ТЕМПЕРАТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ КОМПОЗИТ ДЛЯ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ Российский патент 2014 года по МПК G02B6/122 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к термочувствительным кристаллам или, говоря более конкретно, к фотонным кристаллам на основе инверсных опалов, содержащим в пустотах инверсного опала материал, чувствительный к температурным изменениям, что приводит к изменению ширины запрещенной зоны, т.е. полосы излучения, отражаемого фотонным кристаллом.

Описание уровня техники

Фотонные кристаллы представляют собой оптические материалы, у которых показатель преломления варьируется в различных направлениях. Фотонные кристаллы могут быть получены из кристаллических коллоидных массивов, отражающих излучение в соответствии с законом Брэгга в диапазоне длин волн, который зависит от состава материалов массива, размера частиц, компоновки частиц в массиве и степени регулярности массива. В качестве трехмерно упорядоченных массивов монодисперсных коллоидных частиц использовались кристаллические коллоидные массивы, которые зачастую образованы из полимерного латекса, такого как полистирольный латекс, или неорганического материала, такого как диоксид кремния. Коллоидные дисперсии частиц могут образовывать кристаллические структуры, характеризующиеся периодами кристаллической решетки, сопоставимыми с длиной волны излучения в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях длин волн. Такие кристаллические структуры используются для отфильтровывания узких полос выбранных длин волн из широкого спектра падающего излучения при одновременном пропускании соседних длин волн излучения.

Такие кристаллические коллоидные массивы обычно характеризуются постоянным расстоянием между частицами в массиве, в то время как другие кристаллические коллоидные массивы могут оказаться термически активными, изменяя расстояние между частицами в ответ на возбуждающее воздействие, такое как изменение температуры. Термочувствительные кристаллические коллоидные массивы традиционно получают из гидрогелей. В устройствах на основе гидрогелей монодисперсные высокозаряженные коллоидные частицы диспергированы в водных средах. Частицы самоагрегируются в виде кристаллических коллоидных массивов вследствие наличия электростатических зарядов. Упорядоченная структура дифрагирует излучение в соответствии с законом Брэгга, где излучение, соответствующее условию Брэгга, отражается, в то время как соседние спектральные области, которые не соответствуют условиям Брэгга, пропускаются через устройство. Массив частиц, дифрагирующий излучение в соответствии с законом Брэгга, удовлетворяет уравнению:

mλ=2ndsin θ,

где m представляет собой целое число, λ представляет собой длину волны отраженного излучения, n представляет собой эффективный показатель преломления массива, d представляет собой расстояние между слоями частиц, θ представляет собой угол, который отраженное излучение образует с плоскостью слоя частиц. Таким образом, в результате увеличения размера частиц или увеличения объема матрицы между слоями частиц расстояние (d) между слоями частиц увеличивается, что, тем самым, приводит к изменению длины волны дифрагированного излучения. Размер частиц и/или объем матрицы могут увеличиваться в ответ на некое воздействие, такое как изменение температуры, вызывающее набухание частиц или матрицы. Аналогичным образом, изменение эффективного показателя преломления массива также может смещать длину волны дифрагированного излучения.

Другие фотонные кристаллы в своей основе имеют инверсные опалы. Из субмикронных сфер диоксида кремния однородного размера, которые скомпонованы в виде упорядоченного периодического массива, получали структуры синтетического опала. Пустоты между сферами диоксида кремния заполняют материалом матрицы с последующим растворением сфер диоксида кремния для получения периодического массива пустот в материале однородной матрицы. Для регулирования оптических свойств инверсного опала пустоты могут быть заполнены композицией наполнителя.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение включает композитный фотонный кристалл, содержащий структуру инверсного опала с упорядоченным массивом пустот и композицию наполнителя в пустотах, где свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на возбуждающее воздействие, приводя к изменению ширины запрещенной зоны или полосы излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом. Кроме того, настоящее изобретение включает способ обнаружения изменения температуры, включающий получение композитного фотонного кристалла, содержащего структуру инверсного опала с упорядоченным массивом пустот и композицию наполнителя в пустотах, где свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на изменение температуры; изменение температуры композитного фотонного кристалла; и детектирование изменения ширины фотонной запрещенной зоны композитного фотонного кристалла. Один из способов получения температурно-чувствительного композитного фотонного кристалла включает получение инверсного опала с множеством пустот, заполнение пустот полимеризуемой композицией наполнителя и полимеризацию композиции наполнителя, где свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на изменение температуры, приводя, тем самым, к изменению ширины запрещенной зоны или полосы излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом.

Краткое описание чертежа

Фиг.1 представляет собой график зависимости пика дифракции материала по настоящему изобретению от изменения температуры.

Осуществление изобретения

Для целей следующего далее подробного описания изобретения необходимо понимать, что настоящее изобретение предусматривает различные альтернативные варианты и последовательности стадий за исключением тех случаев, когда явно указано обратное. Кроме того, во всех случаях, кроме конкретных примеров осуществления и тех случаев, когда явно указано иное, все числа, использующиеся в описании изобретения и формуле изобретения и выражающие, например, количества ингредиентов, должны всегда пониматься как предваряемые термином «приблизительно». Соответственно, численные параметры, приведенные в следующем далее описании изобретения и приложенной формуле изобретения, представляют собой приближенные величины, которые могут варьироваться в зависимости от свойств, которые желательно получить при использовании настоящего изобретения, если в явном виде не указано обратное. В самом крайнем случае и не в порядке попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему притязаний по формуле изобретения, каждый численный параметр необходимо по меньшей мере воспринимать в свете числа указанных значащих цифр и с учетом использования обычных методик округления. Несмотря на то, что численные диапазоны и параметры, определяющие объем притязаний по настоящему изобретению, являются приближенными величинами, численные величины, приведенные в конкретных примерах, представлены насколько возможно точно. Тем не менее любой численной величине по самой ее природе внутренне присущи определенные погрешности, с неизбежностью возникающие в результате стандартного отклонения, обнаруживаемого при ее измерениях в соответствующих испытаниях.

Кроме того, необходимо понимать, что любой численный диапазон, упомянутый в настоящем документе, предполагает включение всех содержащихся в нем поддиапазонов. Например, диапазон «от 1 до 10» предполагает включение всех поддиапазонов от указанной минимальной величины 1 (включительно) до указанной максимальной величины 10 (включительно), то есть включающих минимальное значение, равное 1 или больше, и максимальное значение, равное 10 или меньше.

В данной заявке использование единственного числа включает использование множественного числа, а множественное число охватывает единственное число, если конкретно не указано иное. В дополнение к этому, в данной заявке «или» означает «и/или», если конкретно не указано иное, даже несмотря на то, что «и/или» в определенных случаях может использоваться непосредственно.

Подразумевается, что термин «полимер» включает гомополимер, сополимер и олигомер. Термин «металл» включает металлы, оксиды металлов и металлоиды. Термин «вводить» и родственные ему термины (такие как введение) относятся к проникновению из жидкой фазы.

Композитный фотонный кристалл

Настоящее изобретение включает температурно-чувствительные композитные фотонные кристаллы, предназначенные для контроля длины волны излучения, которое достигает какого-либо субстрата. Материал по настоящему изобретению дифрагирует излучение в видимом и/или невидимом диапазоне электромагнитного спектра, и настоящее изобретения, кроме того, включает способы получения такого материала. Настоящее изобретение описывается с использованием терминов «длина волны дифракции» или «пик дифракции», которые означают полосу пика излучения, отражаемого материалом по настоящему изобретению при дифракции. Таким образом, «длина волны дифракции» соответствует полосе излучения, имеющего длины волны, которые в целом соответствуют закону Брэгга. Отраженное излучение может находиться в видимом спектре или невидимом спектре (например, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение).

Композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению включает структуру инверсного опала с упорядоченным массивом пустот и композицию наполнителя в пустотах. Свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на возбуждающее воздействие, такое как изменение температуры, приводя, тем самым, к изменению ширины запрещенной зоны или полосы излучения, отражаемой композитным фотонным кристаллом. В одном варианте осуществления в ответ на возбуждающее воздействие, такое как изменение температуры, изменяется показатель преломления композиции наполнителя. Как следствие, изменяется эффективный показатель преломления композитного фотонного кристалла. Изменение эффективного показателя преломления смещает длину волны дифракции (λ). Данное смещение длины волны дифракции композитным фотонным кристаллом также влияет на контраст, связанный с композитным фотонным кристаллом, в смысле количества излучения, которое отражается этим кристаллом. Таким образом, при приложении возбуждающего воздействия, такого как изменение температуры, фотонный кристалл будет проявлять изменение длины волны дифракции, а также изменение контраста.

Инверсные опалы, использующиеся для получения композитного фотонного кристалла по настоящему изобретению, могут быть получены в соответствии с обычными методиками. Например, может быть получен периодический массив частиц, который заполняют композицией матрицы, которую после этого фиксируют вокруг упорядоченного массива частиц. Под фиксацией понимается то, что материал матрицы отверждают или сшивают или другим образом фиксируют в окрестности частиц, создавая кристаллический упорядоченный массив. Частицы могут быть удалены из массива посредством растворения частиц в растворителе или в результате нагревания материала для разложения и испарения частиц. Например, полистирольные частицы или другие полимерные частицы могут быть растворены в таком растворителе, как толуол, с последующим нагреванием для испарения толуола, в результате чего получается структура инверсного опала. Получающийся в результате инверсный опал включает материал фиксированной матрицы с периодическим массивом пустот в нем. Настоящее изобретение не ограничивается ни методикой получения такого инверсного опала, ни материалами частиц, которые удаляют для получения инверсного опала.

Подходящий для использования в качестве композиции наполнителя для наполнения пустот инверсного опала материал включает материалы, обладающие каким-либо свойством, которое изменяется при возбуждающем воздействии. Одним из неограничивающих примеров возбуждающего воздействия является изменение температуры, вызывающее изменение свойств материала наполнителя. В одном варианте осуществления при изменении температуры изменяется проводимость композиции наполнителя. Например, композиция наполнителя, проводимость которой изменяется в ответ на изменение температуры, может при изменении температуры демонстрировать переход от свойств проводника к свойствам изолятора (или наоборот), как, например, диоксид ванадия и т.п. Изменение проводимости композиции наполнителя в пустотах инверсного опала приводит к изменению показателя преломления композиции наполнителя, что, тем самым, изменяет разницу показателей преломления между заполненными пустотами и окружающей матрицей инверсного опала. Изменение разницы показателей преломления между заполненными пустотами и матрицей приводит к изменению контраста композитного фотонного кристалла, что может быть обнаружено как изменение количества излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом. Для излучения, отражаемого в видимом спектре, изменение контраста может быть обнаружено как увеличение или уменьшение яркости отраженного излучения. В дополнение к этому, изменение показателя преломления композиции наполнителя также приводит к изменению эффективного показателя преломления композитного фотонного кристалла, приводя, тем самым, к смещению длины волны дифракции. Таким образом, при использовании в качестве композиции наполнителя в композитном фотонном кристалле материала проводника-изолятора изменение температуры приводит к изменению контраста и смещению длины волны дифракции.

В еще одном варианте осуществления композиция наполнителя содержит полимерную композицию, которая при изменении температуры изменяет свою конформацию. Под конформацией понимается трехмерная форма полимерных цепей композиции. Один из подходящих для использования полимерных материалов представляет собой гребнеобразный кристаллический полимер, такой как акриловые материалы, содержащие по меньшей мере 8 атомов углерода, например стеарилакрилат. В общем случае объем пространства, занятого гребнеобразным кристаллическим полимером, увеличивается с увеличением температуры, поскольку боковые цепи гребнеобразного полимера релаксируют при большей температуре, приводя, тем самым, к расширению конформации полимера с занятием большего объема в пространстве.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения гребнеобразный кристаллический полимер получают в пустотах в инверсном опале in situ. Пустоты заполняют мономерными предшественниками, и эти предшественники полимеризуются в пустотах в результате, например, осуществления ультрафиолетового (УФ) отверждения с получением полимерного материала, который заключен в пустотах. Мономеры, которые могут быть использованы для получения гребнеобразных кристаллических полимеров, включают миристил(мет)акрилат, цетил(мет)акрилат, стеарил(мет)акрилат, арахинил(мет)акрилат, бегенил(мет)акрилат.

Композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению особенно хорошо подходит для отфильтровывания запрещенных зон излучения. Например, фотонный кристалл по настоящему изобретению может использоваться для контроля инфракрасного излучения, которое достигает какого-либо субстрата. Инфракрасное излучение в солнечном свете отвечает за нагревание поверхностей зданий, дорог и тому подобного. Фотонный кристалл по настоящему изобретению может быть отрегулирован таким образом, чтобы при достижении фотонным кристаллом некоторой заданной температуры, которая считается неприемлемой для поверхности под кристаллом, композиция наполнителя, удерживаемая в полостях, изменялась бы таким образом, чтобы вызвать смещение длины волны дифракции, приводя, тем самым, к отражению света в запрещенной зоне, например к отражению инфракрасного излучения. Композитный фотонный кристалл, полученный в соответствии с настоящим изобретением, который отражает инфракрасное излучение при достижении заданной температуры, может быть использован для контроля нагревания поверхности солнечным светом. Например, композитный фотонный кристалл, отражающий инфракрасное излучение при повышенных температурах, может быть нанесен на поверхности зданий или транспортных средств или другие структуры, подвергаемые солнечному излучению. В случае достижения на поверхности структуры заданной температуры длина волны дифракции композитного фотонного кристалла, расположенного на этой поверхности, сместится таким образом, чтобы отражать инфракрасное излучение. При охлаждении длина волны дифракции смещается обратно, так что инфракрасное излучение больше не будет отражаться. В альтернативном варианте ширина запрещенной зоны может быть отрегулирована таким образом, что достигающее поверхности инфракрасное излучение будет проходить через фотонный кристалл и не будет отражаться, приводя к нагреву структуры под кристаллом. В результате достижения инфракрасным излучением структуры под кристаллом эта структура может нагреваться, что предотвращает нарастание льда на поверхности в зимнее время. Необходимо понимать, что композиция наполнителя, заключенная в пустотах композитного фотонного кристалла по настоящему изобретению, может быть настроена таким образом, чтобы отражение от композитного фотонного кристалла излучения в запрещенной зоне, оказывало благоприятное воздействие на подложку, несущую композитный фотонный кристалл, например в результате отражения инфракрасного излучения или сквозного прохождения инфракрасного излучения при отражении излучения в другой области, такой как область видимого излучения.

Как детально описано ниже, композитный фотонный кристалл может быть получен на подложке, выступающей в качестве временной основы, или на подложке, представляющей собой желательный вариант для конечного использования композитного фотонного кристалла. Под временной основой понимается то, что подложку используют в качестве основы в ходе получения композитного фотонного кристалла по настоящему изобретению, но затем этот кристалл удаляют с основы в самоподдерживающейся форме, такой как, например, самоподдерживающаяся пленка или измельченный порошок частиц. После этого пленка композитного фотонного кристалла или частицы композитного фотонного кристалла могут быть нанесены на другую основу или могут быть добавлены к композиции (такой как композиция покрытия) для своего окончательного конечного варианта использования. Конечный вариант использования и конечная форма термочувствительного материала не ограничиваются теми вариантами, которые раскрыты в настоящем документе.

Подложка

В качестве подложки может использоваться гибкий материал, такой как металлический лист или фольга (например, алюминиевая фольга), бумага или пленка (или лист) из сложного полиэфира или полиэтилентерефталата (ПЭТФ), или негибкий материал, такой как стекло или пластмасса. Под термином «гибкий» понимается то, что подложка может подвергаться воздействию механических напряжений, таких как при изгибании, растяжении, сжатии и тому подобном, без возникновения значительных необратимых изменений. Одной подходящей для использования подложкой является микропористый лист. Некоторые примеры микропористых листов описываются в патентах США №4833172; 4861644; и 6114023, которые включаются в настоящий документ посредством ссылки. Коммерчески доступные микропористые листы продаются под обозначением Teslin® компанией PPG Industries, Inc. Другие подходящие для использования гибкие подложки включают натуральную кожу, искусственную кожу, выделанную натуральную кожу, выделанную искусственную кожу, замшу, винил-нейлон, этиленвинилацетатный пеноматериал (пеноматериал ЭВА), термопластичный уретан (ТПУ), камеры, заполненные жидкостью, полиолефины и полиолефиновые смеси, поливинилацетат и его сополимеры, поливинилхлорид и его сополимеры, уретановые эластомеры, синтетические текстили и натуральные текстили.

В некоторых вариантах осуществления гибкими подложками являются сжимаемые подложки. Термин «сжимаемая подложка» и тому подобные термины относятся к подложкам, способным подвергаться деформации сжатия и восстанавливать по существу ту же самую форму сразу после прекращения воздействия деформации сжатия. Термин «деформация сжатия» означает механическое напряжение, которое уменьшает объем подложки, по меньшей мере временно, по меньшей мере в одном направлении. Сжимаемой подложкой является та, которая, например, характеризуется относительным сжатием 50% и более, например 70, 75 или 80% и более. Конкретные примеры сжимаемых подложек включают те, которые включают пеноматериал и полимерные камеры, заполненные воздухом, жидкостью и/или плазмой. «Пеноматериал» может быть полимерным или природным материалом, включающим пеноматериал с открытыми порами и/или пеноматериал с закрытыми порами. «Пеноматериал с открытыми порами» означает, что пеноматериал включает множество взаимосвязанных воздушных полостей; «пеноматериал с закрытыми порами» означает, что пеноматериал включает дискретные замкнутые поры. Примеры пеноматериалов включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: пенополистиролы, поливинилацетат и/или его сополимеры, поливинилхлорид и/или его сополимеры, пенополи(мет)акрилимиды, пенополивинилхлориды, пенополиуретаны, термопластичные пеноуретаны, пенополиолефины и полиолефиновые смеси. Пенополиолефины включают нижеследующее, но не ограничиваются только этим: пенополипропилены, пенополиэтилены и этиленвинилацетатные («ЭВА») пеноматериалы. «Пеноматериал ЭВА» может включать пеноматериал с открытыми порами и/или пеноматериал с закрытыми порами. Пеноматериал ЭВА может включать плоские листы, или пластины, или формованные пеноматериалы ЭВА, такие как прослойки между стелькой и подошвой обуви. Различные типы пеноматериала ЭВА могут характеризоваться различными типами пористости поверхности. Формованный пеноматериал ЭВА может иметь плотную поверхность или корку, в то время как плоские листы или пластины могут иметь пористую поверхность.

Полиуретановые подложки по настоящему изобретению включают термопластичный уретан на основе ароматического, алифатического и гибридного сложного или простого полиэфира (примерами гибридов являются силиконовый полиэфируретан на основе простого или сложного эфиров и силиконовый карбонатуретан). Под «пластмассой» понимается любой из обычных термопластичных или термоотверждающихся синтетических материалов, включающих термопластичные олефины («ТПО»), такие как полиэтилен и полипропилен и их смеси, термопластичный уретан, поликарбонат, листовой формовочный материал, материал, перерабатываемый методом реакционного литьевого формования, материалы на основе акрилонитрила, нейлон и тому подобное. Конкретной пластмассой является ТПО, который включает полипропилен и материал ЭПДМ (этилен-пропилен-диеновый мономер).

Композитный фотонный кристалл может быть нанесен на изделие различными способами. В одном варианте осуществления материал получают на подложке, а после этого удаляют с подложки в виде самоподдерживающейся пленки или измельчают для получения формы частиц, такой как форма чешуек. Измельченный композитный фотонный кристалл может быть включен в качестве добавки в композицию покрытия для нанесения на изделие. Выгодным может оказаться сведение к минимуму мутности композиции покрытия, содержащей измельченный композитный фотонный кристалл. Уменьшенная мутность может быть достигнута в результате уменьшения разницы показателей преломления между матрицей и частицами композитного материала. Однако уменьшение разницы показателей преломления в общем случае приводит к уменьшению интенсивности преломленного излучения. Поэтому в случае, когда желательна минимальная мутность и в связи с этим уменьшена разница показателей преломления, интенсивность можно сохранить путем увеличения толщины композитного фотонного кристалла, то есть в результате увеличения количества слоев частиц в материале по сравнению с количеством слоев части в материале, у которого показатели преломления матрицы и частиц отличаются друг от друга в большей степени.

В одном варианте осуществления композиция покрытия включает «твердое покрытие», такое как в случае алкоксида. Алкоксид может быть дополнительно перемешан и/или введен в реакцию с другими соединениями и/или полимерами, известными на современном уровне техники. Особенно подходят для использования композиции, содержащие силоксаны, образованные в результате по меньшей мере частичного гидролиза органоалкоксисилана, такого как описываемый приведенной выше формулой. Примеры подходящих для использования алкоксидсодержащих соединений и способов их получения описываются в патентах США №6355189; 6264859; 6469119; 6180248; 5916686; 5401579; 4799963; 5344712; 4731264; 4753827; 4754012; 4814017; 5115023; 5035745; 5231156; 5199979 и 6106605, которые включаются в настоящий документ посредством ссылки.

В некоторых вариантах осуществления алкоксид включает комбинацию из глицидокси[(C₁-C₃)алкил]три(C₁-C₄)алкоксисиланового мономера и тетра(C₁-C₆)алкоксисиланового мономера. Глицидокси[(C₁-C₃)алкил]три(C₁-C₄)алкоксисилановые мономеры, подходящие для использования в композициях покрытий по настоящему изобретению, включают глицидоксиметилтриэтоксисилан, α-глицидоксиэтилтриметоксисилан, β-глицидоксиэтилтриэтоксисилан, α-глицидоксиэтилтриметоксисилан, β-глицидоксиэтилтриэтоксисилан, α-глицидоксипропилтриметоксисилан, α-глицидоксипропилтриэтоксисилан, β-глицидоксипропилтриметоксисилан, β-глицидоксипропилтриэтоксисилан, γ-глицидоксипропилтриметоксисилан, их гидролизаты и/или смеси таких силановых мономеров. Подходящие для использования тетра(С₁-C₆)алкоксисиланы, которые могут быть использованы в комбинации с глицидокси[(C₁-C₃)алкил]три(C₁-C₄)алкоксисиланом в композициях покрытий по настоящему изобретению, включают, например, такие материалы, как тетраметоксисилан, тетраэтоксисилан, тетрапропоксисилан, тетрабутоксисилан, тетрапентилоксисилан, тетрагексилоксисилан и их смеси.

В некоторых вариантах осуществления глицидокси[(С₁-C₃)алкил]три(C₁-C₄)алкоксисилановые и тетра(C₁-C₆)алкоксисилановые мономеры, использующиеся в композициях покрытий по настоящему изобретению, присутствуют с массовым соотношением между глицидокси[(C₁-C₃)алкил]три(C₁-C₄)алкоксисиланом и тетра(C₁-C₆)алкоксисиланом в диапазоне от 0,5:1 до 100:1, таком как от 0,75:1 до 50:1, а в некоторых случаях от 1:1 до 5:1. В некоторых вариантах осуществления алкоксид по меньшей мере частично гидролизуют перед его объединением с другими компонентами композиции покрытия, такими как заключенные в полимер частицы, придающие окраску. Такая реакция гидролиза описывается в патенте США №6355189, в столбце 3, на строках 7-28, причем процитированная часть включается в настоящий документ посредством ссылки. В некоторых вариантах осуществления подается вода в количестве, необходимом для гидролиза гидролизуемого алкоксида (алкоксидов). Например, в некоторых вариантах осуществления вода присутствует в количестве, составляющем по меньшей мере 1,5 моля воды в расчете на один моль гидролизуемого алкоксида. В некоторых вариантах осуществления подходящей для использования может быть атмосферная влага, если таковой достаточно.

В некоторых вариантах осуществления для катализа реакции гидролиза и конденсации используют катализатор. В некоторых вариантах осуществления катализатор представляет собой кислотный материал и/или материал, отличный от кислотного материала, но который генерирует кислоту при воздействии актиничного излучения. В некоторых вариантах осуществления кислотный материал выбирают из органической кислоты, неорганической кислоты или их смеси. Неограничивающие примеры таких материалов включают уксусную, муравьиную, глутаровую, малеиновую, азотную, хлористо-водородную, фосфорную, фтористо-водородную, серную кислоту или их смеси.

В качестве катализатора гидролиза и конденсации в композициях покрытия по настоящему изобретению может использоваться любой материал, который генерирует кислоту при воздействии актиничного излучения, такой как кислота Льюиса и/или кислота Бренстеда. Неограничивающие примеры генерирующих кислоту соединений включают ониевые соли и иодозильные соли, ароматические диазониевые соли, металлоцениевые соли, о-нитробензальдегид, полиоксиметиленовые полимеры, описанные в патенте США №3991033, о-нитрокарбинольные сложные эфиры, описанные в патенте США №3849137, о-нитрофенилацетали, их сложные полиэфиры и производные, имеющие введенные концевые группы, описанные в патенте США №4086210, сложные эфиры сульфокислот или ароматические спирты, имеющие карбонильную группу в альфа- или бета-положении по отношению к группе сложного эфира сульфокислоты, N-сульфонилоксипроизводные ароматического амида или имида, ароматические оксимсульфонаты, хинондиазиды и смолы, имеющие в цепи бензоиновые группы, такие как те, которые описаны в патенте США №4368253. Примеры таких кислотных катализаторов, активируемых излучением, также описываются в патенте США №5451345.

В некоторых вариантах осуществления соединение, генерирующее кислоту, представляет собой катионный фотоинициатор, такой как ониевая соль. Неограничивающие примеры таких материалов включают диарилиодониевые соли и триарилсульфониевые соли, которые коммерчески доступны под обозначением SarCat® CD-1012 и CD-1011 в Sartomer Company. Другие подходящие для использования ониевые соли описываются в патенте США №5639802, во фрагменте от столбца 8, строка 59 до столбца 10, строка 46. Примеры таких ониевых солей включают тетрафторборат 4,4'-диметилдифенилиодония, гексафторантимонат фенил-4-октилоксифенилфенилиодония, гексафторантимонат додецилдифенилиодония, гексафторантимонат [4-[(2-тетрадеканол)окси]фенил]фенилиодония и их смеси.

Количество использующегося в композициях покрытия по настоящему изобретению катализатора может варьироваться в широких пределах и зависит от конкретных использующихся материалов. Требуется только то количество, которое необходимо для катализа и/или инициации реакции гидролиза и конденсации, например катализирующее количество. В некоторых вариантах осуществления кислотный материал и/или материал, генерирующий кислоту, могут быть использованы в количестве от 0,01 до 5% (масс.) в расчете на совокупную массу композиции.

Композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению также может быть использован в маркировочных устройствах, в том числе в ценных бумагах, изделиях промышленного производства и их упаковке, а также в документах, удостоверяющих личность, в частности в устройствах для борьбы с контрафактом. Примеры ценных бумаг включают валюту, кредитные карты, сертификаты соответствия, предметы коллекционирования и коллекционные карточки, письменные документы, охранные документы или регистрационные документы (например, на автомобиль), самоклеящиеся этикетки соответствия, билеты (например, билеты на проезд, посещение мероприятий или штрафные талоны за нарушение правил парковки), отметки об уплате налога, монеты, почтовые марки, чеки и платежные поручения, бланки для документов, лотерейные билеты, жетоны и/или бирки, документы строгой отчетности (например, свидетельства), ключ-карточки, ключи, устройства слежения и сопровождения, а также части штрих-кода. Изделия промышленного производства или упаковка изделий промышленного производства могут включать детали летательных аппаратов, детали автомобилей, такие как идентификационные номера транспортных средств, фармацевтические продукты и средства личной гигиены, носители для регистрации информации, одежду и обувь, электронные устройства, аккумуляторы, офтальмологические устройства, алкоголь, продукты питания, типографские краски и типографские расходные материалы, письменные принадлежности, предметы роскоши, такие как чемоданы и дамские сумочки, спортивные товары, программное обеспечение и упаковку программного обеспечения, пломбы от несанкционированного вскрытия, художественные изделия (в том числе оригинальные произведения искусства), строительные материалы, военное снаряжение, игрушки, топливо, промышленное оборудование, биологические материалы и живые товары, ювелирные украшения, книги, антиквариат, устройства безопасности (например, огнетушители и фильтры), ковры и другие предметы мебели, химические реагенты, медицинские устройства, краски и покрытия, а также окна и диапозитивы. Примеры удостоверений личности, которые могут содержать композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению, включают водительские удостоверения, идентификационные карточки (правительственные, корпоративные и образовательные), паспорта, визы, свидетельства о браке, больничные браслеты и дипломы. Данные примеры не должны восприниматься как ограничение настоящего изобретения и представляют собой всего лишь иллюстративную выборку устройств, которые могут содержать композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению. Такие варианты использования не должны восприниматься как ограничение настоящего изобретения.

В дополнение к этому, композитный фотонный кристалл может быть получен в форме пленки, которую после этого наносят на изделие, например при использовании клея и тому подобного.

В альтернативном варианте само изделие может исполнять функцию подложки в результате нанесения композитного фотонного кристалла непосредственно на корпус изделия, например на корпус электронного устройства, или непосредственно на товары, такие как легкоатлетический инвентарь, аксессуары, оптические линзы, оптические рамы, одежда, в том числе обувь, и тому подобное.

Композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению может быть использован для подтверждения подлинности изделия, например подлинности документа или устройства, или для идентификации источника происхождения продукта промышленного производства. Документ, такой как карточка-пропуск, содержащий композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению, может считаться подлинным, если изделие, содержащее термочувствительный материал, обладает соответствующими свойствами, такими как чувствительность к изменению температуры. «Карточка-пропуск» включает документы или устройства, удостоверяющие личность их владельца или разрешающие допуск к объекту. Она может иметь форму бэйджа. Карточка-пропуск может идентифицировать владельца карточки (например, фотоидентификационная карточка или паспорт) или может исполнять функцию документа или устройства, указывающего на разрешение доступа их владельца на режимный объект. Например, карточка-пропуск, которая выглядит подлинной, может быть подвергнута испытанию на наличие свойств дифракции конкретной длины волны излучения при конкретной температуре. Контрафактная карточка-пропуск не могла бы в таком случае иметь данное свойство. Аналогичным образом, потребители изделия (такого как фармацевтический продукт), предложенного в упаковке, имеющей термопереключаемый материал по настоящему изобретению, могут подвергнуть упаковку испытанию на ее подлинность путем проведения испытания на отклик ее термочувствительных свойств на изменения температуры. Упаковка, которая не дает надлежащего отклика, считалась бы контрафактной, в то время как упаковка, которая действительно обладает данным свойством, считалась бы подлинной. Другие потребительские товары также могут включать композитный фотонный кристалл по настоящему изобретению. Например, такой кристалл может присутствовать на корпусе продукта промышленного производства (например, электронных устройств) или на поверхности предмета одежды (например, обуви). Указанные примеры изделий для удостоверения подлинности и температурный отклик нанесенного на них материала по настоящему изобретению не должны восприниматься как ограничение настоящего изобретения. Изделия для удостоверения подлинности могли бы включать композитный фотонный кристалл, демонстрирующий температурный отклик, который может быть использован в качестве индикатора подлинности изделия.

Кроме того, композитный фотонный кристалл может быть по меньшей мере частично покрыт композицией покрытия в многослойной структуре. В одном варианте осуществления на композитный фотонный кристалл наносят описанную выше композицию покрытия в виде «твердого покрытия». В еще одном варианте осуществления на композитный фотонный кристалл наносят противоотражающее покрытие, такое как в случае многослойного противоотражающего пакета. Противоотражающее покрытие может быть получено из диэлектрического материала; например из оксидов металлов, таких как Zn₂SnO₄, In₂SO₄, SnO₂, TiO₂, In₂O₃, ZnO, Si₃N₄ и/или Bi₂O₃, осажденных в результате напыления.

Следующие далее примеры представлены для демонстрации общих принципов настоящего изобретения. Данное изобретение не ограничивается конкретными представленными примерами. Все части в примерах являются массовыми, если не указано иное.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Дисперсию полистирольных частиц в воде получали по следующей далее методике. 2,5 грамма (г) бикарбоната натрия от компании Aldrich Chemical Company, Inc. перемешивали с 2250 г деионизованной (ДИ) воды и 150 г этиленгликоля, предлагаемыми компанией Aldrich Chemical Company, Inc., и добавляли в 5-литровую реакционную колбу, снабженную термопарой, обогревающим кожухом, мешалкой, дефлегматором и впускным отверстием для азота. Через смесь в течение 43 минут при перемешивании продували азот, а после этого над ней формировали атмосферу азота. В смесь при перемешивании добавляли 10,5 грамма Aerosol MA80-I от компании Cytec Industries, Inc., 4,0 г Brij 35 (полиоксиэтилен(23)лауриловый простой эфир) от компании Aldrich Chemical Company, Inc. и 1,0 г стиролсульфоната натрия (CCH) от компании Aldrich Chemical Company, Inc. в 25 г ДИ воды. Смесь нагревали до приблизительно 50°C при использовании обогревающего кожуха. В реакционную колбу при перемешивании добавляли мономерный стирол (520 г), доступный в компании Aldrich Chemical Company, Inc. Смесь нагревали до 65°C. К смеси при перемешивании добавляли персульфат натрия от компании Aldrich Chemical Company, Inc. (6,25 г в 72 г ДИ воды). При перемешивании температуру в течение 6 часов выдерживали равной приблизительно 65°C. При перемешивании в реакционную смесь добавляли смесь из ДИ воды (450 г), Brij 35 (1,5 г), персульфата натрия (1,5 г), стирола (100 г), метилметакрилата (100 г) и стиролсульфоната натрия (1,6 г), все из которых доступны в компании Aldrich Chemical Company, Inc. Температуру смеси в течение приблизительно еще 2 часов выдерживали равной 65°C. Получающуюся в результате полимерную дисперсию отфильтровывали через одномикронный мешочный фильтр. Полимерную дисперсию после этого подвергали ультрафильтрации с использованием 4-дюймового (102 мм) утрафильтрационного кожуха, снабженного поливинилиденфторидной мембраной размером 2,41 дюйма (61,2 мм), где оба компонента получали от компании PTI Advanced Filtration, Inc., Окснард, Калифорния, и прокачивали с использованием перистальтического насоса при расходе, составляющем приблизительно 170 мл в секунду. После удаления 3000 г ультрафильтрата к дисперсии добавляли ДИ воду (2985 г). Данный обмен повторяли несколько раз вплоть до замены 11349 г ультрафильтрата на 11348 г ДИ воды. После этого удаляли дополнительное количество ультрафильтрата вплоть до достижения содержания твердого вещества в смеси 44,8 масс.%. Материал при помощи устройства для плоскощелевого фильерного нанесения покрытия от компании Frontier Industrial Technology, Inc., Тованда, Пенсильвания наносили на подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), имеющую толщину 2 мила (51 микрон), и в течение 40 секунд высушивали при 180°F (82,2°C) до толщины сухого материала, составляющей приблизительно 10 микрон. Получающийся в результате материал дифрагировал свет при 657 нм согласно измерению при помощи спектрофотометра Сагу 500 от компании Varian, Inc.

Пример 2

Отверждаемую ультрафиолетовым излучением органическую композицию получали по следующей методике. 2 г реактива CN4000 алифатического метанакрилата от компании Sartomer Company, Inc., Экстон, Пенсильвания перемешивали с дифенил(2,4,6-триметилбензоил)фосфиноксид/2-гидрокси-2-метилпропиофеноном (0,05 г). Данную УФ-отверждаемую композицию после этого наносили на материал из примера 1 при использовании планки для нанесении покрытия. Материал с нанесенным покрытием покрывали куском пленки из ПЭТФ, имеющей толщину 1 мил (25,4 мкм), (покровным слоем) с последующим УФ-отверждением при использовании ртутной лампы на 100 Вт в течение 30 секунд. Получающуюся в результате пленку погружали в толуол на 24 часа для удаления полистирольных частиц, а после этого высушивали при комнатной температуре для получения структуры инверсного опала, включающей периодический массив пустот в отвержденной матрице.

Пустоты в инверсном опале пропитывали смесью дифенил(2,4,6-триметилбензоил)фосфиноксид/2-гидрокси-2-метилпропиофенона (0,05 г), стеарилакрилата (2 г, SR257) и полиэтиленгликоль(400)диметакрилата (0,04 г, SR603), оба из которых получали в компании Sartomer Company, Inc., Экстон, Пенсильвания. Пропитанный инверсный опал УФ-отверждали при использовании ртутной лампы на 100 Вт в течение 30 секунд. Температурный отклик дифракции получающейся в результате пленки продемонстрирован на фиг.1. При изменении температуры от 10°C до 30°C длина волны дифракции демонстрировала красное смещение от 604 нм до 647 нм. При охлаждении длина волны дифракции обратимо возвращалась к 604 нм.

Несмотря на описанные выше предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, настоящее изобретение допускает очевидные модификации и изменения, не отклоняющиеся от объема и сущности настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

Использование: для получения температурно-чувствительного композитного фотонного кристалла и измерения температуры, а также контроля других параметров посредством данного фотонного кристалла. Сущность изобретения заключается в том, что композитный фотонный кристалл, содержит структуру инверсного опала, включающую отвержденный или сшитый материал матрицы с упорядоченным массивом пустот, и композицию наполнителя в пустотах, где свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на возбуждающее воздействие, приводя, тем самым, к изменению ширины запрещенной зоны, т.е. ширины полосы излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом. Технический результат: обеспечение возможности получения инверсного опала, включающего отвержденный или сшитый материал матрицы с упорядоченным массивом пустот. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Композитный фотонный кристалл, содержащий:
(i) структуру инверсного опала, включающую отвержденный или сшитый материал матрицы с упорядоченным массивом пустот, и
(ii) композицию наполнителя в пустотах,
где свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на возбуждающее воздействие, приводя, тем самым, к изменению ширины запрещенной зоны, т.е. ширины полосы излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом.

2. Композитный фотонный кристалл по п.1, в котором композиция наполнителя является чувствительной к изменению температуры.

3. Композитный фотонный кристалл по п.2, в котором композиция наполнителя претерпевает фазовый переход при изменении температуры.

4. Композитный фотонный кристалл по п.3, в котором композиция наполнителя содержит гребнеобразный кристаллический полимер.

5. Композитный фотонный кристалл по п.4, в котором гребнеобразный кристаллический полимер содержит акриловый полимер, имеющий линейные алкильные цепи, содержащие по меньшей мере 8 атомов углерода.

6. Композитный фотонный кристалл по п.2, в котором композиция наполнителя изменяет проводимость в ответ на изменение температуры.

7. Композитный фотонный кристалл по п.2, в котором разница показателей преломления между структурой инверсного опала и композицией наполнителя изменяется в ответ на изменение температуры.

8. Композитный фотонный кристалл по п.2, в котором композиция наполнителя расширяется в ответ на изменение температуры.

9. Способ обнаружения изменения температуры, включающий:
получение композитного фотонного кристалла, содержащего: (i) структуру инверсного опала, включающую отвержденный или сшитый материал матрицы с упорядоченным массивом пустот, и (ii) композицию наполнителя в этих пустотах, где свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на изменение температуры;
изменение температуры композитного фотонного кристалла; и
детектирование изменения ширины фотонной запрещенной зоны композитного фотонного кристалла.

10. Способ по п.9, в котором композиция наполнителя претерпевает фазовый переход при изменении температуры композитного фотонного кристалла.

11. Способ по п.9, в котором композиция наполнителя содержит гребнеобразный кристаллический полимер.

12. Способ по п.9, в котором детектируемое изменение является изменением интенсивности излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом.

13. Способ по п.9, в котором детектируемое изменение является изменением длины волны излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом.

14. Способ контроля длины волны излучения, отражаемого поверхностью, включающий:
нанесение на по меньшей мере часть поверхности подложки композитного фотонного кристалла по п.1;
воздействие на поверхность подложки, несущую композитный фотонный кристалл, излучением при температуре воздействия, так чтобы композитный фотонный кристалл отражал бы полосу длин волн излучения при температуре воздействия.

15. Способ по п.13, в котором отраженная полоса длин волн включает инфракрасное излучение.

16. Способ по п.13, где отраженная полоса длин волн включает видимое излучение.

17. Способ получения температурно-чувствительного композитного фотонного кристалла, включающий:
получение инверсного опала, включающего отвержденный или сшитый материал матрицы с множеством пустот;
заполнение пустот полимеризуемой композицией наполнителя; и
полимеризацию композиции наполнителя, где свойства композиции наполнителя изменяются в ответ на изменение температуры, приводя, тем самым, к изменению ширины запрещенной зоны, т.е. ширины полосы излучения, отражаемого композитным фотонным кристаллом.

18. Способ по п.17, в котором заполимеризованная композиция наполнителя претерпевает фазовый переход при изменении температуры.

19. Способ по п.18, в котором композиция наполнителя содержит гребнеобразный кристаллический полимер.

20. Способ по п.19, в котором полимеризуемая композиция наполнителя является УФ-отверждаемой.