靛蓝染色工艺和设备以及靛蓝染色纱线和由此制成的织物的制作方法

本申请基于并要求于2016年9月12日提交的美国临时申请序列号62/393,258的优先权权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。本文公开的实施方案总体上涉及适用于使用低湿吸收率涂敷(例如泡沫)对天然纤维和再生天然纤维(例如棉、羊毛、人造丝和其它生物聚合物)进行靛蓝染色的靛蓝染色工艺和设备。还提供了由这种工艺制成的靛蓝染色纱线和由这种靛蓝染色纱线(例如，牛仔布织物)形成的织物，该靛蓝染色纱线和织物显示出极高的色牢度(湿和干两种)。
背景技术：
：用靛蓝进行的传统商业染色是众所周知的。根据一种传统的靛蓝染色方法，通过在几个靛蓝染料桶中的隐色靛蓝中依次浸渍纱线片(具有约65％-75％的高湿吸收率(wetpick-up))从而在每次浸渍后使空气氧化纱线上的染料来染色纱线片。另一种传统的靛蓝染色方法涉及一系列的纱线绳索，每根绳索含有约400根单独的纱线，这些纱线以类似的方式在一系列靛蓝染料桶中染色。片材染色方法通常还包括将浆丝(sizing)应用于纱线的步骤以为编织作准备。绳索染色方法的缺点在于必须打开(并轴(re-beaming))单独的染色绳索，因此绳索中的纱线可以在浆丝时组合以形成用于全宽经纱的必要数量的端部。由于纱线断裂，因此这些额外的步骤显然是劳动密集型的并且是有问题的。传统的绳索染色方法允许连续操作，这是因为一根绳索可以系在另一根绳索的尾部上。另一方面，片材染色方法必须用全输入经轴停止并重置，这从而导致大量浪费和从一批纱线到另一批纱线的潜在颜色变化。传统的靛蓝染色方法使用大量(例如，数千升的数量级)的染料浴液，由于成本和环境问题，必须将染料浴液储存以供下次使用。举例来说，商业靛蓝染料室可能具有储存以备将来使用的几种浴液。必要时，必须清空整个染料范围并用适当的浴液重新填充，或者必须调节现有浴液的浓度。这种转换时间因此降低了范围的效率并降低了质量，因为隐色靛蓝染料在储存中随时间趋于氧化。传统的靛蓝染色方法还相对较慢，例如通常在20-35米/分钟的范围内操作，并且使用过量的水和化学添加剂。举例来说，为了保持隐色染料的状态，通常将还原剂和苛性添加剂加入到染料桶中，以防止被氧化的靛蓝染料积聚，被氧化的靛蓝染料积聚会污染系统和正在被染色的纱线。大量的化学添加剂通常导致溢出。传统的靛蓝染料系统所需的机器由于所需的纱线干燥和拉动大量湿纱线所需的马力而也是能量密集型的。市场上存在这样的趋势：来自绳索系统的经轴(在打开或并轴之后)被拧到各种卷取机构以将每根纱线卷回到圆锥体中。这种纱线用于条带纹(accentstripe)、各种织物的纬线或针织物中。对回收到圆锥体的这种靛蓝染色纱线的需求正在增加。两种传统的靛蓝染色系统都针对大体积，并且因此不利于快速改变客户对时尚的需求，尤其是经纱方向的弹力纱，该弹力纱在任何一种传统系统中都难以处理。还有人提出，因为除了使用化学添加剂(例如在废水中产生盐和高碱度的还原剂和苛性剂)之外还消耗大量的水和能量，所以传统的靛蓝染色方法不是环境上可持续的。这种废水通常能够在传统废物处理设施中使用硫酸中和。但在许多欠发达国家，很少或根本没有可用的废水处理，从而导致环境污染。还已知靛蓝染色方法涉及低湿吸收率技术；例如，靛蓝染料泡沫和气溶胶喷雾的使用。然而，这些技术面临由于气泡(从里到外)的表面积或气溶胶液滴的表面积而导致的高氧暴露的额外问题。因此，氮气用于创建惰性气氛。例如，美国专利no.8,215,138(其全部内容通过引用明确地并入本文)描述了在染料浴液上方的密封容器中使用氮气的益处，并且进一步教导了使用停留室。美国专利no.8,167,958和no.7,913,524(每个专利的全部内容通过引用明确地并入本文)提出了低湿吸收率方法并且需要减少氧存在，从而进一步提出氮介质，然而，这两个专利都没有具体说明在系统的每个元件中它们需要什么水平的氧污染，而且它们也不建议测量系统中的实际氧含量。这些已知系统都没有证明取代传统片材或绳索靛蓝染色所需的成功。传统靛蓝染色的概述可以在文献中找到，例如，在vuorema,anne,reductionandanalysismethodsofindigo(靛蓝的还原和分析方法),isbn978-951-29-3781-3,turunylioopistonjulkaisujaannalesuniversitatisturkuensis(2008)中，该文献的全部内容通过引用明确地并入本文。用于天然纱线和织物的靛蓝染色工艺和设备以及先前提出的低湿吸收率方法可以解决上述传统靛蓝染色系统的缺陷，并且会具有很大的实用性，特别是在那些水稀缺和/或能源昂贵的国家。本文公开的发明的实施方案旨在提供这样的解决方案。技术实现要素：通常，本文公开的实施方案涉及工艺和设备，该工艺和设备使隐色染料分子更充分地扩散到纱线或织物中，在纱线或织物中的隐色染料分子可以在氧化(即，隐色染色的纱线暴露于氧气中)后固定在纤维内，从而大幅度减少纱线或织物上的表面氧化。根据某些实施方案，公开了工艺和设备，凭借该工艺和设备，未染色的纺织产品(例如，由天然纺成纤维形成的纱线片)被引入到具有惰性气氛的氧气吹扫室中。然后脱气的未染色的纺织产品从吹扫室转移到具有无氧气氛的染料涂敷室，在染料涂敷室中使被还原的靛蓝染料溶液与纺织产品接触。然后，被还原的靛蓝染色的纺织产品可以从染料涂敷室排出到停留室中，然后进入含氧气氛中以使涂敷于纺织产品的被还原的靛蓝染料氧化，从而形成靛蓝染色的纺织产品。重要的是，在将被还原的靛蓝染色的纺织产品排出到含氧环境中之前，其被从染料涂敷室转移到具有无氧气氛的停留室中，在停留室中被还原的靛蓝能够渗透到产品中。这种气氛也受温度/湿度控制。辊密封组件可以设置在室的每个入口和出口处，以便密封其中的气氛以防止氧气进入。在这方面，吹扫室和染料涂敷室在大于环境大气压的大气压下操作，并且染料涂敷室内的压力大于吹扫室内的压力。吹扫室可以包括与吹扫室的惰性气氛流体连通的净化系统。染料涂敷室可以包括净化控制单元以控制染料涂敷室内的无氧气氛的氧含量。如果存在，则停留室可以包括水分发生器以控制停留室内的无氧气氛的相对湿度。根据本文公开的实施方案生产的靛蓝染色的纺织产品将显示出由aatcc摩擦测试测定的极高的色牢度。具体地，与传统的靛蓝染色的产品相比，实现了显著更高的湿摩擦值(crockvalue)和干摩擦值。在仔细考虑以下对本发明的优选示例性实施方案的详细描述之后，本发明的这些和其他方面和优点将变得更加清楚。附图说明通过参考以下结合附图的示例性非限制的说明性实施方案的详细描述，本发明的公开实施方案将得到更好和更完全地理解：图1是根据本文所述的本发明实施方案的低吸湿率靛蓝染色设备的示意图；图2是图1的染色设备中采用的辊密封组件的放大详细示意图，该辊密封组件有助于维持其中的无氧气氛；和图3是可以包括至少一个如图1所示的设备的示例性染色系统的示意图。具体实施方式a.定义本文和所附权利要求中所用的以下术语旨在具有以下定义：“长丝”是指极长或不定长度的纤维束。“纤维”是指具有确切长度或短长度的纤维束，例如定长纤维(staplefiber)。“纱线”是指许多长丝或纤维的集合，其可以或可以不被纹理化、纺纱、加捻或铺设在一起。“机织织物”是指由两组纱线(经纱和纬纱)组成并且通过以特定的编织图案(例如，平纹编织、斜纹编织和缎纹编织)交织(编织)两根或更多根经纱和纬纱而形成的织物。因此，在编织期间，经纱和纬纱将被交织以便以直角彼此交叉，从而产生具有所需编织图案的机织织物。“牛仔布织物”是由棉纱形成的编织经面织物，其中纬纱在两根或更多根经纱下通过以形成产生对角线罗纹的斜纹编织，由此经纱被靛蓝染色而纬纱是未染色的。“无氧”是指没有(零ppm)游离氧的室或空间。“天然纤维”是天然形成的纤维，例如纤维素纤维、棉纤维、羊毛纤维等。“合成纤维”是人造纤维，例如尼龙纤维、聚酯纤维、聚烯烃纤维和再生纤维素纤维(如人造丝)。“湿摩擦(wetcrock)”和“干摩擦(drycrock)”是根据美国纺织化学家和染料家协会(aatcc)测试方法8-2016，摩擦色牢度：摩擦脱色评估仪方法中所述的测试方法测定的染色纺织产品的色牢度的测量值，该测试方法的全部内容通过引用明确地并入本文，并且有时可以在本文中称为“aatcc摩擦测试”。“湿吸收率”是在靛蓝染料氧化时纤维基质(例如纱线或织物)上的液体靛蓝染料的重量百分比。b.优选实施方案的描述如下面在式(i)中示意性描绘的，靛蓝染料分子可以通过与例如连二亚硫酸钠接触而被还原成其隐色形式，然后该隐色形式可以通过氧化(例如，暴露于含氧环境，通常是大气)而被再转化为靛蓝染料分子。靛蓝染料分子是深蓝色，而该分子的隐色形式是淡黄色。正是靛蓝染料分子的隐色形式(有时在下文中更简单地称为“隐色靛蓝”)用于本文所述的实施方案的实践中。隐色靛蓝(在本领域中有时称为“预还原靛蓝”)可以从各种商业来源获得，例如，来自dystartextilfarbengmbh&co.(德意志戴斯达纺织品及染料两合公司)，根据美国专利no.6,428,581(其全部内容通过引用明确地并入本文中)制造。根据本文描述的本发明的靛蓝染色设备10的示例性实施方案显示在附图1中。如图所示，设备10特别适合于染色一片相邻的未染色纱线(用附图标记12示意性地示出)，它们以紧密堆积(致密)的并排关系定位。设备10通常包括称为区域1、区域2和区域3的三个不同的无氧区域。区域1-3中的每一个的入口和出口设置有辊密封组件14a-14d，下面将更详细地描述辊密封组件14a-14d。可以说，辊密封组件14a-14b的目的是在基本上从气氛中和从纱线12的纤维空隙中除去氧气之后能够隔绝氧气，并防止环境氧气进入设备10的室。被引入到设备10中的纱线片12的密度小于约2.0纱线/毫米，通常小于约1.5纱线/毫米。因此，该纱线片12的宽度将根据单个纱线尺寸所允许的最大密度而变化。具有较少纱线端部的该纱线片12可以具有优于传统使用的绳索染色系统的若干优点。例如，片内的纱线需要并排放置而不是彼此交叉，因为交叉的纱线会使一些纱线被物理地遮盖而与染料涂敷器隔绝，从而可能不会接收到颜色。该片中纱线12的数量可以根据各种条件而广泛变化。例如，用于小取样、测试和微型化生产运行的片可以具有至少约40个纱线末端，而用于商业生产运行的片可以具有400至480个纱线末端或更多。因此，该纱线片12通过第一辊密封组件14a进入设备10，以便被引导通过供应有氮气环境的、加压的、基本上无氧的吹扫室16。吹扫室16的目的是确保该纱线片12含有最少的(即，小于约30ppm，优选小于约15ppm，通常小于约10ppm的)夹带氧。如果吹扫室16内的可测量氧气在吹扫室中大于约百万分之30(ppm)，则取决于纱线性质以及纱线片的体积和密度，包括可再生催化净化器(例如由johnsonmattheyusa制造的pureguardtm)的净化系统18可以被激活以迫使氮气流在该纱线片12在吹扫室16内的停留时间期间通过该纱线片12。因此，氮气可以在系统18内得到净化，使得被净化的氮气被排回到吹扫室18。现在由附图标记12a表示的脱气(脱氧)的纱线片通过第二辊密封件14b离开吹扫室16并进入位于设备10的区域2中的无氧染料涂敷室20。因此，脱氧的纱线片12a被染料涂敷室20内的合适的导辊引导通过染料涂敷器22，由此将隐色靛蓝涂敷到纱线上。染料涂敷器22可以是用于纺织纱线的任何合适的涂敷器，其允许隐色靛蓝的低湿吸收率。因此，合适的染料涂敷器22能够在涂敷到纱线上的约15％至约60％的湿染料吸收率(wetdyepick-up)，优选30％或更少的湿染料吸收率的范围内操作。合适的涂敷器包括通过在单次涂敷中的喷涂、泡沫、接触滚动而在单次或多次涂敷中将液体介质涂敷到纱线上的涂敷器。优选地，隐色靛蓝从其来源(未示出)以无氧泡沫的形式供应到涂敷器22，由此，通过该泡沫的2至8次涂敷，隐色靛蓝被涂敷到该纱线片12a上，然后以靛蓝染色纱线片的形式离开染料涂敷室20；该靛蓝染色纱线片由附图标记12b表示。染料涂敷室20内的无氧(氮气)气氛可以循环通过湿度和压力控制单元24，湿度和压力控制单元24用于控制染料涂敷室20内的气氛，从而有助于控制纱线12a对染料的湿吸收率。该染色纱线片12b通过第三辊密封组件14c离开染料涂敷室20，并进入位于设备的区域3内的无氧停留室30。在此，该染色纱线片12b沿停留室30内的导辊蜿蜒地通过，以便在停留室30中提供足够的停留时间，使隐色靛蓝扩散到形成纱线12b的纤维的间隙中并附着到纤维上。停留室30内的无氧(氮气)气氛可以循环通过湿度控制单元32，湿度控制单元32用于控制染料涂敷室内的气氛的湿度水平。染色纱线(现在由标号12c表示)通过第四辊密封组件14d离开停留室30并进入氧化和干燥部分(参见图3)，然后到合适的经轴或包装卷绕装置(图1中未示出)上。在离开停留室30时，染色纱线12b将暴露于环境氧条件下，从而氧化靛蓝染料分子。停留室30内的无氧条件提供了在染色过程中所需的足够的水分，以使隐色靛蓝在纱线12b的纤维内扩散。基于染料的匀染性的量度来设定停留室30内的水分、温度和停留参数的长度，但是通常停留室30内的水分含量或相对湿度(rh)会在约90％至约100％之间，通常在约99％至约100％之间。为了在停留室30内获得所需的水分含量(相对湿度)，水分发生器32可以可操作地与停留室30内的气氛相连，以不断地产生和回收水蒸气，以便在室30内保持恒定的湿度条件而纱线上没有冷凝水滴。为了进一步帮助维持染料室20内的零ppm氧含量，优选的是使染料室20在与吹扫室16和停留室30中的每个内的压力条件相比更大的压力条件下操作。因此，根据某些实施方案，染料室20的压力条件比吹扫室16和停留室30中的每个的压力条件大约3％至约15％。举例来说，当吹扫室16内的压力条件在约0(大气压)至5英寸水柱之间，而停留室30内的压力条件可以在约0.2至约5.0英寸水柱之间的范围内。染料室20内的压力条件将具有约0.5至约70英寸水柱之间的压力条件。附图2中示出辊密封件14a，其为图1中所示的所有辊密封件14b-14d的示例性表示。如图所示，辊密封件14a包括一对间隔开的支承辊40a、40b以及位于辊40a、40b之间并与辊40a、40b可操作地接触的压力辊42。压力辊42对支承辊40a、40b的每个的外表面施加压力，从而有效地压紧行进的该纱线片12。辊40a、40b和42中的每个安装成在相对的安装板46之间，并绕其中心纵向轴线旋转运动(应理解，为清楚起见，在图3中仅示出了单个安装板46)。支承辊40a、40b中的每个分别与固定式固体低摩擦密封件44a、44b滑动接触，低摩擦密封件44a、44b由光滑材料例如聚四氟乙烯(ptfe)形成。密封件44a、44b中的每个形状一致，以便在旋转时分别与辊40a、40b的外表面啮合。由于即使采用低摩擦材料来形成密封件44a、44b，密封件44a、44b与支承辊40a、40b之间以及辊40a、40b和42与端板46之间的滑动接触也可能随着时间的推移产生热。这样，可能希望为密封件44a、44b和端板46提供冷却系统，例如，通过使这种结构与冷却块热连通和/或通过使冷却介质(例如，液氮)循环通过支承辊40a和40b。支承辊40a、40b优选地由涂有类金刚石涂层(dlc)的硬质材料(例如不锈钢)或陶瓷材料构成，以减少与密封件44a和44b滑动接触所产生的摩擦。相反，压力辊42优选地由相对软的材料构成或至少具有由相对软的材料形成的外表面区域，例如具有肖氏d硬度(astmd2240)在约65至85之间，优选约70的橡胶类材料。因此，以这种方式，纱线将在较软的压力辊42与较硬的支承辊40a、40b之间被挤压，从而在上游环境和下游环境之间建立可靠的密封。ep1703008中公开了可以用于本发明实践的辊密封件的另一种四辊实施方案，该专利的全部内容通过引用明确地并入本文。在附图3中示意性地描绘了形成靛蓝染色纺织产品的示例性系统。如图所示，该系统将包括至少一个包括如图1所示的设备10的染色单元，以便使靛蓝染色纱线12c能够被引入到下游的干燥室50中。干燥室50内的气氛可以是无氧的，在这种情况下，干燥室10可以直接位于设备10的区域3停留室30的下游，并且干燥室50在其排放口处包括与密封件14a类似的辊密封件。或者，干燥室50可以设置有含氧气氛(例如，通过将氧气引入其中或通过将室50暴露于大气氧气)。在干燥室50之后，纱线12c可以通过被转移到类似于干燥单元1的、用于进一步干燥的另外的干燥单元10'(干燥单元2)而被进一步靛蓝染色，或者可以被合适的卷绕机接收，和/或进行进一步处理。在离开可选的染色单元2后，靛蓝染色的纺织产品可以类似地用另外的染色单元进一步染色，或者被卷绕机构接收，和/或进行进一步处理。如由根据aatcc摩擦测试所测量的湿摩擦值和干摩擦值所证明的，如上所述的实施方案已经产生了显示出极高的色牢度的靛蓝染色的纱线和织物。具体地，通过本文公开的方法和设备生产的纱线和织物显示出极高的湿摩擦值，至少约2.0，通常至少约2.5，通常至少约3.0和更大。相比之下，传统的靛蓝染色的纱线和织物通常不会超过1.5的湿摩擦值，该产业中对于目前的靛蓝染色产品而言通常商业上可接受的值是1.0。此时还不完全了解本发明的染色纺织产品显示出如此极高的色牢度的确切原因。然而，有人提出，因为本文公开的实施方案在完全无氧的环境中操作，并且因为待染色的纱线的纤维空隙内的夹带氧在很大程度上(如果不是全部的话)被去除，所以当染料被涂敷时，最小量的表面隐色靛蓝被氧化。因此，更大量的所涂敷的隐色靛蓝被固定在纱线中。相反，传统的靛蓝染色技术使纤维和纱线表面的表面染料经历氧化和固定，表面染料在纤维和纱线表面更容易被去除。在考虑以下非限制性实施例之后，本发明的这些和其他属性和优点将变得更加清楚。c.实施例使用aatcc摩擦测试检测两种不同的牛仔布棉斜纹组织织物样品的色牢度。除了棉纱被染色的方式之外，牛仔布织物彼此相同。根据本发明的织物1包括使用上面图1和图2中所述的设备染色的棉纱，而织物2包括使用根据现有技术的传统绳索染色靛蓝桶方法染色的棉纱。根据aattc摩擦测试t标准，使用1分(最低色牢度)至5分(最高色牢度)对每种靛蓝染色织物进行分级。结果列于下表1中。表1：aatcc摩擦测试结果aatcc摩擦测试织物1(本发明)织物2(现有技术)干摩擦值4.53.0湿摩擦值3.01.5如上表1中的aatcc摩擦测试结果所述，本发明的靛蓝染色的牛仔布织物与现有技术的织物相比显示出显著更高的干摩擦值和湿摩擦值。这些结果特别令人惊讶，因为如本文所述的本发明的技术在没有任何还原剂或苛性化学品被添加到染料系统中(这是传统染色系统所需的)的情况下实现了极高的色牢度，在染料涂敷后对该范围没有进行纱线的洗涤。此外，本发明的技术不产生废水排放，而是在干燥时从纱线中简单地蒸发所用的水。因此，本发明的技术生产在具有极高色牢度的靛蓝染色产品的同时是既高度经济又环境友好的。************************可以设想在本领域技术人员的技能范围内的各种修改。因此，虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施方案描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的实施方案，而正相反，本发明旨在涵盖其精神和范围内的各种修改和等同安排。当前第1页12