BR112013011675A2 - cristal fotônico compósito, método para detectar uma mudança de temperatura, método para controlar o comprimento de onda de radiação refletida por uma superfície e método para preparar um cristal fotônico compósito sensivel à temperatura - Google Patents

Abstract

CRISTAL FOTÔNICO COMPÓSITO, MÉTODO PARA DETECTAR UMA MUDANÇA DE TEMPERATURA, MÉTODO PARA CONTROLAR O COMPRIMENTO DE ONDA DE RADIAÇÃO REFLETIDA POR UMA SUPERFÍCIE E MÉTODO PARA PREPARAR UM CRISTAL FOTÔNICO COMPÓSITO SENSÍVEL À TEMPERATURA Um cristal fotônico compósito compreendendo uma estrutura de opala inversa definindo um arranjo ordenado de espaços vazios com uma composição de carga recebida dentro dos espaços vazios. Uma propriedade da composição de carga muda em resposta a um estímulo, tal como uma mudança de temperatura, mudando assim o intervalo de faixa de radiação que é refletida pelo cristal fotônico compósito.

Description

l “ “CRISTAL FOTÔNICO COMPÓSITO, MÉTODO PARA DETECTAR UMA MUDANÇA DE TEMPERATURA, MÉTODO PARA CONTROLAR (9)

COMPRIMENTO DE ONDA DE RADIAÇÃO REFLETIDA POR UMA " SUPERFÍCIE E MÉTODO PARA PREPARAR UM CRISTAL FOTÔNICO COMPÓSITO SENSÍVEL À TEMPERATURA” i “ Campo da invenção Esta invenção refere-se a cristais sensíveis termicamente, mais particularmente a materiais contendo | cristais fotônicos opálinos inversos dentro dos espaços , vazios da opala inversa que é sensível a mudanças de temperatura, mudando assim o intervalo de faixa de radiação refletida pelo cristal fotônico. Descrição de técnica congênere Cristais fotônicos são materiais ópticos nos quais oO índice de refração varia em múltiplas dimensões. Os cristais fotônicos podem ser produzidos a partir de sistemas coloidais cristalinos que refletem radiação de acordo com a lei de Bragg por toda uma faixa de comprimentos de onda que depende da composição dos materiais no sistema, do tamanho de partícula, do arranjo de acondicionamento dentro do sistema, e do grau de regularidade do sistema. Sistemas coloidais cristalinos têm sido usados como arranjos ordenados tridimensionais de partículas coloidais monodispersas que, frequentemente, são compostas de um látex de polímero tal como poliestireno ou de um material inorgânico tal como sílica. Dispersões coloidais de partículas podem formar . estruturas cristalinas tendo espaçamentos de retículo cristalino que são comparáveis ao comprimento de onda de . 30 radiação, dentro dos limites de comprimentos de onda % ultravioleta, visível e infravermelho. Tais estruturas . cristalinas têm sido usadas para filtrar bandas estreitas de comprimentos de onda selecionados de um espectro amplo de radiação incidente, permitindo ao mesmo tempo transmissão de comprimentos de onda adjacentes de radiação. Tais sistemas coloidais cristalinos têm, tipicamente, um espaçamento constante entre partículas dentro do arranjo, enquanto gue outros sistemas coloidais cristalinos podem ser termicamente ativos quando o espaçamento entre Y partículas varia em resposta a estímulos, tal como mudança de temperatura.

Sistemas coloidais cristalinos . sensíveis termicamente são, tradicionalmente, produzidos a partir de hidrogéis.

Em dispositivos a base de hidrogel, partículas coloidais monodispersas muito ' carregadas se dispersam em meio aquoso.

As .partículas auto arranjam num arranjo coloidal cristalino devido às cargas eletrostáticas, A estrutura ordenada difrata radiação de acordo com a lei de Bragg, sendo que à radiação que satisfaz a condição de Bragg é refletida enquanto que regiões espectrais adjacentes que não satisfazem a condição de Bragg são transmitidas através do dispositivo.

Um arranjo de partículas que difratam radiação de acordo com a lei de Bragg satisfaz a equação: mA= 2nd.sen OB onde m é um número inteiro, A é o comprimento de onda de radiação refletida, n é o índice de refração efetivo do arranjo, d é a distância entre as camadas de partículas, e O é o ângulo que a radiação refletida forma com um plano de uma camada das partículas.

Consequentemente, aumentando o tamanho de partícula ou o volume da matriz entre camadas de partículas, a distância entre partículas (d) entre as camadas de partículas aumente, mudando assim o comprimento de onda de radiação difratada.

O tamanho de partícula e/ou o volume de matriz pode aumentar em resposta a um estímulo, tal como uma mudança de . 30 temperatura que causa o intumescimento das partículas ou da matriz.

Da mesma forma, uma mudança no índice de . refração efetivo do arranjo também pode mudar o comprimento de onda de radiação difratada.

Outros cristais fotônicos baseiam-se em opalas inversas.

Estruturas de opala sintética têm sido produzidas a partir de esferas de sílica submicrométricas dimensionadas uniformemente que se arrumam num arranjo periódico ordenado.

Os espaços vazios entre as esferas de sílica são preenchidos com um material de matriz seguido pela dissolução das esferas de sílica para produzir um . arranjo periódico de espaços vazios dentro do material de matriz uniforme.

Os espaços vazios podem ser preenchidos D com uma composição de carga de modo à ajustar as propriedades ópticas da opala inversa.

Sumário da invenção i A presente invenção inclui um cristal fotônico -compósito. compreendendo uma estrutura de opala inversa definindo um arranjo ordenado de espaços vazios e uma composição de carga recebida com os espaços vazios, sendo que uma propriedade da composição de carga muda em resposta a um estímulo, mudando assim o intervalo de faixa de radiação refletida pelo cristal fotônico compósito.

Inclui-se também na presente invenção um método para detectar uma mudança de temperatura compreendendo prover um cristal fotônico compósito compreendendo uma estrutura de opala inversa definindo um arranjo ordenado de espaços vazios e uma composição de carga recebida com os espaços vazios, sendo que uma propriedade da composição de carga muda em resposta a um estímulo, mudando assim o intervalo de faixa de radiação refletida pelo cristal fotônico compósito, Um método para preparar um cristal fotônico compósito sensível à temperatura inclui produzir uma opala inversa definindo uma pluralidade de espaços vazios, preencher os espaços vazios com uma composição de carga polimerizável, e polimerizar a composição de carga, sendo que uma propriedade da composição de carga muda em . 30 resposta à uma mudança. de temperatura mudando assim o intervalo de faixa de radiação refletida pelo cristal . . fotônico compósito.

Breve descrição do desenho A Figura 1 é um gráfico da resposta do pico de difração do material da presente invenção à mudança de temperatura.

Descrição das incorporações preferidas

Para os propósitos da seguinte descrição detalhada, deve- se entender que à invenção pode assumir várias variações alternativas e sequências de etapas, exceto onde . expressamente declarado ao contrário. Além disso, diferente em quaisquer exemplos Operacionais ou onde . indicado diferentemente, todos os números expressando, por exemplo, quantidades de ingredientes usados no relatório descritivo e nas reivindicações devem ser entendidos como modificados em todos os casos pelo termo . .

“cerca de”. Consequentemente, salvo se indicado ao contrário, os parâmetros numéricos mostrados no relatório descritivo seguinte e nas reivindicações anexas são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas a serem obtidas pela presente invenção. No mínimo, e não como uma tentativa de limitar a aplicação da doutrina de equivalentes à abrangência das reivindicações, cada parâmetro numérico .deve ser no mínimo construído à luz do número de algarismos significativos relatados e aplicando técnicas usuais de arredondamento. A despeito de que os parâmetros e faixas numéricas mostrando a ampla abrangência da invenção são aproximações, os valores numéricos mostrados nos exemplos específicos são relatados tão precisamente quanto possível. Entretanto, qualquer valor numérico contém inerentemente, determinados erros resultantes necessariamente do desvio-padrão encontrado em Suas respectivas medidas de teste.

Igualmente, deve-se entender que qualquer faixa numérica aqui mencionada tem a intenção de incluir todas as subfaixas agrupadas naquela. Por exemplo, uma faixa de “l ] a 10" tem a intenção de incluir todas as subfaixas entre . (e incluindo) o valor mínimo mencionado de 1 e o valor máximo mencionado de 10, isto é, tendo um valor mínimo maior ou igual a 1 e um valor máximo menor ou igual a 10.

Neste pedido de patente, o uso do singular inclui o plural e o plural abrange singular, salvo se declarado especificamente ao contrário. Além disso, neste pedido de

: o 5 . PAT meme mes me patente, o uso de “ou” significa “e/ou” salvo se declarado especificamente ao contrário, embora “e/ou” | possa ser usado explicitamente em determinados casos. h . O termo “polímero” incluí homopolímero, copolímero, e oligômero. O termo “metal” inclui metais, óxidos .« metálicos, e metaloides. O termo “infundir” e termos relacionados (tal como infusão) refere-se à penetração de - uma fase líquida. Cristal fotônico compósito - - : A presente invenção inclui cristais fotônicos compósitos | sensíveis à temperatura para controlar o comprimento de onda de radiação que incide num substrato. O material da presente invenção difrata radiação no espectro | eletromagnético visível e/ou não visível e inclui ainda métodos para prepara-lo. Descreve-se a presente invenção em referência a um comprimento de onda de difração ou pico de difração, que de refere à uma banda de pico de radiação refletida em resposta À difração pelo material da presente invenção. Consequentemente, “comprimento de onda de difração” refere-se a uma banda de radiação tendo comprimentos de onda que geralmente satisfazem a lei de Bragg. A radiação refletida pode estar no espectro visível ou no espectro invisível (por exemplo, radiação infravermelha ou ultravioleta).

O cristal fotônico compósito da presente invenção inclui uma estrutura de opala inversa que define um arranjo ordenado de espaços vazios e uma composição de carga recebida dentro dos espaços vazios. Uma propriedade da composição de carga muda em resposta à um estímulo, tal como uma mudança de temperatura, mudando assim o ' intervalo de faixa (banda) de radiação refletida pelo ' cristal fotônico compósito. Numa incorporação, o índice de refração da composição de carga muda com uma resposta a um estímulo, tal como uma mudança de temperatura. Como tal, muda o índice de refração efetivo dos cristal fotônico compósito. A mudança no índice de refração efetivo altera o comprimento de onda de difração (À).

!

NS Esta mudança de comprimento de onda de difração pelo cristal fotônico compósito afeta também o contraste ' associado com o cristal fotônico compósito determinado - pela quantidade de radiação que é assim refletida. Consequentemente, com a aplicação de um estímulo, tal - como uma mudança de temperatura, o cristal fotônico exibirá uma mudança do comprimento de onda de difração bem como uma mudança de contraste. ' - Opalas inversas usadas para produzir um cristal fotônico compósito da presente invenção podem ser produzidas de acordo com técnicas convencionais. Por exemplo, pode-se produzir um arranjo periódico de partículas e preenche-lo com uma composição de matriz que é então fixada no devido lugar em torno do arranjo ordenado de partículas. Fixar significa que o material de matriz é curado ou reticulado ou fixado diferentemente circundando as partículas, criando um arranjo ordenado cristalino. As partículas podem ser removidas do arranjo dissolvendo-as num solvente ou aquecendo o material para degradar e volatilizar as partículas. Por exemplo, partículas de poliestireno ou outras partículas poliméricas podem ser dissolvidas num solvente, tal como tolueno, seguido por aquecimento para evaporar o tolueno, resultando assim na estrutura de opala inversa. A Opala inversa resultante inclui um material de matriz fixado com um arranjo periódico de espaços vazios nele. A presente invenção não se limita à técnica para produzir tal opala inversa nem aos materiais das partículas que são removidas a fim de produzir a opala inversa. o 30 Material apropriado para uso como uma composição de carga para receber nos espaços vazios da opala inversa inclui ' material tendo uma propriedade que muda com um estímulo. Um exemplo não limitativo de um estímulo é uma mudança de temperatura, onde a mudança de temperatura faz com quê uma propriedade do material de carga mude. Numa incorporação, a condutividade da composição de carga muda com à mudança de temperatura. Por exemplo, uma composição de carga que exibe uma mudança de condutividade em resposta a uma mudança de temperatura transita entre funcionar como um condutor e funcionar como um isolante . (ou o inverso) em resposta a uma mudança de temperatura, tal como dióxido de vanádio ou similares. Uma mudança de é condutividade da composição de carga dentro dos espaços vazios da opala inversa muda O índice de refração da composição de carga, mudando assim à diferença de índice ' .

' de refração entre os espaços vazios com carga e a matriz circundante da opala inversa. Uma mudança na diferença de índice de refração entre espaços vazios com carga Ee matriz muda o contraste do cristal fotônico compósito, que é detectável como uma mudança na quantidade de radiação refletida pelo cristal fotônico compósito. Para radiação refletida no espectro visível, uma mudança de contraste é detectável como um aumento ou diminuição no brilho da radiação refletida. Adicionalmente, uma mudança no índice de refração da composição de carga muda também o índice de refração efetivo do cristal fotônico compósito, mudando assim o comprimento de onda de difração. Como tal, quando se usa um material condutor/isolante como a composição de carga no cristal fotônico compósito, uma mudança de temperatura resulta numa mudança de contraste e numa mudança de comprimento de onda de difração.

Noutra incorporação, a composição de carga compreende uma composição polimérica que muda conformação com uma mudança de temperatura. Conformação significa a forma tridimensional das cadeias poliméricas da composição, Um material polimérico apropriado é um polímero cristalino ' com cadeias laterais, tais como materiais acrílicos tendo ' pelo menos 8 átomos de carbono, por exemplo, acrilato de estearila. Em geral, o volume de espaço ocupado por um polímero cristalino com cadeia lateral aumenta com oO aumento de temperatura quando as cadeias laterais do polímero relaxam em temperatura mais elevada, expandindo assim a conformação do polímero de modo a ocupar um volume maior de espaço.

Numa incorporação da invenção, produz-se no sítio um polímero cristalino com cadeias laterais nos espaços vazios da opala inversa.

Precursores .— monoméricos 5º preenchem os espaços vazios e são polimerizados dentro » dos espaços vazios, tal como por cura com ultravioleta (UV) para criar um material polimérico que é retido dentro do espaço vazio.

Monômeros que podem ser usados : para produzir polímeros cristalinos com cadeias laterais incluem (met)acrilato de miristila, (met )acrilato de cetila, (met) acrilato de esteárila, (met )acrilato de araquinila, (met)acrilato de beenila.

O cristal fotônico compósito da presente invenção é particularmente apropriado para filtrar intervalos de faixas de radiação.

Por exemplo, o cristal fotônico da presente invenção pode ser usado para controlar radiação infravermelha que atinge um substrato.

A radiação infravermelha da luz solar é responsável por aquecer superfícies de edifícios, rodovias, e similares. o cristal fotônico da presente invenção pode ser sintonizado de modo que quando o cristal fotônico atinge , uma temperatura predeterminada, que ê considerada inaceitável para a superfície subjacente, a composição de carga dentro dos espaços vazios muda de tal maneira a causar mudança no comprimento de onda de difração, refletindo assim um intervalo de faixa particular, tal | como radiação infravermelha.

Um cristal fotônico | compósito produzido de acordo com a presente invenção que reflete radiação infravermelha quando a temperatura | 30 atinge um nível predeterminado pode ser usado para | ' controlar o aquecimento de uma superfície por luz solar. | R Por exemplo, o cristal fotônico compósito que reflete | radiação infravermelha em temperaturas elevadas pode ser aplicado em superfícies de edificações ou veículos ou outras estruturas expostas à luz solar.

Quando a superfície da estrutura atinge uma temperatura predeterminada, o comprimento de onda de difração do

9 eo. cristal fotônico compósito sobre os mesmos muda a fim de refletir à radiação infravermelha.

Em resposta ao resfriamento, o comprimento de onda de difração muda de ã novo de modo a não mais refletir a radiação infravermelha.

Alternativamente, o intervalo de faixa pode ser ajustado a fim de que a radiação infravermelha que atinge uma superfície passe através do cristal fotônico e assim não seja refletida de modo a aquecer a . estrutura subjacente.

Permitindo que a radiação | 10 infravermelha atinja à estrutura subjacente, a estrutura pode aquecer de modo à impedir formação de gelo na superfície durante o inverno.

Deve-se consíderar que a composição de carga recebida dentro dos espaços vazios do cristal fotônico compósito da presente invenção pode ser ajustada a fim de que O intervalo de faixa de radiação refletida do cristal fotônico compósito tenha o efeito desejado sobre o substrato portando o cristal fotônico compósito, por exemplo, refletindo radiação infravermelha ou permitindo que a radiação infravermelha passe através | 20 dele e refletindo de um intervalo de faixa alternado, tal como radiação visível.

Tal como detalhado abaixo, o cristal fotônico compósito pode ser produzido sobre um substrato que funciona como um suporte temporário ou sobre um substrato que é um uso final desejado para o cristal fotônico compósito.

Suporte temporário significa que se usa o suporte para produção de suporte do cristal fotônico compósito da presente invenção, que subsequentemente se remove daí na forma auto suportada, tal como, por exemplo, uma película auto apoiada ou matéria particulada pulverizada.

Uma película ' do cristal fotônico compósito ou particulados do cristal . fotônico compósito podem então ser aplicados em outro suporte ou adicionados a uma composição (tal como uma composição de revestimento) para seu uso final melhor.

O uso final e a forma final do material sensível termicamente não se limitam àqueles aqui descritos.

Substrato

O substrato pode ser um material flexível, tal como película ou lâmina de metal (por exemplo, película de alumínio), papel, ou uma película (ou folha) de poliéster . ou poli (tereftalato de etileno) (PET), ou um material não flexível, tal como vidro ou plástico. “Flexível” é significa que o substrato pode sofrer tensões mecânicas, tal como flexão, estiramento, compressão, e similares, sem mudança irreversível significativa. Um substrato apropriado é uma folha microporosa. Alguns exemplos de folhas microporosas estão divulgados nas patentes U.S. nºs 4.833.172, 4.861.644, e 6.114.023, que aqui se incorporam por referência. Folhas microporosas obteníveis comercialmente são vendidas com a denominação comercial TESLIN& por PPG Industries, Inc. Outros substratos flexíveis apropriados incluem couro natural, couro sintético, couro natural acabado, couro sintético acabado, suede, náilon de vinila, espuma de etileno/acetato de vinila (espuma de EVA), uretano termoplástico (TPU), bexigas cheias de fluido, poliolefinas e misturas de poliolefinas, poli(íacetato de : vinila) e copolímeros, poli (cloreto de vinila) e ' copolímeros, elastômeros de uretano, tecidos sintéticos e tecidos naturais.

- Em determinadas incorporações, os substratos flexíveis são substratos compressíveis. “Substrato compressível” e termos similares referem-se a substratos capazes de sofrer uma deformação compressiva e retornarem substancialmente à mesma forma uma vez cessada a deformação compressiva. O termo “deformação compressiva” significa uma tensão mecânica que reduz, pelo menos | ' temporariamente, o volume de um substrato em pelo menos : uma direção. Um substrato compressível é, por exemplo, um que tem uma deformação compressiva maior ou igual a 50%, tal como maior ou igual a 70%, 75%, ou 80%. Exemplos particulares de substratos compressíveis incluem aqueles compreendendo espuma e bexigas poliméricas cheias com ar, líquido, e/ou plasma. “Espuma” pode ser um material natural ou polimérico compreendendo espuma de células abertas e/ou espuma de células fechadas. “Espuma de células abertas” significa que a espuma compreende uma | “ pluralidade de câmaras de ar interconectadas; “espuma de células fechadas” significa que a espuma compreende poros | ” discretos fechados. Exemplos de espumas incluem, mas não | se limitam a, espumas de poliestireno, poli(acetato de : vinila) e/ou copolímeros, poli(cloreto de vinila) e/ou | o copolímeros, espumas de poli((met)acrilamida), espumas de. poli(ícloreto de vinila), espumas de poliuretano, espumas de uretano termoplástico, espumas poliolefínicas, e misturas de poliolefinas. Espumas poliolefínicas incluem, mas não se limítam a, espumas de polipropileno, espumas de polietileno, e espumas de etileno/acetato de vinila (EVA). “Espuma de EVA” pode compreender espuma de células abertas e/ou espuma de células fechadas. Espuma de EVA pode incluir placas ou folhas planas ou espumas de EVA moldadas, tais como solas intermediárias de calçados. Tipos diferentes de espuma de EVA podem ter tipos | 20 diferentes de porosidade superficial. Espuma de EVA moldada pode compreender uma película ou superfície | densa, enguanto que placas ou folhas planas podem exibir uma superfície porosa.

Substratos de poliuretano de acordo com a presente invenção incluem uretano termoplástico a base de poliéter ou poliéster aromático, alifático, e híbrido (exemplos de híbridos são uretano de poliéster ou poliéter silicone ou uretano de carbonato de silicone). “Plástico” significa qualquer um dos materiais sintéticos termoplásticos ou termofixos, incluíndo olefinas termoplásticas (TPO) tais ' como polietileno e polipropileno e misturas dos mesmos, . uretano termoplástico, policarbonato, composto moldado em folha, composto moldado por reação/injeção, materiais a base de acrilonitrila, náilon, e similares. Um plástico particular é TPO que compreende polipropileno e EPDM (etileno/propileno/monômero de dieno). O cristal fotônico compósito pode ser aplicado num artigo

| de várias maneiras. Numa incorporação, o material é | produzido sobre um substrato e depois removido do | substrato como uma película auto suportada ou é | . pulverizado em forma particulada, tal como na forma de flocos. O cristal fotônico compósito pulverizado pode ser . incorporado como um aditivo numa composição de revestimento para aplicar num artigo. Pode ser vantajoso minimizar a opacidade numa composição de revestimento contendo o cristal fotônico compósito pulverizado. Pode-. se atingir opacidade reduzida diminuindo a diferença em índice de refração entre a mátria e as partículas do material compósito. Entretanto, uma redução na diferença de índice de refração diminui, geralmente, a intensidade de radiação refratada. Portanto, quando se deseja opacidade mínima e se reduz a diferença de índice de refração, a intensidade pode ser mantida aumentando a espessura do cristal fotônico compósito, isto é, aumentando a quantidade de camadas de partículas no | material, comparado a um material no qual os índices de refração da matriz e das partículas são mais distintos um ; do outro. Numa incorporação, a composição de revestimento compreende um “revestimento duro”, tal como um alcóxido. O alcóxido pode ainda ser misturado e/ou reagir com outros compostos e/ou polímeros conhecidos na técnica. | São particularmente apropriadas composições compreendendo siloxanos formados hidrolisando pelo menos parcialmente | um alcoxissilano orgânico, tal como um dentro da fórmula acima. Exemplos de compostos contendo alcóxido apropriados e métodos para prepara-los estão descritos : nas patentes U.S. nºs 6.355.189, 6.264.859, 6.469.119, . 6.180.248, 5.916.686, 5.401.579, 4.799.963, 5.344.712,

4.731.264, 4.753.827, 4.754.012, 4.814.017, 5.115.023,

5.035.745, 5.231.156, 5.199.979, e 6.106.605, que aqui se incorporam por referência. Em determinadas incorporações, o alcóxido compreende uma combinação de monômero de qlicidoxi(íalquila de Cj;

1s | ias mec e a | C3) tri (alcoxissilano de C1-Ca) e um monômero de | tetra (alcoxissilano de C1-C6) - Monômeros de ; glicidoxi(alquila de Ci-C3)tri(alcoxissilano de C1-Ca) . apropriados para uso nas composições de revestimento da presente invenção incluem glicidoxi metil 4 trimetoxissilano, a-glicidoxi etil trimetoxissilano, a- glicidoxi etil trietoxissilano, B-glicidoxi etil trimetoxissilano, B-glicidoxi etil trimetoxissilano, o- | glicidoxi propil trimetoxissilano, a-glicidoxi propil trietoxissilano, B-glicidoxi propil trimetoxissilano, RB- glicidoxi propil trimetoxissilano, vy-glicidoxi propil trimetoxissilano, hidrolisados dos mesmos, e/ou misturas de tais monômeros de silanos. Tetra(alcoxissilanos de C;- C«) apropriados que podem ser usados nas composições de revestimento da presente invenção incluem, por exemplo, materiais tais como tetra metoxi silano, tetra etoxi silano, tetra propoxi silano, tetra butoxi silano, tetra pentiloxi silano, tetra hexiloxi silano, e misturas dos mesmos.

Em determinadas incorporações, os monômeros de glicidoxi(alquila de C;i-C;)trilalcoxissilano de C1-C1,) e de tetra(alcoxissilano de C;-Cs;) usados nas composições de revestimento da presente invenção estão presentes numa razão ponderal de glicidoxi(alquila de cr Ca) tri (alcoxissilano de C1-C4a) para tetra(alcoxissilano de C1-Ck) de 0,5:1 a 100:1, tal como de 0,75:1 a 50:1, e, em alguns casos, de 1:1 a 5:1. Em determinadas incorporações ; o alcóxido é hidrolisado pelo menos parcialmente antes : dele ser combinado com outros componentes das composição de revestimento, tal como partículas que conferem cor | ' cercadas de polímero. Descreve-se tal reação de hidrólise . na patente U.S. nº 6.355.189 na coluna 3, linhas 7 a 28, a porção citada da qual aqui se incorpora por referência.

Em determinadas incorporações, provê-se água numa quantidade necessária para a hidrólise dos alcóxido hidrolisáveis. Por exemplo, em determinadas incorporações, a água está presente numa quantidade de pelo menos 1,5 mols de água por mol de alcóxido hidrolisável.

Em determinadas incorporações, umidade atmosférica, se suficiente, pode ser adequada. «e Em determinadas incorporações, provê-se um catalisador + ' 5 para catalisar a reação de hidrólise e condensação.

Em . determinadas incorporações, o catalisador é um material ácido e/ou um material ácido diferente do material ácido que gera um ácido em resposta à exposição à radiação B actínica.

Em determinadas incorporações, o material ácido : é escolhido dentre um ácido orgânico, ácido inorgânico, ou mistura dos mesmos.

Exemplos não limitativos de tais materiais incluem ácido acético, fórmico, glutárico, maleico, nítrico, clorídrico, fosfórico, fluorídrico, sulfúrico, ou misturas dos mesmos.

Nas composições de revestimento da presente invenção, pode-se usar como catalisador de hidrólise e condensação qualquer material que gere um ácido por exposição à radiação actínica, tal como um ácido de Lewis e/ou um ácido de Brônsted.

Exemplos não limitativos de materiais geradores de ácidos incluem sais de ônio e sais de iodosila, sais de diazônio aromáticos, sais de metalocênio, o-nitro benzaldeído, os polímeros de polioximetileno descritos na patente U.S. nº 3.991.033, os ésteres de o-nitrocarbinol descritos na patente U.S. nº 3.849.137, os o-nitrofenil acetais, seus poliésteres e derivados de extremidade capeada descritos na patente U.S. nº 4.086.210, ésteres —“sulfonatos, ou álcoois aromáticos contendo um grupo carbonila numa posição alfa ou beta em relação ao grupo éster sulfonato, derivados N- sulfoniloxi de uma imida ou amida aromática, sulfonatos : de oxima aromáticos, diazidas de quinona, e resinas . contendo grupos benjoim na cadeia, tais como aquelas descritas na patente U.S. nº 4.368.253. Exemplos destes catalisadores ácidos ativados por radiação estão divulgados também na patente U.S. nº 5.451.345. Em determinadas incorporações, o composto gerador de ácido é um fotoiniciador catiônico, tal como um sal de

% ônio.

Exemplos não limitativos de tais materiais incluem sais de diaril iodônio e sais de triaril sulfônio, que são obteníveis comercialmente como SARCATO CD-1012 e CD- - 1011 de Sartomer Company.

Outros sais de ônio apropriados estão descritos na patente U.S. nº 5.639.802, coluna 8, . linha 59 até coluna 10, linha 46. Exemplos de tais sais de ônio incluem tetraflúor borato de 4,4'-dimetil difenil iodônio, hexaflúor antimonato de fenil-4-octiloxifenil ' ' fenil iodônio, hexaflúor antimonato de dodecil dífenil : iodônio, hexaflúor antimonato de [4-[(2- tetradecanol )oxi]fenil]fenil iodônio, e misturas dos mesmos.

A quantidade de catalisador usada nas composições de revestimento da presente invenção pode variar amplamente e depende dos materiais particulares usados, Exige-se apenas à quántidade requerida para catalisar e/ou iniciar a reação de hidrólise e condensação, por exemplo, uma quantidade catalisadora.

Em determinadas incorporações, O material ácido e/ou material gerador de ácido pode ser usado numa quantidade de 0,01 a 5% em peso, com base no peso total da composição. i O cristal fotônico compósito da presente invenção também | pode ser usado em dispositivos de timbragem, incluindo documéentos de valor, artigos de manufatura e suas embalagens, e documentos credenciais, particularmente de um dispositivo contra falsificação.

Exemplos de documentos de valor incluem moeda corrente, cartões de crédito, certificados de anuência, itens de coletor e cartões comerciais, escrituras de imóveis, títulos ou . 30 registros (por exemplo, automotivos), decalques de anuência, bilhetes (por exemplo, de viagem, de eventos ou , de estacionamento), selos de impostos, moedas, selos postais, cheques e ordens de pagamento, artigos de papelaria, bilhetes de loteria, chips e/ou tokens, itens controlados (por exemplo, evidência), cartões-chaves, itens traçadores e de rastreamento, e como uma porção de um código de barras.

Artigos de manufatura ou embalagem

| 16 de artigos de manufatura podem incluir peças de aeronaves, peças automotivas, tais como números de identificação de veículos, produtos farmacêuticos e a produtos de cuidado pessoal, mídias de gravação, vestuário e calçados, dispositivos eletrônicos, baterias, « dispositivos oftálmicos, álcool, itens alimentícios, tintas de impressão e produtos de consumo de impressão, implementos de escrita, itens de luxo, tais como malas e | valises de mão, artigos esportivos; software e embalagem | 10 de software, vedações de soquetes, artes-finais (incluindo obras de arte), materiais de construção, | munições, brinquedos, combustível, equipamento industrial, materiais biológicos e mercadorias vivas, joalheria, livros, antiguidades, itens de segurança (por exemplo, extintores de incêndio e dispositivos de filtração), tapetes e outros acessórios de decoração, produtos químicos, dispositivos “médicos, tintas e revestimentos, e janelas e transparências.

Exemplos de credenciais que pode conter o cristal fotônico compósito da presente invenção incluem licenças de motoristas, cartões de identificação (governamentais, corporativos, e educacionais), passaportes, cartões de crédito, certificados de casamento, braceletes hospitalares, e diplomas.

Estes exemplos não limitativos e constituem apenas uma amostragem de dispositivos que podem conter o cristal fotônico compósito da presente invenção.

Tais usos também não são limitativos.

Além disso, o cristal fotônico compósito pode ser produzido na forma de uma película, que depois é aplicada . 30 num artigo, tal como via um adesívo ou similar.

Alternativamente, o próprio artigo pode servir como um . substrato aplicando o cristal fotônico compósito diretamente na caixa do artigo, tal como a caixa de dispositivos eletrônicos ou diretamente nas mercadorias tais como equipamentos atléticos, acessórios, lentes ópticas, estruturas ópticas, vestuário, incluindo calçados e similares.

O cristal fotônico compósito da presente invenção pode ser usado para autenticar um artigo, tal como para autenticar um documento ou dispositivo ou para « identificar a fonte de um produto manufaturado.

Um documento, tal como um cartão de segurança, que possui o “ cristal fotônico compósito da presente invenção Será considerado autêntico se o artigo possuindo o material termicamente sensível exibir propriedades do mesmo, tal como sensibilidade à mudança de témperatura.

Um “cartão - de segurança” inclui documentos ou dispositivos que autenticam a identidade do portador do mesmo ou permitem acesso a uma instalação, tal como na forma de um crachá.

O cartão de segurança pode identificar o portador do cartão (por exemplo, um passaporte ou um cartão de identificação fotográfico) ou pode funcionar como um documento ou dispositivo que indica que o portador do mesmo terá acesso permitido a uma instalação de segurança.

Por exemplo, um cartão de segurança que parece ser autêntico pode ser testado por ter propriedades de difratar um comprimento de onda particular de radiação numa temperatura particular.

Um cartão de segurança falsificado falharia ao exibir aquela propriedade.

Igualmente, consumidores de um item (tal como um produto farmacêutico) provido numa embalagem portando o material termicamente mutável da presente invenção pode testar a embalagem para sua autenticidade testando a resposta de suas propriedades sensíveis termicamente às mudanças de temperatura.

Embalagens que não responderem apropriadamente serão consideradas falsificadas, enquanto que embalagens que exibirem a propriedade serão : consideradas autênticas.

Outros artigos de consumídor ; podem incluir o cristal fotônico compósito da presente invenção, tal como sobre àa caixa de um produto manufaturado (por exemplo, dispositivos eletrônicos) ou sobre a superfície de um artigo de vestuário (por exemplo, calçados). Estes exemplos de artigos para autenticação e a resposta de temperatura pelo material da

. presente invenção aplicado sobre o mesmo não são limítativos.

Artigos para autenticação podem incluir cristal fotônico compósito exibindo uma resposta de « temperatura, que pode ser usada como um indicador da autenticidade do artigo. . O cristal fotônico compósito pode ser ainda coberto pelo menos parcialmente com uma composição de revestimento numa estrutura de multicamadas.

Numa incorporação, O cristal fotônico compósito é revestido com a composição - de revestimento de “revestimento duro” acima descrito.

Noutra incorporação, oO cristal fotônico compósito é revestido com um revestimento antirreflexão, tal como numa pilha antirreflexão de multiícamadas.

O revestimento antirreflexão pode ser formado de um material dielétrico, por exemplo, óxidos metálicos, tais como Zn;SnSO's, In2SOas, SnO2, TiOx, In2O0s, ZnO, Si3Na, e/ou Biz0; depositado por desintegração de catodo (solda). A seguir, apresentam-se exemplos para demonstrar os princípios gerais da invenção.

A invenção não se limita aos exemplos específicos apresentados.

Salvo se indicado ao contrário, todas as partes estão em peso.

Exemplos Exemplo 1 Preparou-se uma dispersão de partículas de poliestireno em água via o seguinte procedimento.

Misturaram-se 2,5 g de bicarbonato de sódio de Aldrich Chemical Company, Inc., com 2250 q de água desionizada (DI) e com 150 g de etileno glicol obtenível de Aldrich Chemical Company, Inc., e se adicionou a uma caldeira de reação de 5 litros equipada com um par termoelétrico, manta térmica, ' agitador, condensador de refluxo e entrada de nitrogênio. ' Pulverizou-se a mistura com nitrogênio por 43 minutos com agitação e depois se cobriu com nitrogênio.

Adicionaram- se 10,5 q de Aerossol MASO-I de Cytec Industries, Inc., e 4,0 g de BRIJ 35 (polioxietileno (23) lauril éter) de Aldrich Chemical Company, Inc., 1,0 g de estireno sulfonato de sódio (SSS) de Aldrich Chemical Company,

» s Inc. em 25 g de água DI na mistura com agitação. A mistura aquecida a aproximadamente 50ºC usando uma manta térmica. O monômero de estireno (520 g) obtenível de - Aldrich Chemical Company, Inc., foi adicionado à caldeira de reação com agitação. Aqueceu-se a mistura até 65ºC. . Adicionou-se persulfato de sódio de Aldrich Chemical Company, Inc. (6,25 g em 72 g de água DI) Na mistura com agitação. Em agitação, manteve-se a temperatura à aproximadamente 65ºC por 6 horas. À mistura reagente, adicionou-se com agitação uma mistura de água DI (450 g), BRIJ 35 (1,5 g), persulfato de sódio (1,5 g), estireno (100 gg), metacrilato de metila (100 g), e estireno sulfonato de sódio (1,6 g) todos obteníveis de Aldrich Chemical Company, Inc. Manteve-se a temperatura da mistura em 65ºC por aproximadamente mais 2 horas. A dispersão polimérica resultante foi filtrada através de um saco filtrante de um mícron. A dispersão polimérica foi ultrafiltrada usando uma mangueira de ultrafiltração de 4 polegadas com uma membrana de poli(ífluoreto de vinilideno) de 2,41 polegadas, ambos de PTI Advanced Filtration, Inc., Oxnard, CA., e bombeada usando uma bomba peristáltica numa taxa de fluxo de aproximadamente 170 mL/s. Adicionou-se água DI (2985 g) na dispersão após remoção de 3000 g de ultrafiltrado. Esta troca foi repetida várias vezes até se substituírem 11349 g de ultrafiltrado por 11348 g de água DI. Depois, removeu-se ultrafiltrado adicional até o teor de sólidos da mistura ser de 44,8 por cento em peso. Aplicou-se o material via uma máquina de revestir de ranhura/matriz de Frontier Industrial Technology, Inc., Towanda, Pa., num substrato ' de polií(tereftalato de etileno) (PET) de 2 milipolegadas : de espessura e se secou a 180ºF por 40 segundo até uma espessura seca de aproximadamente 10 mícrons. O material resultante difratou luz a 657 nm medido com um espectrofotômetro Cary 500 de Varian, Inc.

Exemplo 2 Preparou-se uma composição orgânica curável por radiação o 20 : ultravioleta via o seguinte procedimento. Misturou-se | difenil(2,4,6-trimetil benzoil)óxido de fosfina/2- hidroxi-2-metil-propiofenona (0,05 gq) com 2 gq de CN4000, - um metano acrilato alifático de Sartomer Company, IncC., Exton, Pa. Esta composição curável por UV foi então | & aplicada ao material do Exemplo 1, usando uma barra de estiramento. O material revestido coberto com um pedaço de película de PET de 1 milipolegada de espessura (folha - de cobertura) antes de cura por-UV com uma lâmpada de...

mercúrio de 100 W por 30 segundos. A película resultante foi imersa em tolueno por 24 horas para remover às partículas de poliestireno e depois secada em temperatura ambiente para geral uma estrutura de opala inversa com um arranjo ordenado de espaços vazios numa matriz curada.

Os espaços vazios na opala inversa foram infiltrados com uma mistura de difenil(2,4,6-trimetil benzoil)óxido de fosfina/2-hidroxi-2-metil-propiofenona (0,05 g), acrilato de estearila (2 g, SR257) e dimetacrilato de polietileno glicol (400) (0,04 gq, SR603) ambos de Sartomer Company, Inc., Exton, Pa. A opala inversa preenchida foi curada por UV com uma lâmpada de mercúrio de 100 W por 30 segundos. A resposta de temperatura de difração da película resultante é mostrada na Figura 1. Quando a temperatura mudou de 10ºC para 30ºC, o comprimento de onda de difração vermelho mudou de 604 nm para 647 nm. Durante resfriamento, o comprimento de onda de difração retornou reversivelmente para 604 nm.

Embora se descreveu acima as incorporações preferidas da presente invenção, modificações e alterações óbvias da presente invenção podem ser feitas sem se afastar do .

' espírito e abrangência da presente invenção. Define-se a ' abrangência da presente invenção nas reivindicações anexas e equivalentes das mesmas.

Claims (20)

o REIVINDICAÇÕES

1. Cristal fotônico compósito, caracterizado pelo fato de compreender: . (IT) uma estrutura de opala inversa definindo um arranjo ordenado de espaços vazios; e . (IT) uma composição de carga recebida com os espaços vazios, sendo que uma propriedade da composição de carga muda em resposta a um estímulo, mudando assim o intervalo de faixa de radiação refletida pelo cristal fotônico compósito.

2. Cristal fotônico compósito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a composição de carga ser sensível a uma mudança de temperatura.

3. Cristal fotônico compósito, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a composição de carga sofrer uma mudança de fase em resposta a uma mudança de temperatura. '

4, Cristal fotônico compósito, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de à composição de carga compreender um polímero cristalino de cadeia lateral.

5. Cristal fotônico compósito, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o polímero cristalino de cadeia lateral compreender um polímero i acrílico tendo cadeias lineares de alquila de pelo menos 8 átomos de carbono.

6. Cristal fotônico compósito, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a composição de carga mudar a condutividade em resposta à uma mudança de temperatura. "

7. Cristal fotônico compósito, de acordo com a , reivindicação 2, caracterizado pelo fato de mudar uma diferença de índice de refração entre a estrutura de opala inversa e a composição de carga em resposta a uma mudança de temperatura.

8. Cristal fotônico compósito, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de à composição

E | — t 2 | 7 1 de carga expandir em resposta à uma mudança de temperatura. )

9. Método para detectar uma mudança de temperatura, | a caracterizado pelo fato de compreender: i 5 - prover um cristal fotônico compósito compreendendo: JU (I) uma estrutura de opala inversa definindo um arranjo | ordenado de espaços vazios; e | (II) uma composição de carga recebida com os espaços vazios, sendo que uma propriedade da composição de- carga | 10 muda em resposta a uma mudança de temperatura; | - mudar a temperatura do cristal fotônico compósito; e ' - detectar uma mudança no intervalo de faixa fotônica do | cristal fotônico compósito. |

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a composição de carga sofrer uma mudança de fase em resposta à mudança da temperatura do cristal fotônico compósito.

11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a composição de carga compreender um polímero cristalino de cadeia lateral.

12. Método, de acordo com a reivindicação 9, | caracterizado pelo fato de a mudança detectada ser uma 1 mudança em intensidade de radiação refletida pelo cristal 1 fotônico compósito. | | 25

13. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de à mudança detectada ser uma mudança no comprimento de onda de radiação refletida pelo eristal fotônico compósito.

14. Método para controlar o comprimento de onda de ! 30 radiação refletida por uma superfície, caracterizado pelo i . fato de compreender: 4 ; - aplicar o cristal fotônico compósito conforme definido ' pela reivindicação 1 em pelo menos uma porção de uma H superfície de um substrato; ' 35 - expor a superfície de substrato portando o cristal | fotônico compósito à radiação numa temperatura de : exposição tal que o cristal fotônico compósito reflita

. uma faixa de comprimento de onda de radiação na temperatura de exposição.

15. Método, de acordo com a reivindicação 13 a“ caracterizado pelo fato de a faixa de comprimento de onda | 1 5 refletida compreender radiação infravermelha. .

16. Método, de acordo com a reivindicação 13 | caracterizado pelo fato de a faixa de comprimento de onda refletida compreender radiação visível.

17. Método para preparar. um. cristal fotônico compósito ' sensível à temperatura, caracterizado pelo fato de compreender: - produzir uma opala inversa definindo uma pluralidade de espaços vazios; - preencher os espaços vazios com uma composição de carga polimerizável; e - polimerizar a composição de carga, sendo que uma propriedade da composição de carga muda em resposta a uma : mudança de temperatura mudando assim o intervalo de faixa de radiação refletida pelo cristal fotônico compósito.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a composição de carga polimerizada sofrer uma mudança de fase em resposta a uma mudança de temperatura.

19. Método, de acordo com a reivindicação 18 caracterizado pelo fato de a composição de carga compreender um polímero cristalino de cadeia lateral.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a composição de carga polimerizável ser curável por UV. « “ ! ; |

* - e - = . 11 . « Lo gr — 645 Á Ee MA € 640 o E. A

LA = Ps e 630 Ee Lo A / s Lo Ed o E 620 +— ê & 615

EL AA A ss 610 É os Lo al o

RL 600 : 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Temperatura (ºC) * . FIG 1