地用于将织物30加热到可选择的温度。织物加热器100可以是适合于在所需的区域上以可选温度施加热量的任何种类的加热装置。例如，织物加热器100可以是具有定向吹风机制的辐射加热器或对流加热器，但不限于此。

已经观察到，当那些纤维已经被加热至粘度增加的程度，更具体地，加热在等于或大于玻璃化转变温度时，至少一些添加剂更好地与织物30的纤维结合。当一种或多种添加剂与粘性纤维织物30接触时，添加剂材料保留在纤维内部和纤维表面，特别是当这些纤维在从添加剂施加装置12传递到织物回收部分20时冷却。也就是说，使用喷雾器28施加的添加剂材料更好地粘附在织物纤维上。与将一种或多种添加剂施加到较凉爽的织物上相比，所得的改进的织物具有更好的机会在更长的时间内保持一种或多种添加剂赋予的所需特性。当织物纤维处于粘性状态时，由添加剂施加所产生的这种添加剂粘性的提高不限于利用诸如本文所述的添加剂施加装置12之类的装置进行添加剂的引入。

关于图6和其他附图，添加剂施加装置12可以配置成存在多个歧管26，其中歧管处于相对位置，与喷雾器28彼此面对，使得当织物30进入相对的歧管26之间的空间34时，一种或多种添加剂喷涂到织物30的两侧。应当理解，如果需要的话，可以将一种或多种添加剂仅施加到织物30的一侧。如图6-8所示，喷雾器28可移动地连接到歧管26的端口36。每个喷雾器28包括分散介质入口38、添加剂入口40、混合室42和喷嘴44。入口38和40可以是适合于将流体导向混合室42的任何形式。混合室42配置成从歧管26接收添加剂分散介质，并使其中的湍流流体通过添加剂入口40引入的一种或多种添加剂的作用下流动，从而使一种或多种添加剂很好地散布在添加剂分散介质中。

选择喷嘴44以保持完整性并基于选择通过的材料使堵塞量最小化。喷嘴44包括圆锥形***物45，该圆锥形***物45被选择并布置成在通过的织物30上产生圆锥形的喷射图案。喷嘴44布置在歧管26上，并且选择喷雾图案的力以基本上确保与来自相邻喷嘴44的添加剂材料的喷雾重叠。组合设计该配置、选择的喷射力和选择的添加剂，以增加将添加剂完全施加在织物30，并在织物30的整个表面上是均匀的可能性。

每个歧管26包括第一端盖46和第二端盖48。第一端盖46密封歧管26的内部腔体50，使得引入腔体50中的任何分散介质只能通过端口离开，该端口与喷雾器28的分散介质入口38连接。第二端盖48包括供应端口52，该供应端口52与分散介质供应连结。例如，当空气被用作分散介质时，分散介质供应可以是空气压缩机，其与歧管26的供应端口52可移动地连接。分散介质保持在足以引起与喷雾器28的混合室42中的一种或多种添加剂湍流混合，并且足以迫使添加剂-分散介质混合物以足够的力通过喷嘴44的力下，以到达通过或保持在歧管26附近的织物30。

参考图6和9，每个喷雾器28的添加剂入口40可移动地连接到添加剂供应管54。添加剂供应管54连接到以添加剂源56为代表的一个或多个添加剂源。添加剂源56中所含的一种或多种添加剂的量、类型和速率由添加剂输送控制器58的程序确定。对于每个供应管54而言，添加剂输送控制器58通过管理由多个泵构成的泵装置60的操作来控制通过供应管54的流体速度和流体体积。要注意的是，供应管54的数量和尺寸是可选择的，并且对于任何添加剂喷雾实验，操作中的供应管54的数量也可以通过控制器58的程序来选择。另外，控制器58可以被编程为在连续、周期性或分散的基础上输送一种或多种添加剂。可以在整个喷雾器28的整个阵列中完成对添加剂的输送速率和时间的控制，并且可以在每个喷雾器的基础上完成。

本发明的添加剂施加装置12可以用于改善织物的特性以及使用该织物制成的任何所得产品的特性。尽管用于将添加剂添加到织物的现有系统通常涉及将织物浸入水或包含这种添加剂的另一种溶剂中，但是相对于浸渍方法，本发明使得能够以接近干燥的形式引入添加剂。完成干燥所需的能量更少，使用的溶剂也更少(具有相应的废物清除义务)，并且织物的质量更高，残留湿气也更少。本发明的方法包括产生添加剂和添加剂输送介质的混合物，并将该混合物的分散体导向至待处理的织物。分散的混合物具有足够的湿度，以使添加剂粘附到织物上，同时将添加剂输送介质选择为相对干燥，例如气体如空气。将混合物以选择的图案和速率导向到织物上，以使其在织物上提供基本均匀的分散，并嵌入或粘附在织物上，同时使添加剂的使用效率最大化。使用相对干燥的输送介质减少了在施加添加剂后干燥织物至完成所需的时间和能量。应当理解，添加剂施加装置12，或者至少用于将一种或多种添加剂与添加剂输送介质和喷雾器28结合的那些部件，可以用于使用需要的添加剂来处理表面。例如，如此配置的添加剂施加装置12可以用于将一种或多种添加剂施加到墙壁、地板、椅子、键盘和任何其他感兴趣的表面上。

可以选择添加剂的类型和在单个分散过程中使用的添加剂的数量。添加剂优选为流体形式，例如气体、液体、固体颗粒或其任何组合。可以使用本发明在织物上和织物内展开的添加剂的实例包括但不限于抗微生物剂、染料、水分抑制剂、绝缘材料和流体输送调节剂。材料的纳米颗粒可以通过本发明施加到织物上。合适的纳米颗粒的实例包括但不限于金刚石、金、银、玉、铜、锌及其组合。也可以添加或取代其他类型的颗粒。另外，尽管纳米颗粒在本发明中是合适的添加剂材料，但是以一定的方式确定尺寸的添加剂材料使得它们不能如传统上理解的那样被认为是纳米颗粒，而这些添加剂材料在本发明中也被认为是合适的添加剂。图10示出了具有结合至其纤维的纳米颗粒的织物。此类纳米颗粒还可以用于使用添加剂施加装置12的混合和输送部件来处理其他类型的表面，例如墙壁、地板、椅子、键盘等。

添加剂施加装置12在附图中被示出为更全面和固定的织物处理设备10的一部分。应当理解，添加剂施加装置12存在替代配置。例如，但不限于，添加剂施加装置12可以作为未专门连接至固定结构或较宽的处理装置的移动装置来操作。图11示出了一个示例性移动装置，该示例性移动装置是可容纳本文所述的添加剂施加装置12的部件的移动容器。特别地，移动装置中的添加剂施加装置12包括一个或多个添加剂歧管和多个添加剂喷雾器。该移动装置还包括添加剂供应管，该添加剂供应管连接至或可以连接至一个或多个保持在该移动装置中或与该移动装置分开的添加剂源。该移动装置还包括可编程添加剂输送控制器。它可以包括一个或多个用于将添加剂转移到一个或多个歧管的泵。所述移动装置还可以或替代地包括连接器，以连接到动力和/或流体输送装置，例如泵。如图11所示，为了便于转移，例如当要使用所施加的添加剂处理大面积区域时，可以如图所示使移动装置带轮。

当一种或多种添加剂包括一种或多种纳米颗粒和/或其他固体材料时，优选地，用那些使添加剂在其上堆积最少的材料来处理或制造与这些类型的材料接触的添加剂施加装置12的部件。例如，添加剂供应管54、添加剂入口40、混合室42和喷嘴44由诸如尼龙或聚四氟乙烯的低表面张力材料制成。或者，至少那些部件的添加剂接触表面用低表面张力的材料处理。

将材料加热到其纤维处于粘性状态的任选步骤增加了添加剂在织物、纱线或待处理表面和内部的粘附力。本发明的装置和方法改善了添加剂在织物、纱线之中或之上或表面的均匀性和确定性，同时减少了干燥时间和此类工作的总费用。

尽管在本文中已在关于具体改变材料的物理性质方面描述了加热步骤，但是应当理解，本发明不限于此。本发明包括将所述添加剂施加到任何基底上的方法，其中将基底和添加剂中的任一个或两者加热至适于增强添加剂对基底的粘附的温度。所述基底可以是固体或流体材料。所述基底也可以是产品的组分。例如，图10所示的添加剂粘附在织物纤维上，其中添加剂已被施加到织物上。然而，可以在将添加剂制造成织物之前将其施加到织物的组分上。该组分可以是例如用于制造织物的一种或多种纱线。该组分可以是用于制造织物的一种或多种纱线的纤维。

在用添加剂处理单个纤维的情况下，可以使用添加剂施加装置12或另一种类型的装置将流体添加剂导向纤维。可以加热流体以促进添加剂粘附到纤维上。可以加热纤维以促进该粘附。流体和纤维都可以被加热以增强粘附。可以在将纤维加捻成纱线之前或同时加热，以加热纤维。对于人造纤维，这些人造纤维是由聚合物流体制成的，该聚合物流体通过喷丝头并冷却以形成纤维。在通过各种引入螺杆挤出的方法加捻成纱线之前或在纱线稳定后，添加剂可以在纤维离开喷丝头之前或之后以半固态的形式施加到纤维上。

用添加剂处理的纤维可以是任何形状，包括具有均匀横截面的那些、具有不均匀横截面的那些以及具有至少部分孔隙的那些，例如被称为中空纤维的纤维。所述具有不均匀横截面的纤维，例如具有多个凸角的纤维，包括但不限于X形、Y形和W形纤维，例如适合于加热或不加热的添加剂粘附，因为它们的周长大于横截面均匀的纤维，例如圆形纤维。而且，具有不均匀横截面的纤维有效地形成有谷、凹穴和其他包裹结构，与具有光滑周边的纤维相比，它们更可能保留连接在纤维结构表面和/或内部的所需添加剂。然而，添加剂可以施加到任何形状的纤维上。当纤维形成产品的一部分时，在纤维水平上施用一种或多种所需的添加剂提高了一种或多种添加剂的有效性，因为添加剂被结合在整个产品中，而不是在产品周边的表面上。

此外，尽管本文所述的添加剂施加装置12或移动示例可用于将一种或多种添加剂施加到可选纤维上，但是可通过使用其他类型的施加装置以及通过与添加剂接触将一种或多种添加剂施加到纤维上，所述接触例如将其放置或浸入含有一种或多种添加剂的流体浴中，无论是否加热。在通过喷丝头挤出纤维之前，也可以将一种或多种添加剂掺入聚合物流体中。

将一种或多种具有所需特性的添加剂应用于单根纤维使得形成具有这种特性的新纤维产品。此外，用这种纤维制成的产品如纱线和织物，也是具有这种特性的新产品。更一般地，由于一种或多种添加剂在这些产品表面和内部有效结合，因此本发明制备了所有类型的增强产品，其中那些一种或多种添加剂的至少一部分是纳米颗粒。

本发明已经在关于特定的部件和方法步骤方面描述了将一种或多种添加剂施加到织物上的装置和方法。然而，应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。所有等效物均被视为在本发明说明书的范围内，如以下权利要求书所述。