BRPI0619715A2

BRPI0619715A2 - material de difração de radiação, composição colorida, método para produzir uma composição colorida, método para produzir um material difrativo de radiação, material difrativo de radiação e sistema para produzir material difrativo de radiação

Info

Publication number: BRPI0619715A2
Application number: BRPI0619715-9A
Authority: BR
Inventors: Calum H Munro; Mark D Merritt
Original assignee: Ppg Industries Inc
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2011-10-11
Also published as: DK1951825T3; KR20080065000A; NZ592648A; PL1951825T3; WO2007053409A2; US8133938B2; NZ567355A; HK1123063A1; RU2008121925A; EP2345701B1; CN101300314A; AU2006309059A1; JP2011138173A; CN101300314B; EP2345701A2; AR058819A1; TW200720332A; ES2399858T3; ES2383201T3; WO2007053409A3

Abstract

MATERIAL DE DIFRAçãO DE RADIAçãO, COMPOSIçãO COLORIDA, MéTODO PARA PRODUZIR UMA COMPOSIçãO COLORIDA, MéTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL DIFRATIVO DE RADIAçãO, MATERIAL DIFRATIVO DE RADIAçãO E SISTEMA PAPA PRODUZIR MATERIAL DIFRATIVO DE RADIAçãO. Um material de difração de radiação compreendendo um arranjo periódico ordenado de partículas mantidas em uma matriz polimérica é divulgado; cada uma as partículas compreende um núcleo envolvido por uma casca de uma composição não formadora de película que é diferente da matriz. Métodos para usar o material também são divulgados.

Description

"MATERIAL DE DIFRAÇÃO DE RADIAÇÃO, COMPOSIÇÃO COLORIDA, MÉTODO PARA PRODUZIR UMA COMPOSIÇÃO COLORIDA, MÉTODO PARA PRODUZIR UM MATERIAL DIFRATIVO DE RADIAÇÃO, MATERIAL DIFRATIVO DE RADIAÇÃO E SISTEMA PARA PRODUZIR MATERIAL DIFRATIVO DE RADIAÇÃO."

Campo da invenção

Esta invenção relaciona-se com corantes de difração de Bragg produzidos de partículas de núcleo-casca.

Antecedentes da invenção

Goniocromaticidade é o efeito da cor percebida variar à medida que o ângulo de iluminação ou observação varia. Pigmentos goniocromáticos são usados, por exemplo, em revestimentos automotivos, revestimentos decorativos, tintas de impressão (tintas de segurança em particular), têxteis e cosméticos. Seu efeito óptico resulta da reflexão direcional da luz a partir de predominantemente partículas como folhas que convencionalmente são metálicas ou que têm um contraste de índice de refração estruturado, a escala de comprimento das quais é comparável com o comprimento de onda da luz. De acordo com a natureza das partículas de pigmento, os pigmentos são conhecidos como pigmentos de efeito metálicos (por exemplo, alumínio, zinco, cobre ou ligas dos mesmos) ou pigmentos de interferência (por exemplo, baseados em mica revestida com dióxido de titânio, tal como muscovita, flogopita e biotita).

Como um resultado da luz incidente ser refletida direcionalmente pelas partículas predominantemente como folhas, os pigmentos de efeito de cor que são orientados, por exemplo, em um revestimento, exibem goniocromaticidade; isto é, sua cor percebida (luminosidade e/ou matiz e/ou croma) varia, com o ângulo de iluminação ou observação.

Existe uma necessidade de materiais goniocromáticos duráveis que possam ser produzidos em forma particulada e que sejam adequados para uso como corantes com embaçamento mínimo. Sumário da invenção

A presente invenção é dirigida a um material de difração de radiação compreendendo um arranjo periódico ordenado de partículas mantidas em uma matriz polimérica sendo que cada uma das citadas partículas compreende um núcleo circundado por uma casca de uma composição não formadora de película que é diferente da matriz.

A presente invenção é adicionalmente dirigida a um método para produzir um material difrativo de radiação compreendendo as etapas de:

aplicar uma dispersão de partículas de núcleo-casca sobre um substrato, os núcleos sendo substancialmente não incháveis e as cascas sendo não formadoras de película; dispor as partículas em um arranjo periódico ordenado que difrata radiação;

revestir o arranjo de partículas com uma composição de matriz;

inchar as cascas difundindo componentes da matriz nas cascas; e

fixar o arranjo revestido de partículas.

O presente método é adicionalmente dirigido a um sistema para produzir material difrativo de radiação compreendendo:

um substrato para receber uma dispersão de partículas de núcleo-casca que forme um arranjo periódico ordenado, as cascas sendo incháveis e substancialmente não formadoras de película;

um dispositivo de fornecimento de matriz para revestir o arranjo com uma composição de matriz;

uma fonte de radiação para iluminar o arranjo revestido;

um detector de radiação para medir o espectro de radiação difratada pelo arranjo revestido; e

um sistema de cura para curar componentes no arranjo revestido e fixar as posições relativas das partículas.

Descrição resumida dos desenhos

A fig. 1 é uma seção transversal de material difrativo de radiação produzido de acordo com a presente invenção; A fig. 2 é uma vista detalhada do material difrativo de radiação da fig. 1 mostrando a difração de Bragg de luz visível em um ângulo de visão; e

A fig. 3 é um esquema de um processo para preparar o material difrativo de radiação da presente invenção. Descrição detalhada da invenção

A presente invenção provê materiais difrativos de radiação compreendendo um arranjo periódico ordenado de partículas de núcleo-casca fixas dentro de uma matriz com o material da casca sendo não formador de película e diferente do material da matriz. Os materiais são adequados para uso em forma particulada como corantes, entre outras coisas. Como usado aqui, o termo "corantes" se refere a materiais difrativos de radiação que difratam radiação no espectro visível, enquanto material difrativo de radiação se refere ao material que difrata qualquer comprimento de onda de radiação eletromagnética. Em certas configurações, o material do núcleo e o material da casca podem ter diferentes índices de refração. Em adição, o índice de refração da casca pode variar como uma função da espessura da casca como um gradiente de índice de refração através da espessura da casca. 0 gradiente de índice de refração é um resultado de um gradiente na composição do material da casca através da espessura da casca.

Em uma configuração da invenção, o gradiente através da espessura da casca de composição e propriedades é produzido aplicando uma dispersão de partículas de núcleo-casca polimerizáveis sobre um substrato, os núcleos sendo substancialmente não incháveis e as cascas sendo não formadoras de película. As partículas são dispostas em um arranjo periódico ordenado que difrata radiação, e o arranjo de partículas é revestido com uma composição de matriz. Um ou mais componentes da matriz se difundem para dentro das cascas resultando em gradientes da composição da casca e das propriedades da casca. A composição de matriz pode incluir monômeros reticuláveis. A polimerização dos monômeros de matriz na casca e na matriz fixa o arranjo.

A presente invenção inclui um sistema para produzir material difrativo de radiação tendo um substrato para receber uma dispersão de partículas que forme um arranjo periódico ordenado e um dispositivo de fornecimento de matriz para revestir o arranjo com uma composição de matriz. Uma fonte de radiação é disposta para iluminar o arranjo revestido enquanto um detector de radiação mede o espectro de radiação difratada pelo arranjo revestido. 0 espaçamento entre as partículas é ajustado para conseguir um comprimento de onda desejado de radiação difratada. Um sistema de cura cura componentes no arranjo revestido e fixa as posições relativas das partículas.

Referindo-se às figs. 1 e 2, o material de dif ração de radiação 2 da presente invenção inclui um arranjo periódico ordenado de partículas 4 mantidas em uma matriz polimérica 6. As partículas 4 são compostas de um núcleo 8 circundado por uma casca 10. 0 material da casca 10 é não formador de película e é diferente do material da matriz 6. Como tal, o arranjo inclui pelo menos três regiões gerais, nominalmente, a matriz 6, a casca de partícula 10 e o núcleo de partícula 8. Tipicamente as partículas 4 são geralmente esféricas com o diâmetro do núcleo constituindo 80 a 90 por cento do diâmetro total da partícula ou 85 por cento do diâmetro total da partícula com a casca 10 constituindo o restante do diâmetro da partícula e tendo uma dimensão de espessura radial. O material do núcleo e o material da casca têm diferentes índices de refração. Em adição, o índice de refração da casca varia como uma função da espessura da casca na forma de um gradiente de índice de refração através da espessura da casca. O gradiente de índice de refração é um resultado de um gradiente na composição do material da casca através da espessura da casca.

O material da matriz é um polímero orgânico tal como um poliestireno, um poliuretano, um polímero acrílico, um polímero de alquida, um poliéster, um polímero contendo siloxano, um polissulfeto, um polímero contendo epóxi, ou um polímero derivado de um polímero contendo epóxi. 0 material dos núcleos das partículas também é polimérico e pode ser escolhido dos mesmos polímeros que o material da matriz e também pode ser material inorgânico tal como um óxido metálico (p.ex., alumina, sílica ou dióxido de titânio) ou um semicondutor (p.ex., seleneto de cádmio). 0(s) polímero(s) das cascas de partículas pode(m) ser selecionado(s) da mesma lista de polímeros que o material da matriz; entretanto, para um particular arranjo de partículas, o(s) polímero(s) da casca da partícula difere do(s) polímero(s) do material da matriz. Por "não formador de película", é significado que o material da casca permanece em posição circundando cada núcleo de partícula sem formar uma película do material da casca; como tal, as partículas de núcleo-casca são partículas discretas dentro do material de matriz. Tais partículas de núcleo-casca podem ser produzidas por polimerização de emulsão de monômeros de núcleo seguida por polimerização de monômeros de casca por cima.

As partículas de núcleo-casca resultantes são dispostas em um arranjo ordenado dispersando as partículas de núcleo-casca em um portador e revestindo a dispersão sobre um substrato. A dispersão das partículas pode conter 1 a 70% em volume das partículas, ou 30 a 65% em volume das partículas. Uma composição adequada para o portador é água. A dispersão pode ser revestida sobre um substrato por várias técnicas incluindo imersão, pulverização, a pincel, revestimento com rolo, revestimento com gravura, revestimento por cortina, revestimento por fluxo, revestimento por matriz com ranhura, ou revestimento por jato de tinta. As partículas na dispersão são todas carregadas similarmente, o que as faz se repelirem entre si e formarem um arranjo periódico de partículas. 0 substrato revestido com uma camada da dispersão é secado para remover o portador da dispersão tal que se acondicionem substancialmente adjacentes entre si em três dimensões. A secagem pode ser conseguida usando ar forçado, ou por aquecimento convectivo ou radiativo do substrato e/ou da dispersão.

Um material de matriz precursor (contendo monômeros) é aplicado às partículas acondicionadas no substrato por qualquer técnica adequada tal como pulverização, a pincel, revestimento por rolo, revestimento por gravura, revestimento por cortina, revestimento por matriz com ranhura, ou revestimento por jato de tinta e interpenetra o arranjo com uma composição de matriz fluida. Os monômeros da composição da matriz fluem ao redor das partículas de núcleo-casca e enchem os espaços intersticiais entre as partículas no arranjo acondicionado. Parte do(s) monômero(s) de matriz se difunde para dentro das cascas das partículas, inchando dessa forma as cascas e aumentando a espessura da casca. Os monômeros de matriz se difundem para dentro das cascas como um gradiente através da espessura das cascas com a concentração mais alta de monômeros de matriz estando na borda externa da casca e a concentração mais baixa dos monômeros de matriz estando adjacente à interface entre a casca e o núcleo.

A composição de matriz é curada (tal como por exposição à luz ultravioleta) para polimerizar o material de matriz nos insterstícios do arranjo e o material de matriz que se difundiu para dentro das cascas de partículas fixando dessa forma a dimensão das cascas e a posição das partículas dentro do polímero de matriz. Outros mecanismos de cura podem ser usados para fixar a composição de matriz dentro e ao redor das partículas. Os monômeros de matriz difundidos para dentro das cascas se polimerizam dentro das cascas criando um gradiente de polímero de matriz na casca com a concentração mais alta de polímero de matriz estando na borda externa da casca adjacente à matriz e a concentração mais baixa de polímero de matriz estando adjacente à interface entre a casca e o núcleo.

Referindo-se à fig. 2, o arranjo de partículas 2 difrata a radiação de acordo com a lei de Bragg. A radiação incidente (raio I) é parcialmente refletida (raio Ri) na camada mais superior de partículas no arranjo em um ângulo Θ em relação ao plano da primeira camada e é parcialmente transmitida (raio T) para camadas subjacentes de partículas. Alguma absorção de radiação incidente também ocorre. A porção de radiação transmitida é então ela própria parcialmente refletida (raio R2) na segunda camada de partículas no arranjo no ângulo Θ (com alguma absorção) e parcialmente transmitida para camadas subjacentes de partículas. Esta característica de reflexão parcial no ângulo Θ e transmissão parcial para camadas subjacentes de partículas continua através da espessura do arranjo. O comprimento de onda da radiação refletida satisfaz a equação:

mλ = 2 η d senӨ

onde (m) é um número inteiro, (n) é o índice de refração efetivo do arranjo e (d) é a distância entre as camadas de partículas. O índice de refração efetivo (n) é proximamente aproximado a uma média volumétrica do índice de refração dos materiais das partículas. Para partículas geralmente esféricas, a dimensão (d) é a distância entre o plano dos centros de partículas em cada camada e é proporcional ao diâmetro de partícula. Em tal caso, o comprimento de onda refletido λ também é proporcional ao diâmetro da partícula.

A presente invenção adicionalmente inclui um sistema para produzir material difrativo de radiação. Em uma configuração mostrada na fig. 3, uma dispersão 22 de partículas 4 em um portador é revestida sobre um substrato 24. A fig. 3 representa o substrato 24 viajando na direção da seta A e sendo imerso em um vaso contendo a dispersão 22 para revestir a dispersão 22 sobre o substrato 24, mas este método para aplicar a dispersão 22 ao substrato 24 não é pretendido a ser limitante e pode incluir os métodos descritos acima. As partículas 4 se formam em um arranjo periódico e o portador é removido da dispersão em 26 (tal como por evaporação) para produzir essencialmente somente um arranjo periódico de partículas 4 restando sobre o substrato 24. 0 arranjo de partículas é interpenetrado com uma composição monomérica de matriz fluida em 28. Parte da composição monomérica se difunde para dentro das cascas, aumentando assim a espessura da casca (e diâmetro de partícula) até que a composição de matriz seja curada em 30. A duração de tempo entre a aplicação dos monômeros sobre o arranjo e a cura em 3 0 em parte determina o grau de inchamento das cascas. O comprimento de onda e intensidade da luz refletida pode ser selecionado variando o espaçamento (d) entre as camadas (ajustando o tamanho das partículas), a quantidade de camadas de partículas, a diferença no índice de refração entre a matriz polimérica e as partículas, e o índice de refração efetivo (n) do material difrativo de radiação de acordo com a Tabela 1.

TABELA 1

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A distância (d) entre camadas de partículas no arranjo pode ser alterada para deslocar o comprimento de onda da radiação difratada, isto é, aumentar a distância interpartícula (d) para aumentar o comprimento de onda ou diminuir a distância interpartícula (d) para diminuir o comprimento de onda. Será apreciado que o tamanho de partícula de partículas pré-formadas tendo uma dimensão fixa não é prontamente ajustado em uma operação contínua. Portanto, em uma configuração da invenção, quando uma mudança de tamanho de partícula é necessária para ajustar o comprimento de onda da difração, partículas tendo um diâmetro maior podem ser usadas para preparar o arranjo. Isto requer que o processo seja trocado para operação com diferentes partículas que podem não permitir a preparação contínua de arranjo sobre o substrato. Entretanto, as partículas de núcleo-casca da presente invenção são particularmente adequadas para ajuste em linha do tamanho de partícula. O tamanho de partícula é em parte determinado pelo grau de inchamento na casca, isto é, a quantidade de monômeros de matriz que são permitidos a se difundir para dentro da casca antes da cura. O arranjo periódico de partículas exibe difração de Bragg de radiação que pode ser monitorada e controlada via uma fonte de radiação de iluminação 32, um detector de radiação difratada 34, incluindo um espectrógrafo 36 (exibindo a absorvência como uma função do comprimento de onda) e um sistema de controle para ajustar o comprimento de onda de radiação difratada. A fonte de radiação de iluminação 32 pode incluir um diodo emissor de luz (LED) e fibras ópticas para transportar luz de iluminação do LED para o arranjo e luz refletida do arranjo de volta para o detector 34. O comprimento de onda de radiação de iluminação pode estar no espectro visível ou não visível. A radiação difratada pelo arranjo e refletida de volta a partir do arranjo é recebida pelo detector e pode ser exibida no espectrógrafo 36. O sistema 20 inclui um sistema de controle 38 (tal como um computador com software) para correlacionar o espectro medido de luz difratada com uma aparência desejada e para alterar o comprimento de onda de radiação difratada. O sistema de controle 38 determina a duração do tempo que os monômeros de matriz são deixados se difundir para dentro das cascas de partículas. Se o sistema de controle 38 determinar que o comprimento de onda de radiação difratada é mais curto que o desejado, o sistema de controle 3 8 aumenta o tempo antes de curar para permitir mais monômeros se difundirem para dentro das cascas de partículas aumentando assim o diâmetro de partícula e aumentando a distância interpartícuia (d) . Por exemplo, a taxa de percurso do substrato 24 pode ser tornada mais lenta para aumentar o tempo para difusão de monômeros de matriz para dentro das cascas de partículas antes da cura. Uma aparência colorida desejada do arranjo 2 pode ser selecionada usando o computador 3 8 para correlacionar o espectro refletido em 36 com cor aparente. Por exemplo, um matiz de luz azul refletido a partir do arranjo 2 tem um espectro de assinatura de absorvência versus comprimento de onda. Quando o computador 3 8 determina que o espectro de absorvência combina suficientemente com o espectro de assinatura desejado, o arranjo 2 produzido exibirá a luz azul desejada. Desta maneira, a produção do arranjo 2 pode ser controlada baseada no espectro de absorvência. Será apreciado que outros tipos de componentes para a fonte de radiação 32, o detector 34, espectrógrafo 36 e sistema de controle 3 8 estão dentro do escopo da invenção.

0 material difrativo de radiação pode permanecer no substrato como uma película goniocromática cobrindo o substrato. Alternativamente, o material difrativo de radiação pode ser removido do substrato como uma película contínua para aplicação a um dispositivo tal como por laminação usando adesivos ou similares. Em uma outra configuração da invenção (como mostrada na fig. 3), o material difrativo de radiação é triturado em forma particulada (p.ex., como flocos) para uso como um corante em uma composição de revestimento colorida onde a radiação refletida é luz visível. A composição de revestimento colorida pode ser uma tinta, tintura, um cosmético ou outra composição decorativa.

O tamanho médio de partícula das partículas tem cerca de 0,01 a cerca de 1 mícron ou 0,06 a 0,5 mícron. A distância (d) entre as camadas é controlada substancialmente pelo tamanho das partículas. Se o tamanho de partícula variar dentro de uma camada ou se o tamanho de partícula variar entre camadas, o espaçamento (d) entre as camadas variará através do arranjo. Como notado acima, o comprimento de onda λ de luz refletida sob a condição de Bragg é uma função do espaçamento (d) entre as camadas. Uma distribuição de tamanhos de partículas provoca a variação no comprimento de onda de luz refletida que é vista como uma largura de banda ampla de luz exibindo uma mistura de cores ao invés de uma cor acentuada, limpa. Portanto, para manter um arranjo regular, as partículas são similarmente dimensionadas e, preferivelmente, diferem de tamanho entre si por um máximo de 15% ou um máximo de 5 por cento.

Para uso em revestimentos automotivos e revestimentos industriais típicos (p.ex., para telefones celulares) de espessura convencional, o material difrativo de radiação pode ter uma espessura máxima de 2 0 mícrons, tal como 10 mícrons ou menor ou 5 mícrons ou menor, tal como 2 mícrons. Os materiais substancialmente mais espessos que 20 mícrons podem ser difíceis para dispersar e alinhar corretamente em um revestimento automotivo ou industrial típico. Materiais substancialmente mais espessos que 20 mícrons também podem provocar uma aspereza da superfície de um revestimento automotivo ou industrial típico, provocando uma redução no brilho do revestimento, o que pode ou não ser desejável. Materiais mais espessos podem ser aceitáveis ou desejáveis em outros tipos de revestimentos que sejam mais espessos que revestimentos automotivos, e também podem ser aceitáveis ou desejáveis, por exemplo, em pigmentação de plástico, têxteis e cosméticos e/ou em aplicações onde uma aparência de brilho "áspero" ou reduzido seja desejada. O número de camadas de partículas no material difrativo de radiação é selecionado para alcançar as propriedades ópticas desejadas usando o número mínimo de camadas para conseguir a intensidade desejada de cor. Nestas dimensões, o material difrativo de radiação tem uma razão de aspecto que permite materiais em uma composição de revestimento se alinhar entre si, e com o substrato revestido ao longo de seus eixos geométricos longos. Uma razão de aspecto adequada para o material difrativo de radiação em uma composição de revestimento automotivo é pelo menos 2, ou 5 a 100, tal como 10.

O efeito de interferência (a intensidade da radiação refletida) pode ser aumentado aumentando o número de camadas no arranjo. Embora pelo menos duas camadas sejam necessárias para induzir um efeito de Bragg na luz incidente, pelo menos cinco ou pelo menos dez camadas de partículas podem alcançar uma intensidade desejada de radiação refletida. Menos camadas de partículas refletem menos radiação, diminuindo assim a intensidade da radiação refletida e tendendo a ampliar o comprimento de onda da radiação refletida. Mais que cerca de dez camadas podem ser usadas em certas aplicações onde radiação refletida de intensidade mais alta seja desejada. Um aumento na espessura da casca (isto é, aumento em tamanho de partícula) aumenta a distância (d) entre camadas de partículas no arranjo, aumentando assim o comprimento de onda da radiação difratada.

O efeito de interferência também é aumentado aumentando a diferença de índice de refração entre as partículas e a matriz ao redor. Em arranjos de Bragg convencionais de partículas envolvidas, o índice de refração efetivo do material em um plano através dos centros de uma camada de partículas está próximo do índice de refração das partículas porque pouco ou nenhum material de matriz é encontrado naquele plano. Um plano tomado através das bordas das partículas passa pelo material de matriz e material das partículas. Logo, o índice de refração efetivo através do plano das bordas de partículas é determinado por ambos os materiais (matriz e partícula convencional) e a diferença entre índice de refração efetivo entre o plano dos centros de partículas e um plano através das bordas de partículas é um pouco menor que a diferença de índice de refração entre o material da partícula e o material da matriz.

Em contraste, as partículas de núcleo-casca da presente invenção provêem diferença maior de índice de refração (e efeito de interferência maior) do que partículas convencionais devido à presença da casca. O índice de refração efetivo do material 2 tomado através de um plano C através os centros das partículas está baseado primariamente no índice de refração do material de núcleo. O índice de refração efetivo do material 2 tomado através de um plano S através das cascas das partículas é baseado no índice de refração do material da casca e do material da matriz. Desta maneira, a diferença de índice de refração entre o plano C e o plano S é maximizada e pode ser maior do que é alcançada com partículas convencionais (não de núcleo-casca).

Em adição, embora uma diferença maior de índice de refração entre as partículas e a matriz ao redor induza maior intensidade de radiação refletida, alguma dispersão de radiação incidente está tipicamente associada com uma mudança de etapa em índice de refração tal como pode existir entre a matriz e partículas de arranjos de Bragg convencionais. A radiação incidente dispersa reduz a intensidade de radiação refletida no comprimento de onda desejado e amplia o espectro de radiação refletida. Para difração de Bragg da luz, a cor refletida parece embaçada. Este fenômeno indesejado de radiação dispersada é minimizado na presente invenção onde a mudança de índice de refração do material refrativo de radiação é menos dramática. 0 índice de refração do material refrativo de radiação se desloca a partir do índice de refração do polímero da matriz para um gradiente de índice de refração através da espessura da casca correspondendo ao gradiente de concentração de polímero de matriz através da espessura da casca.

A presente invenção não está limitada ao uso em luz visível difratada. Outros comprimentos de onda de radiação eletromagnética fora do espectro visível podem ser refletidos, tais como radiação ultravioleta ou radiação infravermelha. O arranjo ordenado na matriz pode ser usado para refletir tal radiação para impedir ou minimizar a exposição de um substrato sobre o qual o arranjo está posicionado àquela radiação. O comprimento de onda λ da radiação refletida pode ser selecionado como descrito acima ajustando o índice de refração efetivo (n) e a distância (d) entre as camadas.

O índice de refração da composição de matriz também pode ser ajustado para alterar a diferença entre o índice de refração das partículas e o índice de refração da mátriz adicionando partículas de escala nano (dimensionadas de 1 a 50 nm) à matriz. As partículas de escala nano têm tamanhos de partículas menores que o comprimento de onda da luz visível e, portanto, substancialmente não refletem ou dispersam luz. Materiais adequados para as partículas de escala nano que aumentam o índice de refração da matriz incluem metais (por exemplo, ouro, prata, platina, cobre, titânio, zinco, níquel), óxidos metálicos (por exemplo, óxido de alumínio, óxido de cério, oxido de zinco, dióxido de titânio), óxidos metálicos misturados, brometos metálicos e semicondutores. Materiais adequados para as partículas de escala nano que diminuem o índice de refração efetivo da matriz incluem óxidos metálicos (por exemplo, sílica), óxidos metálicos misturados e fluoretos metálicos (por exemplo, fluoreto de magnésio, fluoreto de cálcio). Bolhas de ar de escala nano também podem ser produzidas na matriz polimérica para diminuir o índice de refração da matriz. Similarmente, o índice de refração das partículas pode ser ajustado adicionando partículas de escala nano às partículas.

Em uma outra configuração da presente invenção, uma composição de revestimento tendo uma cor percebida que exiba goniocromaticidade, isto é, a cor percebida varia com o ângulo de iluminação ou observação, é produzida. A composição de revestimento goniocromático inclui um ou mais materiais formadores de película (discutidos abaixo) e uma pluralidade do material de difração de radiação da presente invenção funcionando como corantes e, se desejado, outros aditivos descritos acima. Ao funcionar como corantes, o material de difração de radiação difrata luz visível.

O tipo e quantidade de material formador de película e outros componentes incluídos na composição de revestimento dependerá em parte da natureza do revestimento e seu método de aplicação. Nenhuma medida particular foi descoberta necessária para incorporar os corantes da presente invenção em formulações típicas de revestimento. Se desejado, para o bem de dispensabilidade melhorada, os corantes podem ser primeiro incorporados em um veículo polimérico na forma de uma pasta, opcionalmente ajudados pela adição de tensoativos convencionalmente usados com outros tipos de pigmentos. A razão específica de corante para componente formador de película pode variar amplamente desde que ela forneça a aparência de cor requerida na espessura de película e sólidos de aplicação desejados e dependerá dos particulares ingredientes empregados, do tipo de superfície a ser revestida, do uso pretendido da superfície, bem como de fatores tais como o tamanho específico usado dos corantes. Em uma base volumétrica, a quantidade de corante seria usualmente similar àquela empregada com outros pigmentos de efeito de cor, tal como micas revestidas ou perolescência natural (prateado de peixe). Embora não existam limites críticos, os efeitos podem não ser perceptíveis na maioria das aplicações em concentrações de corante menores que 0,2 por cento em volume, e seria não usual para um revestimento conter mais que 50 por cento em volume destes corantes de efeito especial (as porcentagens baseadas no teor total de sólidos da composição de revestimento).

Os corantes de efeito especial da presente invenção podem ser usados em uma ampla variedade de composições de revestimento, tais como tintas, tinturas, verniz para unha, e outros cosméticos. Estes incluem composições de revestimento líquidas à base de água e à base de solvente, composições de revestimento em pó, composições de pasta de pó e composições para eletrodeposição. Eles podem ser usados em revestimentos límpidos (isto é, aqueles que produzem películas curadas tendo substancial transparência) ou eles podem ser adicionados a outros pigmentos e/ou corantes em revestimentos coloridos. Funcionalmente, os revestimentos que podem incluir os corantes da presente invenção incluem primers [bases], camadas de base e camadas superiores, bem como qualquer um ou mais dos revestimentos em uma combinação multirrevestimento. A compatibilidade dos corantes com uma variedade de tipos de polímero tem sido observada, e pode-se esperar que qualquer composição polimérica formadora de película conhecida usada para revestimentos possa ser usada. Algumas das famílias mais comuns de composições poliméricas usadas em revestimentos incluem poliuretanos, polímeros acrílicos, polímeros de alquida, poliésteres, polímeros contendo siloxano, polissulfetos, polímeros contendo epóxi e polímeros derivados de polímeros contendo epóxi e combinações dos mesmos. Estes são sabidos a serem providos em revestimentos como laças, tipos termoplásticos ou termofixos de composições. Composições termofixas incluirão adicionalmente agentes reticulantes, tais como poliisocianatos, aminoplásticos de amino-formaldeido, poliácidos, polianidridos e combinações dos mesmos. Como usado aqui, "formadores de película" significa que os materiais formadores de película formam uma película contínua auto-suportável sobre pelo menos uma superfície horizontal com a remoção de quaisquer solventes ou portadores presentes na composição ou mediante a cura a temperatura ambiente ou elevada. Tintas se referem a composições que são adequadas para uso em processos convencionais de impressão.

Os materiais voláteis que podem ser incluídos como diluentes nas composições de revestimento líquidas ou de pasta de pó incluem água e/ou solventes orgânicos, tais como álcoois, éteres e álcoois éteres, cetonas, ésteres, hidrocarbonetos alifáticos e alicíclicos e hidrocarbonetos aromáticos como são comumente empregados na indústria de revestimento. Exemplos de solventes para revestimentos incluem solventes alifáticos, tais como hexano, nafta e aguarrás; solventes aromáticos e/ou aromáticos alquilados, tais como tolueno, xileno e SOLVESSO 100 (mistura aromática de Exxon Chemicals); álcoois, tais como álcool etílico, metílico, n-propílico, isopropíIico, n-butílico, isobutílico e amílico, e m- pirol; ésteres, tais como acetato de etila, acetato de n- butila, acetato de isobutila e isobutirato de isobutila; cetonas, tais como acetona, metil etil cetona, metil isobutil cetona, diisobutil cetona, metil n-amil cetona, e isoforona, glicol éteres e ésteres de glicol éter, tais como etileno glicol monobutil éter, dietileno glicol monobutil éter, etileno glicol monohexil éter, propileno glicol monometil éter, propileno glicol monopropil éter; acetato de etileno glicol monobutil éter, acetato de propileno glicol monometil éter, e acetato de dipropileno glicol monometil éter.

As composições de revestimento podem adicionalmente incluir um ou mais aditivos, tais como absorventes de UV e estabilizantes, agentes de controle de reologia, tensoativos, catalisadores, aditivos de construção de película, cargas, agentes fosqueantes, deformadores, microgéis, aditivos de controle de pH e outros pigmentos. Junto com os corantes da presente invenção, pode ser útil em alguns casos também incluir pigmentos e corantes convencionais. Estes incluem micas, óxidos de ferro, negro de fumo, dióxido de titânio, flocos de alumínio, flocos de bronze, mica revestida, flocos de níquel, flocos de estanho, flocos de prata, flocos de cobre e combinações dos mesmos. Outros agentes corantes orgânicos (isto é, corantes ou pigmentos orgânicos) também podem ser incluídos. Se for desejado combinar a gravidade específica dos componentes poliméricos e solvente da composição, o teor de corante da composição não terá essencialmente componentes de metal elementar, e, preferivelmente, essencialmente nenhum componente de óxido metálico também.

Acabamentos revestidos, particularmente para automóveis, são freqüentemente providos por múltiplas camadas de diferentes revestimentos. Um revestimento de automóvel pode tipicamente incluir um primer eletrodepositado, uma camada superficial de primer, uma camada base colorida e uma camada superior límpida. Camadas de revestimento adicionais podem ser usadas para propósitos de aparência ou performance. Os corantes da presente invenção podem ser incorporados em uma camada de outra forma límpida que seja aplicada sobre uma camada base não contendo o corante mas pigmentada convencionalmente (isto é, um acabamento composto chamado "cor mais camada límpida"). Qualquer uma ou ambas de a camada base e camada límpida neste exemplo pode ser à base de água como é conhecido na técnica.

Em ainda uma outra configuração alternativa, o revestimento que inclui o corante pode ser uma camada base, sobre a qual é aplicada uma camada límpida que não contém o corante. Os componentes da camada base e aqueles da camada límpida podem ser qualquer daqueles discutidos acima.

Em ainda uma outra configuração alternativa, o revestimento que inclui o corante pode ser uma camada límpida que é aplicada sobre uma camada base que também contém o corante. Os componentes da camada base e aqueles da camada límpida podem ser qualquer daqueles discutidos acima.

Os revestimentos líquidos ou de pasta de pó podem ser aplicados à superfície a ser revestida por qualquer processo adequado de revestimento bem conhecido por aqueles experientes na técnica, por exemplo por revestimento por imersão, revestimento direto por rolo, revestimento reverso por rolo, revestimento por cortina, revestimento por spray, revestimento a pincel, revestimento por gravura, revestimento por fluxo, revestimento por matriz com ranhura, revestimento a jato de tinta, eletrodeposição e combinações dos mesmos. Revestimentos em pó são geralmente aplicados por deposição eletrostática.

A presente invenção também inclui o uso do material difrativo de radiação em outros tipos de portadores que um componente formador de película. 0 material difrativo de radiação pode ser incluído como um componente dispersado em um cosmético ou impregnado em plástico.

A preparação e uso de material difrativo de radiação da presente invenção é ilustrada nos exemplos que seguem. Os exemplos seguintes são meramente ilustrativos da invenção e não são intencionados a serem limitantes. A menos que indicado de outra forma, todas as partes são em peso.

EXEMPLOS

Exemplo 1: Matriz polimérica orgânica

Uma composição orgânica curável por radiação ultravioleta foi preparada via o procedimento seguinte. Oxido de difenil (2,4,6-trimetilbenzoi1)fosfino/2-hidróxi-2-metil- propiofenona (22,6 g) , mistura 50/50 de Aldrich Chemical Company, Inc., Milwaukee, Wisconsin, em 615 g de álcool etílico foram adicionados com agitação a 549 g de triacrilato de glicerila (3) propoxilado, 105,3 g de tetraacrilato de pentaeritritol e 97,8 g de tetraacrilato de pentaeritritol (5) etoxilado todos de Sartomer Company, Inc., Exton, Pennsylvania, para produzir uma composição de matriz orgânica curável.

Exemplo 2: Partículas orgânicas de núcleo-casca

Uma dispersão de partículas de núcleo de poliestireno- divinilbenzeno/casca de estireno-metacrilato de metila- dimetacrilato de etileno glicol-divinilbenzeno em água foi preparada via o procedimento seguinte. 4,9 gramas de bicarbonato de sódio de Aldrich Chemical Company foram misturados com 4 0 90 g de água deionizada e adicionados a um frasco de 12 litros equipado com um termopar, manta de aquecimento, agitador, condensador de refluxo e entrada de nitrogênio. A mistura foi espargida com nitrogênio por 40 minutos com agitação e então colocada em lençol com nitrogênio. Tensoativo Aerosol MA80-I (46,0 g em 410 g de água deionizada) de Cytec Industries, Inc., foi adicionado à mistura com agitação seguido por uma lavagem com 48 g de água deionizada. A mistura foi aquecida a aproximadamente 50 cC usando uma manta de aquecimento. Monômero de estireno (832,8 g) , disponível de Aldrich Chemical Company, Inc., foi adicionado com agitação. A mistura foi aquecida a 60°C. Persulfato de sódio de Aldrich Chemical Company, Inc., (12,5 g em 144 g de água deionizada) foi adicionado à mistura com agitação. A temperatura da mistura foi mantida constante por 40 minutos. Sob agitação, 2 05,4 g de divinilbenzeno de Aldrich Chemical Company, Inc., foram adicionados à mistura e a temperatura foi mantida em aproximadamente 600C por 2,26 horas. Persulfato de sódio de Aldrich Chemical Company, Inc., (9,1 g em 86,4 g de água deionizada) foi adicionado à mistura com agitação. Uma mistura de estireno (200 g), metacrilato de metila (478,8 g), dimetacrilato de etileno glicol (48 g) e divinilbenzeno (30,2 g) todos disponíveis de Aldrich Chemical Company, Inc., foi adicionada à mistura da reação com agitação. Tensoativo Sipomer COPS-I (ácido 3- aliloxi-2-hidroxi-l-propanosulfônico, 82,7 g) de Rhodia, Inc., Cranbury, Nova Jersey, foi adicionado à mistura da reação com agitação. A temperatura da mistura foi mantida em 60 °C por quatro horas. A dispersão polimérica resultante foi filtrada através de um saco de filtro de cinco mícrons. A dispersão polimérica foi então ultrafiltrada usando um alojamento de ultrafiltração de 4 polegadas com uma membrana de fluoreto de polivinilidina de 2,41 polegadas, ambos de PTI Advanced Filtration, Inc., Oxnard, Califórnia, e foi bombeada usando uma bomba peristáltica em uma taxa de fluxo de aproximadamente 170 ml por segundo. Água deionizada (3000 g) foi adicionada à dispersão após 3000 g de ultrafiltrado terem sido removidos. Esta troca foi repetida várias vezes até que 023 g de ultrafiltrado fossem substituídos com 10037 g de água deionizada. Ultrafiltrado adicional foi então removido até que o teor de sólidos da mistura fosse 45 por cento em peso.

Exemplo 3: Partículas sobre substrato

O material preparado no Exemplo 2 (1575 gramas) foi aplicado via um revestidor de matriz com ranhura de Frontier Industrial Technology, Inc., Towanda,

Pennsylvania a um substrato de tereftalato de polietileno e secado a 180°F por 30 segundos para uma espessura seca porosa de aproximadamente 3,5 mícrons. As partículas depositadas resultantes difrataram luz em 541 nm quando medido com um espectrofotômetro Cary 500 de Varian, Inc. As partículas ficaram frouxamente depositadas sobre o substrato de tereftalato de polietileno e poderiam ser facilmente removidas quando tocadas levemente. Exemplos 4 05: Preenchimento posterior de partículas A composição de matriz orgânica curável preparada no Exemplo 1 (1389 gramas) foi aplicada nos espaços intersticiais das partículas secadas porosas sobre o substrato de tereftalato de polietileno preparado no Exemplo 3 usando um revestidor de matriz com ranhura de Frontier Industrial Technology, Inc. Após a aplicação, as amostras foram secadas em um forno a 120°F por uma duração de tempo listada na Tabela 2 e então curadas por radiação ultravioleta usando uma lâmpada de mercúrio de 100 W. As películas transparentes, flexíveis, resultantes vistas a 0 graus ou paralelas ao observador tinham uma cor vermelha. As mesmas películas, quando vistas a 4 5 graus ou mais em relação ao observador, tinham cor verde- alaranjado. As películas foram medidas usando um espectrofotômetro Cary 500 de Varian, Inc. e luz difratada como listada na Tabela 2.

TABELA 2

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Exemplo 6: Moagem de flocos

O material preparado no Exemplo 4 foi lavado duas vezes com uma mistura 50/50 de água deionizada e álcool isopropíIico. O material foi então removido do substrato de tereftalato de polietileno usando um conjunto de faca de ar de Exair Corporation, Cincinnati, Ohio. 0 material foi coletado via vácuo em um saco de coleta. 0 material solto foi então moído para pó usando um moinho ultra- centrífugo de Retsch GmbH & Co., Haan, Alemanha. 0 pó foi então passado através de uma peneira de aço inoxidável de 38 mícrons e uma de 25 mícrons de Fisher Scientific International, Inc. 0 material na peneira de 25 mícrons foi coletado como um pó.

Exemplo 7: Composição de revestimento contendo corante com partículas de núcleo-casca

O pó do Exemplo 6 foi adicionado a um recipiente contendo o primeiro componente de um ligante formador de película e um diluente. 0 recipiente foi tampado e agitado manualmente por 1 minuto. Após a agitação, o recipiente foi reaberto e um agente reticulante foi adicionado. O recipiente foi re-selado e agitado manualmente por um minuto. A composição de revestimento resultante tendo a composição como listada na Tabela 3 estava pronta para aplicação por spray. TABELA 3

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1 DCU2055, uma composição de camada límpida disponível de PPG Industries, Inc., Pittsburgh, PA.

2 DT870, um redutor disponível de PPG Industries, Inc.

3 DCX61, um agente reticulante disponível de PPG Industries, Inc.

Um painel de aço revestido preto (APR45583 disponível de ACT Laboratories, Inc., Hillsdale, Michigan) foi lixado com uma Sapata Scoth-Brite (sapata abrasiva disponível de 3M Corp., Minneapolis, Minnesota). O painel lixado foi esfregado manualmente e limpo com um desengraxante (DX33 0, disponível de PPG Industries, Inc.). O painel foi então revestido por spray com a composição de revestimento contendo o material do Exemplo 6„ O painel revestido foi flasheado por 10 minutos em condições ambiente e foi então aquecido a 1500F por 30 minutos e deixado a curar por 24 horas. O painel foi lixado com sapatas Scoth-Brite muito finas e foi limpado com isopropanol. O painel foi re-revestido com uma camada límpida protetora compreendida de DCU2055 e DCX61.

O painel descansou em condições ambiente por 10 minutos, foi aquecido a 14O0F por 20 minutos, deixado a curar por 24 horas e foi inspecionado visualmente. 0 painel revestido a O graus ou paralelo ao observador tinha uma cor vermelha. O mesmo painel revestido, quando visto em 45 graus ou mais em relação ao observador, tinha cor verde-alaranj ado.

Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a detalhes específicos de certas configurações da mesma, não é intencionado que tais detalhes sejam vistos como limitações ao escopo da invenção exceto até o ponto em que eles estejam incluídos nas reivindicações anexas.

Como usado aqui, a menos que especificado expressamente de outra forma, todos os números tais como aqueles expressando valores, faixas, quantidades ou porcentagens podem ser lidos como se precedidos pela palavra "cerca de", mesmo se o termo não aparecer expressamente.

Qualquer faixa numérica recitada aqui é intencionada a incluir todas as subfaixas inclusas nelas. O plural abrange o singular e vice e versa. Também, como usado aqui, o termo "polímero" é intencionado a se referir a pré-polímeros, oligômeros e tanto homopolímeros quanto copolímeros; o prefixo "poli" se refere a dois ou mais.

Claims

1. Material de difração de radiação, caracterizado pelo fato de compreender um arranjo periódico ordenado de partículas mantidas em uma matriz polimérica sendo que cada uma das citadas partículas compreende um núcleo envolvido por uma casca de uma composição não formadora de película que é diferente da citada matriz.

2. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o índice de refração do citado núcleo ser diferente do índice de refração da citada casca.

3. Material, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de a citada casca ter um gradiente de índice de refração através da espessura da citada casca.

4. Material, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a citada matriz ser produzida de monômeros reticuláveis, e os citados monômeros estarem presentes na citada casca em um gradiente de concentração através da espessura da citada casca.

5. Material, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a citada casca ser inchável por monômeros do citado polímero da matriz e o citado núcleo ser substancialmente não inchável.

6. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada um de a citada matriz e a citada casca compreender um material polimérico diferente entre si, sendo que o material polimérico compreende um poliestireno, um poliuretano, um polímero acrílico, um polímero de alquida, um poliéster, um polímero contendo siloxano, um polissulfeto, um polímero contendo epóxi e/ou um polímero derivado de um polímero contendo epóxi.

7. Material, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o citado núcleo de partícula compreender um material polimérico compreendendo um poliestireno, um poliuretano, um polímero acrílico, um polímero de alquida, um poliéster, um polímero contendo siloxano, um polissulfeto, um polímero contendo epóxi, um polímero derivado de um polímero contendo epóxi, um óxido metálico e/ou um polímero inorgânico.

8. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o diâmetro do citado núcleo ter 80 a 90 por cento do diâmetro total da partícula.

9. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o citado arranjo estar na forma particulada tendo uma razão de aspecto de 2 a 100.

10. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o material de difração de radiação estar na forma de uma folha.

11. Material, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o material de difração de radiação estar em forma particulada.

12. Composição colorida, caracterizada pelo fato de compreender um ligante resinoso e o material de difração de radiação como identificado na reivindicação 11.

13. Método para produzir uma composição colorida, caracterizado pelo fato de compreender: prover corantes, os corantes compreendendo o material de difração de radiação como identificado na reivindicação 1; alterar a composição da casca para criar uma diferença de índice de refração entre a casca e o núcleo, selecionando assim a intensidade de cor exibida pelos corantes; e dispersar os corantes em um ligante resinoso.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a etapa de alterar a composição da casca compreender permitir monômeros da matriz polimérica se difundir em um gradiente através da espessura da casca, inchando assim a casca.

15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de a etapa de alterar a composição da casca compreender permitir solvente da matriz polimérica se difundir para dentro da casca inchando assim a casca.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender os monômeros da matriz difundidos para dentro da casca para fixar as dimensões da casca.

17. Método para produzir um material difrativo de radiação, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: aplicar uma dispersão de partículas de núcleo-casca sobre um substrato, os núcleos sendo substancialmente não incháveis e as cascas sendo não formadoras de película; dispor as partículas em um arranjo periódico ordenado que difrata radiação; revestir o arranjo de partículas com uma composição de matriz; inchar as cascas difundindo componentes da matriz nas cascas; e fixar o arranjo revestido de partículas.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a matriz de difusão compreender monômeros reticuláveis.

19. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a matriz de difusão compreender solvente.

20. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a citada etapa de inchamento produzir um gradiente de índice de refração através da espessura da casca.

21. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de a citada etapa de inchamento adicionalmente compreender medir o comprimento de onda de difração do arranjo e ajustar o grau de inchamento das cascas para conseguir um comprimento de onda desejado da difração do arranjo.

22. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender remover o arranjo fixo do substrato e triturar o arranjo fixo em forma particulada.

23. Material difrativo de radiação, caracterizado pelo fato de ser produzido pelo método como identificado na reivindicação 17.

24. Sistema para produzir material difrativo de radiação, caracterizado pelo fato de compreender: um substrato para receber uma dispersão de partículas de núcleo-casca que formam um arranjo periódico ordenado, as cascas sendo incháveis e substancialmente não formadoras de película; um dispositivo de fornecimento de matriz para revestir o arranjo com uma composição de matriz; uma fonte de radiação para iluminar o arranjo revestido; um detector de radiação para medir o espectro de radiação difratada pelo arranjo revestido; e um sistema de cura para curar componentes no arranjo revestido e fixar as posições relativas das partículas.

25. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de a citada fonte de radiação produzir luz visível.

26. Sistema, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de o citado detector de radiação compreender um espectrógrafo.

27. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender meios para correlacionar o espectro medido de luz difratada pelo arranjo revestido com uma aparência desejada do arranjo curado.

28. Sistema, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de adicionalmente compreender meios para remover o arranjo curado do substrato e triturar o arranjo curado em forma particulada.