CN1708363A - 物理着色的墨汁和涂层 - Google Patents

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Abstract

使用一种诸如墨汁或油漆的涂层，涂层中的微粒根据电、磁或光/光特性加以选择，并被分散在涂层中以构成所需的物理颜色。在一种方法中，利用电或磁场，控制对诸如对纸张底物涂布涂层。在另一种方法中，通过使电、磁或光致电磁场靶准涂层指定位置，形成底物涂层上的图案。在又一个方法中，将涂在目标物上的涂层颜色变换为与底色一致的，使看起来似乎涂层被擦掉。对于这种方法，该涂层可以是标签型的，诸如条形码，可在销售位点处用扫描器读取。在另一种方法中，对涂层或底物施加电、磁或光场，扰乱或除去图案或标码。

Description

物理着色的墨汁和涂层
发明背景
物理着色，也称利用粒子散射的着色，较之以前的着色诸如染料和颜料的方法有许多好处。以前的方法存在褪色、重复性能、毒性及其它环境关注的问题。此外，物理着色能获得许多新的性能，诸如因日光曝露、温度改变或湿度改变引起由一种色态变至另一色态的可变换性。1999年8月3日发布，其标题为”Colored Articles And Compositions AndMethods For Their Fabrication″(着色制品及组合物和其制造方法)的一般受让专利US 5,932,309讨论了实现物理着色的各种组合物，在此引以参考。
特别是，物理着色可构成可变换性，由一种色态至另一种色态。这种色变组合物，可用于例如聚合物纤维方面的装饰场合，用于纺织品和毡毯，以及用于色变视窗和显示器。另外，这类技术在军事上还能用于伪装服装、帐篷和机械。如果这种色变由于日光曝露、温度改变或湿度变化的结果而被可逆地转换，那么对这些制品就能实现变色龙效应。如果颜色变换效应是由于光化辐射或高温曝露所引起的瞬间事件，则这种变换效应可用于构成空间相关的着色。通过获得新的光学效应，增强聚合物膜、纤维、涂层及其它制品的色调变化，构成了一个重要的工业目标。
在已有技术中，US 4,886,687描述了由于5000-100000行/英寸的凸饰图案衍射效应构成的非颜料着色。US 4,017,318描述了玻璃制品，在光化辐照后经热处理可构成由于胶体银色微粒的着色效应。US 2,515,936；2,515,943和2,651,145也描述了利用包括胶态金和银的各种胶态金属的组合，产生着色硅酸盐玻璃的方法。珠光般的组合物构成着色，诸如US 3,087,829和4,146,403中所述，是由于反射光干涉，反射光来自沉积于云母底物微粒平片双面上的各片晶平行对立面。US 3,586,417指出，对于光学装置，可通过变化滤光片的温度，改变Christiansen(克里斯琴森)滤光片透射波长。这种改变是由于散射粒子和液体基质的折射率温度系数不同的结果。对于制造Christiansen滤光片的各种新方法，包括对制造固体基质光学仪器的某些工作，Balasubramanian在“Applied Optics(应用光学)”31，pp.1574-1587(1992)的文章中有所描述。
但是，在利用与粒子散射相关的着色，或用于改进和增强粒子散射着色效应的材料和方法方面，这些已有技术均没构成优点。此外，这些已有技术也没有提供基于物理着色技术的墨汁及其它涂层，使可根据它们的电、磁及/或光特性对其进行控制。本发明涉及这些及其它的观点。
发明综述
本发明提供一种基于物理着色技术的可处理墨汁或其它涂层，和用于控制对底物涂布涂层及涂后涂层外观的一种装置和方法。本发明可使这些墨汁或其它涂层获得新的特性，使其能有新的用途。
按照本发明，这里提供了一种用于控制对底物涂布涂层的装置。此装置包括一种提供电及/或磁场的场发生器，和一种场控制器，用于控制对底物实施涂层涂布的外加场。这种涂层包括具有所需电及/或磁特性的微粒，将这些微粒分散于涂层中，以构成所需的物理着色。
在本发明另一方面中，提供了一种用于在底物所涂涂层上构成图案的装置。此装置包括一种用于施加电、磁及/或光场的场发生器，和一种控制器，用于控制对涂层的外加场，以构成其中的图案。这种涂层包括具有所需电、磁及/或光特性的微粒，这些微粒被分散于涂层中以构成所需的物理着色。对底物作为标签所涂涂层控制着色
在本发明的另一方面中，提供了用于对底物作为标签所涂涂层控制着色的一种装置。此装置包括一种场发生器，用于对涂层施加电、磁及/或光场，以引起标签物理着色所需的变化。这种涂层包括具有所需电、磁及/或光特性的微粒，将这些微粒分散于该涂层中以构成所需的物理着色。此外，该标签适合在零售店销售点终端通过诸如条形码扫描仪的扫描器读取，或用于保安和跟踪目的。
本发明另一方面提供了一种用于对底物涂布的的涂层，包括包含粒子散射着色剂的极细微粒，这些微粒具有电性、磁性、光特性或其结合特性；和一种基质成分，其中对极细微粒施加电场、磁场、光场或其结合，造成基质中极细微粒聚集和涂层中伴发的色变换、色减弱、色消失、或色变换及色减弱。
本发明另一方面提供了在底物中或在对底物所涂涂层内产生图案的方法，包括起粒子散射着色剂作用的极细微粒，这些微粒具有电性、磁性、光特性或其组合的特性；和一种基质成分，其中对极细微粒施加电场、磁场、光场或其结合，造成了基质中极细微粒的聚集和涂层中伴发色变换、色减弱、色消失、或色变换与色减弱，导致扰乱或消除图案。
在另一个方面，本发明提供了一种用于对底物涂布的涂层，包括经光散射构成颜色的微粒，这些微粒具有电性、磁性、光特性或其组合特性；和一种基质成分，其中对这些聚集极细微粒施加电场，磁场或光场，可使与聚集相关的色减弱、色消失及/或色变换反向过来。
附图简要描述
图1说明用于按照本发明对底物涂布涂层的一种装置；
图2说明用于按照本发明改变对目标物作为标签所涂涂层颜色的一种装置；和
图3说明用于按照本发明选择性地改变对底物所涂涂层颜色以构成所需图案的一种装置。
优选实施方案详细说明
物理着色是由于利用了分散于介质中极细微粒的独特粒度分布的结果。对该材料整体真实颜色关注少，因为极细微粒着色的原因是由于光散射的结果。因此，可以选择任何与所需最后颜色无关的微粒。此外，还可基于其它判据，诸如材料的电、磁和光特性，来选择微粒。例如，可以基于传导/电性或磁性选择材料，制造粉末分散体系，用于墨汁配方。在这种情况下，可通过控制环绕涂布的外加场，控制应用这种墨汁的印刷。可以控制，例如，涂层喷涂宽度和方向。另外，可按所需图案选择性地施加一种场，如利用诸如光栅或电子枪技术，在涂层上形成图案。或可通过显现光致响应的分散剂或束缚层，控制材料的这些特性。因此，本发明提供了带有无数新特性的墨汁或其它涂层。
另外，本发明有效于这种与微粒聚集相关的着色变换，色减弱及/或色消失。在本发明的一组实施方案中，利用外加应力或外加场聚集微粒，从而引起色变换，色减弱及/或色消失，构成了一种可擦墨汁或涂层。
这样一种方法在许多场合下是有价值的，包括用于塑料、金属及/或陶瓷的墨汁或其它涂层。另外，也可提供基于这些传导墨汁或磁化墨汁的新涂漆方法。也可以提供可擦墨汁或光致变换墨汁/涂层。例如，可在产品或产品标签上提供一种条形码，如在零售店结帐柜台为获知价格进行扫描时，通过改变产品或标签底色的颜色而基本上消失。在另一实施例中，可对经受光或其它辐射消毒的医学仪器或食品包装提供着色标记，此标记改变其着色来证实已经进行过灭菌。
这种与极细微粒聚集相关的色变换、色减弱，及/或色消失，在其他方面也可有效。在个实施方案中，利用外加应力或外加场，使这些微粒聚集，从而造成微粒色变换、色减弱及/或色消失，在需要时造成目标物上的标码或图案扰乱或消除。这种方法对于保安或跟踪目的应当也是有价值的。
上述的这种色变换、色减弱或色消失可以是在底物内的，或底物上的涂层内的。在一组实施方案中，这种色变换、色减弱、及/或色消失是在底物涂层之内的。图1说明用于按照本发明控制对底物涂布涂层的一种装置。这里，涂层如墨汁或涂漆的供料110经出口115与底物120连通。涂层可处在诸如喷漆器中的压力下，驱使其流出出口115。底物120可以包括纸张或其上待涂涂层的任何其它所需表面。电磁场发生器130产生电、磁及或光场，以控制涂布涂层至底物120上。如所已知，电场是通过荷电粒子诸如电子产生的。磁场是在电荷载体诸如电子移动通过空间或在导电体内移动时产生的。电磁(EM)场是在带电粒子被加速时产生的。因此，电及/或磁场可按以上任何方式提供。提供这些场的设备在本领域是已知的，诸如New England Techni Coil股份有限公司(Tuftonboro，N.H.)和Tabtronics股份有限公司(Geneseo，N.Y.)所提供的那些。
如上所指出，涂层可以是本领域已知的任何墨汁或油漆或涂层。对涂层中的粒子散射着色剂，根据其电、磁及/或光特性加以选择，以便通过调节场强度及/或位置，可控制其对底物120的轨迹。例如，粒子散射着色剂可以是其传导性高的金或银。此外，将微粒分散至涂层中以构成对涂层所需的物理着色。一种x-y控制仪140对场发生器130提供控制信号，对准涂层在底物120上某一所需位置，此位置可通过任何坐标系加以限定，包括笛卡儿坐标和极坐标。
另外，按以下定义，粒子散射着色剂可由至少两层组成，也称为洋葱皮粒子法。在此实施方案中，粒子散射着色剂可包括至少一层含粒子散射着色剂层和至少一层含有根据电，磁，及/或光特性所选择的材料层，以使其对底物120的轨迹可通过调节场强度及/或位置加以控制。
图2说明用于按照本发明改变涂层颜色的一种装置。这里，涂层已作为标签直接涂在目标物210上，或涂在目标物所固定的标签底物215上，这种标签底物可以例如有一种为此目的粘结剂衬垫。目标物210可以是一种由用户在零售店销售点终端购买的产品(如商品或备用品)。或者，目标物210可以是一种受跟踪的或库存的物品，如在装配线上的或货栈中的。这种涂层可以提供诸如由条形码提供的标签消息，它一般用于提供价格及/或与目标物相关的标识符，或标明目标物应该存储或移动至如货栈中某个位置。这种涂层构成了一种物理着色，它允许以常规方式用条形码扫描仪230读取。物理着色，如这里讨论的，可以通过将极细微粒分散至涂层中的方法获得。例如，在白色或其它淡着色背景上的暗色，就可通过条形码扫描仪230读取。检验记录仪240连通条形码扫描仪230，以增添消费者购置多个目标物的价钱。
此外，对这种粒子散射着色剂可根据电/传导、磁、及/或光特性加以选择，以使在施加适宜场时，采用诸如颜色场消除器220的方法，变换着色。在根据电特性选择微粒时，颜色场消除器220使用电场来变换着色，降低颜色强度及/或扰乱涂层内的图案。在根据磁性选择微粒时，颜色场消除器220使用磁场来变换着色，降低颜色强度，及/或扰乱涂层内图案。在根据光特性(如其对光响应)选择微粒时，颜色场消除器220使用光电/光场来变换着色，降低颜色强度，及/或扰乱涂层内图案。在这种情况下，微粒或涂层可包括一种光致响应材料，诸如分散剂或束缚层(bound layer)。因此，这种颜色场消除器220可包括任何能够变换电/传导，磁及/或光特性的设备。
例如，可通过对涂层施加电/传导及/或磁场使微粒聚集的方法，使构成标签信息的涂层颜色变换成与目标物或标签底物相反却基本调合的颜色。用这种方式，此涂层基本上看起来似乎在目标物210’上被抹去。颜色场消除器220可与条形码扫描仪230连通，从而直至证实条形码已被成功扫描，才改变该颜色。
在一组可能的实施方案中，标签底物215(或目标物210，如果将涂层直接涂至目标物上)可以包括一种组合物，其内有固体基质成分和分散其中的电子跃迁着色剂、染料或颜料，所有这些组分都是技术熟练人员易于得到的。因此，这种组合物有固定的颜色，一般不受外加场的影响。这种涂层，是被置于标签底物(或目标物)上的，可以包括一种其内有固体基质组分与分散其中的粒子散射着色剂的组合物。该着色剂以其完全不同于底物215或目标物210的颜色浸入该涂层。此着色剂可以包括例如受外加电或磁场影响的金或银。当通过颜色场消除器220施加这种场时，着色由于粒子散射而被减弱，使该涂层组合物变成基本上对来自底物组合物的反射可见光是透射的，涂层就基本上看不见了。如以下所定义，只要着色取决于微粒尺寸，而且没有因平行片两对立面或界面反射光的干涉而明显着色，则可认为这些着色剂就是本发明的粒子散射着色剂。按照定义，不吸收的粒子散射着色剂不吸收可见光。当这些微粒聚集时，由散射引起的颜色被减弱或被消除，留下了白色或基本透明涂层，是白色或基本透明却取决于聚集微粒的浓度。根据定义，吸收粒子散射着色剂吸收可见光，但在本发明中，这些着色剂使用浓度极低(例如，对Au 0.05重量％)。当这些吸收的粒子散射着色剂开始聚集时，其颜色按照米氏理论(Mie theory)变换。当微粒聚集至足够大的尺寸时，它们不再进行明显的米氏散射(Mie scattering)。在这些低浓度下，观察到的颜色是被减弱了的，明显被减弱了的，或有时消失。
在一组实施方案中，在消除或改变涂层时，目标物的外观改善。在另一实施方案中，可证实目标物已被扫描。在又一个实施方案中，在需要保安或跟踪目标物时，目标物上的初始标码或图案被扰乱或消除。
颜色场消除器220在消除涂层颜色后，还可对涂层施加适宜的电、磁及/或光场，其颜色经极细微粒的脱聚集，反向变换，从而再现初始的标码或图案。
使用这种涂层可有各种其它方式。例如，为了其它目的，此涂层可用于已施加电、磁及/或光场的环境，例如消毒仪器。例如，在医学或治牙仪器或其它利用紫外光消毒物体上，可用此涂层构成标记。这时，涂层的颜色指示是否已施加光场并因此仪器是否已消毒。同样，可将该涂层作为标记，涂在已辐射杀菌的食品包装上，经色变以确认其已经过辐照。此涂层也可根据颜色变化用于指示外加场强度。
图3说明一种按照本发明用于选择性地改变底物涂层颜色以构成所需图案的装置。这里，将涂层225均匀或不均匀地涂在底物320上，用对x-y控制仪340响应的场发生器330，选择地使电、磁、及/或光场靶准涂层325。例如，诸如激光或电子枪的技术可用于提供电及/或磁场。光场可以通过用一种适宜光束而构成。根据场的位置，在涂层325中构成相应图案。这种图案例如可以是一种设计、文本或商标。此外，可以使该场靶准涂层的正面，或当所用场可透过底物时靶准其背面。
在另一可能实施方案中，底物320可以包括一种其固体基质组分中分散有电子跃迁着色剂、染料或颜料的组合物。此组合物325，置于底物320上，可包括一种其固体基质组分中分散有粒子散射着色剂的组合物。该着色剂浸入涂层325，其颜色完全不同于底物320的颜色。此着色剂可包括例如可受外加电或磁场影响的金或银。当通过场发生器330施加这样一种场时，由于粒子散射的着色仅在施加该场的特定位置处被衰减，从而该涂层组合物变成可基本透射来自底物组合物的反射可见光，并可看见底物的颜色。以这种方法可以构成所需图案。
制备该涂层，可采用本领域技术人员已知的方法和在例如1999年8月3日发布的标题为“Colored Articles And Compositions And MethodsFor Their Fabrication″(着色制品和组合物和其制造方法)的一般受让专利US 5,932,309中所讨论的方法。制备该涂层，还可通过将不吸收的粒子散射着色剂按浓缩物分散至涂层溶液中，然后降低至较低浓度。研磨和分散剂有助于改善粒子散射着色剂分散体系。具体地说，用分散剂诸如CaplubeTM(植物基材料)在40％重量浓度下对不吸收的粒子散射着色剂，诸如MT-500B(Daicolor-Pope公司提供的无包被二氧化钛，其平均粒径35nm)，研磨过夜。接着，将此浓缩物加至该涂层溶液中，制成一种包括最后排放浓度为例如1％粒子散射着色剂的涂层溶液。在另一方法中，制备该涂层，可采用将粒子散射着色剂直接加至涂层、涂层溶液、或涂层原料中而不用分散剂的方法。
在另一实施方案中在涂层、涂层溶液或涂层原料中原位制成吸收的粒子散射着色剂。这种用于溶液和聚合物的方法是本领域已知的，而且在一般受让专利US 5,932,309中有所讨论。在本实施方案的一个实施例中，把金属盐加至涂层溶液中。使该金属盐在涂层溶液还原，在涂层溶液内产生一种吸收的粒子散射着色剂。具体地说，将一种氯化金(III)溶液溶于该涂层溶液，达到金浓度0.05重量％。然后，把溶于水溶液的还原剂诸如柠檬酸钠，快速搅拌加至该涂层溶液中，原位产生粒子散射着色剂。加热该溶液到例如100℃，可促进还原。
在呈现物理着色的材料中，光散射是通过分散于至少部分透射光的基质内的微粒实现的。
对于本发明有用的着色剂被称作粒子散射着色剂。这些着色剂不同于被称为片状干扰着色剂，片状干扰着色剂是由于来自片状微粒的两相立平行面或界面反射光间的干扰而构成着色的着色剂，也不同于被称为电子跃迁着色剂，电子跃迁着色剂是由于电子跃迁而构成着色的着色剂。尽管粒子散射着色剂可通过电子跃迁构成某种程度的着色，但如果着色取决于微粒尺寸，又没有明显的来自平行片对立面或界面反射光的干涉而着色，则这种着色剂就是一种微粒散射着色剂。
根据粒子散射着色剂是否明显吸收可见光谱区的光线，粒子散射着色剂分为吸收的粒子散射着色剂或不吸收的粒子散射着色剂。当粒度足够大而使粒子对光散射不明显时，可凭对颜色的视觉感知来证明吸收。
对于第一类型，使用微粒着色剂，可通过将微粒分散在其可见光区折射率明显不同于粒子散射着色剂的固体基质中的方法。对于此第一类型，粒子散射着色剂被限定为符合如下所规定的A或B特性之一的材料。
确定A或B特性是通过将待选粒子散射着色剂分散在无色各向同性的液体中的方法，该液体具有不同于方便易得的待选粒子散射着色剂的折射率。最可靠的试验就是选择在此液体与待选粒子散射着色剂间有尽可能大的折射率差异的结果。这种仅含待选粒子散射着色剂和无色各向同性液体的液固混合物被称为是微粒试验混合物。对于微粒试验混合物，按在包括整个可见光区380-750纳米波长范围内的波长连续函数，测定其透射光强度对入射光强度之负对数比(-log(I/I0))。这种测定可方便地利用一种普通紫外线-可见光分光计完成。所得量(-log(I/I0))被称作有效吸光率，因为它包括散射和吸收二者对降低透射光强度的影响。
A特性仅对粒子散射着色剂在可见光谱区明显不吸收的材料是一种有效决定因素，它意味着吸收还没有大到淹没粒子散射着色效应的程度。对于单一目的的A特性试验，可见光谱区吸收不明显的材料被定义为其微粒试验混合物在约380-750纳米光谱区中具有最大有效吸光率的材料，当待选粒子散射着色剂平均粒度增加到约20微米以上而不改变其在该微粒试验混合物中的重量浓度时，此最大有效吸光率会降低至少约1/2，优选降低至少约2/3。
应当明白，上述吸光率比一般应与微粒试验混合物中待选粒子散射着色剂的浓度呈弱相关性。这种相关性通常弱到对确定某材料是否一种粒子散射着色剂显得不重要的程度。但是，对于材料仅勉强是一种粒子散射着色剂(或勉强不是粒子散射着色剂)的某些情况下，就应该在欲用材料的待选粒子散射着色剂的浓度下，评价上述吸光率比。此外，对本领域技术人员显而易见的是，在该试验混合物中待选粒子散射着色剂的浓度应该足够地高，以使I/I0明显偏离一，但又不要高到使I太小，以致测定不可靠。
一种在可见光区吸收不明显的待选粒子散射着色剂，只要其微粒试验混合物在约380-750纳米光谱区内有一最大有效吸光率，此吸光率在同一波长范围内至少约2倍于，优选至少约3倍于其最小有效吸光率和该材料平均粒度在约20微米以下，则就具有A特性。
如果在可见光区该待选粒子散射着色剂吸收明显，就可另外确定它是一种粒子散射着色剂，只要另一种材料具有A特性而且该材料在可见光区吸收不明显，并具有基本与该待选粒子散射着色剂相同的粒度分布和形状。
对于在可见光区吸收明显的待选散射着色剂，B特性也适用于确定一种颗粒材料是否属于粒子散射着色剂。确定是否满足B特性判据，要求进行如上所用同样的在可见光谱区有效吸光率谱的测定。只要该待选粒子散射着色剂具有透射光强度最低值，与用平均粒度在20微米以上的同一组合物所得的最低值相比，它至少偏移10纳米，就满足B特性的判据。
在另一实施方案中，着色剂是在把被称为初始粒子的小粒子嵌入大粒子中时形成的。对于这种情况，可通过对初始粒子或对含初始粒子的嵌入微粒应用A特性判据或B特性判据，确定该待选材料是否是一种粒子散射着色剂。
对于第二类型的实施方案，确定什么是粒子散射着色剂的复杂性已不存在，其中在可见光区某些波长下粒子散射着色剂的折射率是与基质的折射率一致的。在这些案例中，任何其粒度不足2000微米的材料均属于粒子散射着色剂。同样，在待选微粒包括两维或三维有序阵列的初始粒子时，确定该待选微粒是否一种粒子散射着色剂是易于明白的。这种粒子散射着色剂的大粒子会有一种肉眼看得清的乳白彩虹光。
尽管以上确定颗粒材料是否是一种粒子散射着色剂似乎复杂，但用起它们来却简单方便。将颗粒材料分散于液体中比分散于固体基质中更容易构成用于本发明的制品。此外，为利用A或B特性判据所需进行的有效吸光率测定是快速的，而且能用一种便宜的分光计，通过常规操作步骤就可完成。因此，运用这些特性判据，在识别适合于实施本发明的材料(即粒子散射着色剂)方面，会节省许多时间。
在某些实施方案中，电子跃迁着色剂是与粒子散射着色剂结合使用的。电子跃迁着色剂被定义为在可见光区波长下吸收系数大于10-1厘米-1又不满足粒子散射着色剂判据的材料。在本发明实施方案中，也是结合粒子散射着色剂使用染料和颜料的。在这方面，染料或颜料被定义为在可见光区吸收光线足以造成十分易感着色程度的材料。视粒度而定，颜料可以是粒子散射着色剂或是电子跃迁着色剂。此外，一般，或电子跃迁着色剂、染料、或颜料均可互换地用于本发明实施方案。
使用中，本发明所用粒子散射着色剂是作为微粒被分散在周围基质中的。这些粒子散射着色剂的微粒是随机处于或以一种位置相关方式排列于主体基质内的。在其任一情况下，由于这些微粒散射的结果，可以出现强着色效果。粒子散射着色剂的位置相关排列是优选的，以便获得有些闪光的着色效果，有时构成不同视角有很不同的着色效果。对于具有变换序列的微粒阵列，这种散射过程被称为布喇格散射(Braggscattering)。为获得更细微的着色效果，非相关的粒子散射着色剂是优选的，甚至对非吸收的粒子散射着色剂，其效果也能够是强烈的。
由于光线照射的视觉范围约在380-750纳米之间，这种范围对于定义本发明粒子散射着色剂的光学特性是优选的。在本发明某些实施方案中，优选的粒子散射着色剂，在遍及整个380-750纳米可见光光谱范围内，具有与主体基质不同的折射率，而且利用电子跃迁着色剂、染料或颜料，优选地增强了粒子散射效应。这种状况不同于已有技术的Christiansen(克里斯欣森)滤光片材料的状况，已有技术在至少一种可见光波长下构成了与主体和基质材料一致的折射率，而且电子跃迁着色剂，染料或颜料通常性能下降。除非另作说明，所述折射率均是在室温下测定的。此外，粒子散射着色剂被认为具有不同的折射率，比基质材料折射率低或高，只要确实存在光偏振方向。
粒子散射着色剂，或其子组分，应该少得足以有效色差地散射光线。如果可见光波长中没有可使散射粒子着色剂和基质折射率基本一致的波长，这就意味着，这种着色剂的平均粒度优选最小尺寸在约2微米以下。所谓平均粒度，我们指的是普通算术平均值，而非(例如)均方根平均值。对于本发明的实施方案，彩色着色出现是由于整个可见光谱区基质和粒子散射着色剂间的折射率存在巨大差异的结果，粒子散射着色剂的平均粒度更优选在约0.01-0.4微米。在这种情况下，平均粒度最小尺寸最优选在约0.2微米以下。尤其，如果粒子散射着色剂在可见光区显著吸收光线，甚至低于0.01微米的更小平均粒度都在此优选范围内。此外，如果粒子散射着色剂的微粒未被优先定向，则优选的是，粒子散射着色剂单粒最大尺寸对最小尺寸之平均比值在约4以下，而且粒子散射着色剂微粒在粒度或形状方面均分散小。另一方面，对于本发明实施方案，其中在可见光波长下粒子散射着色剂和基质的折射率基本上变成零，颗粒形状可以是十分不规则的，优选平均粒度可以是十分大的，优选在约2000微米以下。甚至较大的粒度可以处于该优选范围内，只要该粒子散射着色剂其内含有较小的粒子散射着色剂。对于本发明几个不同实施方案，这种对优选粒度的复杂论点，会在此后对这些实施方案的讨论中进一步得到澄清。
对某一具体粒子散射着色剂的粒度，可表示为小于某一所述极限的最小尺寸微粒的分数，代替用平均粒度或最小尺寸平均粒度表示的粒度。对于本发明实施方案，可见光区所有波长下粒子散射着色剂的折射率十分不同于基质的折射率，这种描述是最有用的。在这些实施方案中，优选的是所有最小尺寸微粒至少有约50％不足约0.1微米。
其中分散有粒子散射着色剂的基质，在可见光谱范围可以是吸收或不吸收的。可以利用路径-长度-相关的或路径-长度-独立的表征量二者中任一种来规定这种吸收特性。例如，如果在光线穿过厚度t的基质后，初始光强度I0被降低至It，则透光百分率是100(It/I0)。相应的吸收系数为-(l/t)ln(It/I0)。除非另有规定，所述吸收特征就是对其至少有光吸收的光偏振方向的吸收特征。对于某些运用，对于在可见光谱区基本上不进行吸收的粒子散射着色剂，这是优选的。对于其它应用，它对于在可见光区吸收峰中不存在最高峰的粒子散射着色剂也是足够的。在其它将要被描述的应用中，对于在可见光区内波长下具有最大吸收系数的粒子散射着色剂，它是优选的。后者构成了本发明的实施方案，其中粒子散射着色剂包含一层某一吸收材料的外涂层，它薄得只产生小的光线吸收。
在可见光谱区非强频率相关的光散射由于基质材料缺陷的结果时常发生。这些缺陷的一个实例是半结晶聚合物基质材料中的无定形晶粒边界。这种非色差散射能够干扰用粒子散射着色剂实现的着色。因此，利用以上表达式定义“有效吸收系数”是有用的，而不必修正非粒子散射着色剂所引起的基质散射。
因为其实用于构造各种所需新光学效应的制品，诸如UPC代码、保障标志、地毯、衣服、墙纸、帷幔、家具面层、聚合物模制件和涂层，纸涂层和有机聚合物是两种用于本发明组合物的可能基质材料。所谓聚合物，我们指的是均聚物、共聚物和其各种混合物。各种无机的和混合有机及无机的基质材料，也适用于作为本发明的基质材料，诸如SiO2玻璃，和无机及有机聚合物的混合物。选择这些基质材料的主要限制是，吸收或波长不敏感的光散射不占主要，以致由于粒子散射着色剂的波长选择性散射(即色差散射)成为可忽略的。这个限制意味着，这些基质材料必须具有某一透明度。采用以上定义的有效吸收系数，对透明度的这个要求就指的是，在可见光谱中某些波长下，其中分散有粒子散射着色剂微粒的主体基质，其有效吸收系数优选在约10-4A-1以下。更优选，在可见光谱中某些波长下主体基质的这个有效吸收系数在约10-5A-1以下，而最优选地是，在可见光区某些波长下此有效吸收系数在约10-6A-1以下。很多市场可供应的透明有机聚合物，其在可见光区有效吸收系数都较低，尤其适用于作为本发明的基质材料。这些材料包括，例如，聚酰胺、聚氨基甲酸乙酯、聚酯、聚丙烯腈、和烃聚合物，诸如聚乙烯和聚丙烯。无定形聚合物，由于缺陷散射极少，是尤其优选的，诸如光学质量的聚乙烯、丙烯酸、聚砜、聚碳酸酯、多芳基化合物、或聚苯乙烯。
取决于所需着色强度，可以在非常宽范围内改变主体基质中粒子散射着色剂的负荷量。只要粒子散射着色剂未变成聚集到使微粒界面间折射率大波动消除的程度，着色其强度应当一般随粒子散射着色剂负荷量而增大。但是，非常高的粒子散射着色剂负荷量会降低机械性能，紧密的微粒聚集能够显著降低界面折射率的变化，改变散射粒子的有效尺寸。因此，主体基质中的粒子散射着色剂体积负荷量优选在约70％以下，更优选约30％以下，最优选约10％以下。但是，为了达到显著的着色效果，粒子散射着色剂优选包括至少约0.01重量％的基质组分。此外，对吸收的粒子散射着色剂所需的粒子散射着色剂负荷量可以低于对不吸收的粒子散射着色剂的负荷量，而在本发明某些实施方案中，此负荷量可随基质和粒子散射着色剂间的折射率差异增大或随含粒子散射着色剂基质厚度的增厚而减少。
对于本发明材料，为获得强粒子散射所必需的折射率变化，可以采用各种微粒构造方法。优选的方法包括：(1)简单粒子法、(2)表面增强粒子法、和(3)洋葱皮粒子法。对于简单粒子法，组合物中的微粒基本上是均匀的，选择这些微粒的折射率是不同于主体基质的。除非另作说明，这里对微粒和主体基质有关折射率差异所做的说明或属于对简单粒子法的，或在更复杂的微粒情况下属于对外微粒层的。对于表面增强粒子法，这些微粒含有其折射率不同于基质的一种试剂的外膜层。这种表面增强剂和主体基质的折射率应该优选相差至少约5％。更优选，此折射率差异在约25％以上。最后，对于洋葱皮粒子法，其散射微粒是多层(类似洋葱皮)的，各层折射率不同，以致各层间界面发生散射。其折射率差异优选约5％以上，但是，如果洋葱皮结构中有许多层，也可有效地利用较小的折射率差异。
在一组本发明简单粒子法实施方案中，散射微粒的折射率比基质的高。在另一实施方案中，基质的折射率比散射微粒的高。在这两种实施方案中，应该使散射中心和基质的折射率差异最大化，以便因为粒子散射而增强着色。因此，这些实施方案被称为是大Δn实施方案。更具体地说，在散射中心是无机微粒和基质是有机聚合物的情况下，应该使无机微粒和有机聚合物间的折射率差异最大化。这种折射率差异一般取决于光偏振方向。
在其它一些实施方案中，各粒子散射着色剂的折射率在可见光区至少一个波长下是很接近一致的。在这些实施方案中，优选的是：(1)在可见光谱区中粒子散射着色剂和基质聚合物的折射率的波长相关性有大差异、(2)基质聚合物和粒子散射着色剂具有光学各向同性的状态和(3)净基质聚合物在可见光区透明度非常高。这些实施方案，被称为Δn变零实施方案，应用了Christiansen(克里斯欣森)滤光片的概念来实现着色。选择这些粒子散射着色剂的粒度，要使其在可见光谱区中所有波长都被散射，除非它们处于基质与粒子散射着色剂折射率一致的附近区。散射效率的这种波长相关性构成或增强了制品的着色。
高Δn实施方案和Δn变零的实施方案，两者都提供了获得稳定着色或可变换着色的方法。在高Δn实施方案中，优选地是，利用粒子散射和可见光区中与电子跃迁相关的波长相关吸收的综合效应，实现按所需方式的可变换着色。在Δn变零实施方案中，按所需方式的可变换着色，可以通过以下任一效应(光或光化照射、热辐射、电场、温度、湿度等)而实现：(1)偏移可见光谱区内二波长间Δn变零的波长；(2)偏移可见光谱区内Δn变为零的波长，(3)偏移可见光谱区外Δn变零的波长，或(4)由于粒子散射和可见光区与电子跃迁着色剂、染料或颜料有关的吸收中异常着色(chromism)的综合影响，造成着色偏移。铁电体、可变换反铁电体组合物、和光致铁电体组合物，为利用粒子散射着色剂实现可变换着色提供了优选组合物。
电子跃迁着色剂、染料或颜料对于实现高Δn实施方案中的可变换着色是尤其优选的，甚至在这些着色剂没有遭遇变换电子吸收着色时也是优选的。其原因可以从认为一种薄得足以不散射所有入射可见光照的材料(诸如聚合物膜)看出。在这种高Δn实施方案情况下，在整个可见光谱范围，粒子散射着色剂和基质的折射率差异都大(与在此范围的Δn波长相关性相比)。因此，在粒子散射着色剂和基质间折射率的改变，增加了散射光的总强度，一般它近似指数比例于(Δn)2，但基本上不改变这种散射光的波长分布。另一方面，电子跃迁吸收着色剂的色差反射和吸收，可构成被散射光色差性质的可变换性，因为受电子跃迁着色剂、染料或颜料影响的入射光量可以取决于未被粒子散射着色剂散射的光量。作为实例，可使人想到，粒子散射着色剂层的散射效率和厚度大到基本上无光穿透射到含电子跃迁着色剂层的情况。如果接着变换粒子散射着色剂的折射率，使粒子散射着色剂的折射率变得很接近于基质的折射率，则光线就能基本上透射穿过粒子散射着色剂层，达至电子跃迁着色剂层。于是，粒子散射着色剂的折射率的可变换性造成了制品着色的可变换性。这种状况十分不同于Δn变零实施方案的情况，此刻，即使没有电子吸收，十分薄的制品散射光线不完全，也能证明散射光的色差性质的可变换性。这可以是真实的，只要在可见光区中有波长可变换性，在此波长下Δn变为零和Δn明显取决于可见光区的波长。可将可见光区折射率的波长相关性有用地表示为nF-nC或为色散(Abbe)系数((nD-1)/(nF-nC))，此处下标F、D和C分别表示处在486.1、589.3、656.3纳米下的折射率值。对于Δn变零实施方案，为了获得增强着色，粒子散射着色剂和其中分散有着色剂的基质的nF-nC差绝对值优选大于约0.001。
可以把粒子散射着色剂和电子跃迁着色剂一起混合同一基质中，或混入单独的基质中，使之组合为基本互相贯穿的或基本互相不贯穿的。后者，其粒子散射着色剂和电子散射着色剂处于单独基质中，基本上不互相贯穿，构成本发明的一个更优选实施方案，因为由粒子散射着色剂的散射光总强度可以由此而被最佳化。在这类实施方案中，含粒子散射着色剂的基质优选基本上处于成形制品至少一个侧面含电子跃迁着色剂的基质的外部。所以可以看出电子跃迁着色剂和不吸收的粒子散射着色剂两者的效应，含粒子散射着色剂的基质的厚度应该厚到有一种可见光波长可使约10-90％的光透射穿过该粒子散射着色剂基质层，从而达到电子跃迁着色剂基质层。处于含粒子散射着色剂的基质层之下的含电子吸收着色剂层，其优选厚度(te)取决于在可见光区产生最大吸收的波长(λm)下该电子跃迁着色剂的吸收系数(称为αe)和该电子跃迁着色剂的基质体积分数(Ve)。优选，αe、te、Ve在0.1以上，相当于在λm有9.5％的吸收。同样，对于粒子散射着色剂和电子吸收着色剂混合在同一相中的实施方案，对粒子散射着色剂定义类似量(由下标s表示)是有用的，唯一差异是对粒子散射着色剂的αs，它包括光吸收和光散射两者对减少透射穿过材料的光量的影响，而且αs取决于粒度。对于这些实施方案，αeVe和αsVs优选相差约10倍以下，更优选约3倍以下。同样，可以表示对于粒子散射着色剂和电子跃迁着色剂处于单独相(分别为体积vs和ve)中基本互相贯穿案例的优选实施方案。在这种情况下，αeveVe和αsvsVs优选相差约十倍以下，更优选约三倍以下。
有机聚合物折射率随组成的变化，比无机微粒的相应变化相对较小。在589纳米下各种无定向有机聚合物的典型均值如下：聚烯烃(1.47-1.52)、聚苯乙烯(1.59-1.61)、聚氟烯烃(1.35-1.42)、非芳烃非卤化聚乙烯(1.45-1.52)、聚丙烯酸酯(1.47-1.48)、聚甲基丙烯酸酯(1.46-1.57)、聚二烯(1.51-1.56)、聚氧化物(1.45-1.51)，聚酰胺(1.47-1.58)，和聚碳酸酯(1.57-1.65)。尤其对用作为聚合物主体基质的优选聚合物是那些由于缺陷而在可见光区光散射小的聚合物，诸如无定形的或其微晶尺寸比可见光波长小很多的聚合物。后者聚合物例如可以采用快速熔体急冷的方法获得。
在高Δn实施方案中，对于在复合物中与折射率如此低的聚合物结合的优选散射微粒是高折射率的材料，诸如：1)金属氧化物，诸如二氧化钛、氧化锌、二氧化硅、氧化锆、三氧化锑和氧化铝；2)碳相诸如金刚石(n约2.42)、六方碳(Lonsdaleite)、和金刚石状碳；3)其它高折射率的无机物如氯氧化铋(BiOCl)、钛酸钡(对于在420-670纳米间波长，no在2.543和2.339之间和ne在2.644和2.392之间)、铌酸锂钾(对于在532-1064纳米之间波长，no在2.326和2.208之间和ne在2.197和2.112之间)、铌酸锂(对于在420和2000纳米之间的波长，no在2.304和2.124和ne在2.414和2.202之间)、钽酸锂(对于在450-1800纳米之间波长，no在2.242和2.112之间和ne在2.247和2.117之间)、硫砷银矿(对于633-1709纳米之间波长，no在2.739和2.542和ne在3.019和2.765之间)、氧化锌(对于在450-1800纳米之间波长，no在2.106和1.923之间和ne在2.123和1.937之间)、α-硫化锌(对于在360-1400纳米之间波长，no在2.705和2.285之间和ne在2.709和2.288之间)、和β-硫化锌(对于在450-2000纳米间波长，no在2.471和2.265之间)。高折射率有机相也是优选的，作为用于低折射率相中的粒子散射着色剂。可作为粒子散射着色剂与低折射率有机基质相(诸如聚氟烯烃)一起使用的一种高折射率有机相，其实例是一种聚碳酸酯或聚苯乙烯。如常规的一样，上列折射率no和ne分别表示光学各向异性晶体的普通和特殊折射率。no折射率是往主轴下传播的光线，所以没有双折射，而ne折射率是沿主轴有偏振的光的。
对于需要结合低折射率散射微粒的高折射率基质的情况，优选的粒子散射着色剂是：1)低折射率材料，诸如氟化直链聚合物、氟化碳细管、氟化石墨、和氟化fullerene相，2)低折射率微粒，诸如充空气或其它气体的空腔，和3)低折射率无机材料，诸如结晶的或无定形的MgF2。对于Δn变零实施方案，各种无机玻璃，诸如硅酸盐玻璃，是优选用于作为许多有机聚合物基质中的粒子散射着色剂。这种优先选择的理由是，这样的玻璃便宜，而且可方便配方，使与市场供应的主要聚合物在可见光区波长下折射率相一致。此外，对于这些玻璃，其折射率的分散(dispersion色散？)能够十分不同于聚合物的，所以在粒子散射中能够呈现显著的着色效果。无机玻璃也是用于高Δn实施方案所优选的，但是，应当清楚，对具体玻璃微粒所选高Δn实施方案的主体基质必须具有比对同一玻璃微粒所选Δn变零实施方案的基质高很多或低很多的折射率。例如，在Δn变零的实施方案中，折射率1.592的玻璃将是一种对聚苯乙烯适宜的粒子散射着色剂，因为聚苯乙烯具有这样的折射率。另一方面，聚(庚氟丁基丙烯酸酯)，折射率1.367，就能与同样的玻璃微粒一起用于高Δn实施方案中。要注意，与构造这些着色剂体系相关的是，光学仪器中所用普通玻璃的折射率约在1.46-1.96的范围。例如，普通冕、硼硅酸(盐)冕、钡燧石和轻钡燧石的折射率延伸在1.5171至1.5741范围，重燧石玻璃的折射率最高约1.9626。对于这些折射率在1.5171和1.5741之间的玻璃，其nF-nC数值范围在0.0082-0.0101之间。色散(Abbe)系数的相应范围在48.8和59.6A之间。对一般所用光学玻璃，处于上述范围下限的折射率是对熔化石英而获得的，而这种材料也是一种优选的粒子散射着色剂。熔化石英折射率的范围为在509纳米下的1.4619至在656纳米的1.4564。
对于本发明组合物的粒子散射着色剂相，铁电陶瓷(诸如上述钛酸钡和BaTiO3与SrTiO3、PbTiO3、BaSnO3、CaTiO3或BaZrO3中任一种化合物的固态溶液)是优选的组合物。这样优先选择的理由有两方面。第一，对于许多这样的组合物是可获得很高的折射率。对于高Δn实施方案，这些高折射率，因相对于基质相的折射率差异大，能够通过散射增强，而显著增强着色。第二，如果在没有外加场作用的某一具体波长下基质和主体相的折射率一致(如对于Δn变零实施方案)，施加电场就能够改变其出现这种一致的波长---从而构成颜色状态的变换。另外，，可以选择属于有机聚合物的铁电相为主体相。如果再选择一种微粒相，使与某一具体波长下未被极化的铁电体的折射率一致，则极化过程可导致着色的电变换变化。主体相和粒子散射着色剂折射率的这种一致，可以是仅对规定光偏振方向才有的一致。但是，最优选的是，基质和粒子散射着色剂具有小的光学各向异性，以使这种折射率的一致基本上与光偏振方向无关。
张弛振荡器(relaxor)铁电体的陶瓷，是用作为粒子散射着色剂相的优选铁电体。这些张弛振荡器铁电体在铁电态和仲电态之间有很高的扩散转换。这种转换是以温度Tm为特征，它是在介电常数中频率相关峰的温度。如常规的那样，即使这种铁电体没有由纯铁电态至纯仲电态的单一转换温度，这里我们也称Tm为张弛振荡器铁电体的居里温度(Tc)。张弛振荡器铁电体是优选的铁电体，用于在需要电场诱导变换着色时作为粒子散射着色剂，因为这种组合物能够显示出电场诱导非常大的折射率变化。由于这些场诱导的折射率变化一般随粒径变小而减小，就应该选择尽量大的微粒尺寸，使与实现所需着色状态相符。
对用于本发明的优选张弛振荡器铁电体，具有钛酸铅型(PbTiO3)的结构并扰乱Pb型中心(称A中心)或Ti型中心(称B中心)。使B中心组成扰乱的这种张弛振荡器铁电体的实例是Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(称为PMN)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(称为PZN)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(称为PNN)、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3(称为PSN)、Pb(Fe1/2Nb1/2)O3(称为PFN)、和Pb(Fe1/2Ta1/2)O3。这些是属于A(BF1/3BG2/3)O3和A(BF1/2BG1/2)O3型的，此处BF和BG表示在B中心上的原子类型。具有B中心扰乱的张弛振荡器铁电体的进一步实例是以上组合物的固态溶液，诸如(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3和(1-x)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3。另一种更复杂的张弛振荡器铁电体，优选用于本发明的是Pb1-x 2+Lax 3+(ZryTiz)1-x/4O3，它被称为PLZT.PZT(锆钛酸铅，PbZr1-xTixO3)是一种尤其优选的铁电体陶瓷，用作为一种粒子散射着色剂。PMN(铌酸铅镁，Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)是另一种尤其优选材料，它在室温以下变成铁电体。通过添加最多35摩尔百分数的PbTiO3(PT)至PMN中所得的陶瓷组合物，也是尤其优选用作粒子散射着色剂的，因为添加PT至PMN中提供了一种改变特性(诸如升高居里转换温度和改变折射率)的方法，因为张弛振荡器铁电态是利用添加最多35摩尔百分数的PT(即合金)可获得的。
受场诱导相转换由反铁电态变为铁电态的陶瓷组合物，对于获得受电场诱导变换着色的复合物也是优选的。由Brooks等人发现的一种优选系列是Pb0.97La0.02(Zr，Ti，Sn)O3系列(见Journal of Applied Physics(应用物理学杂志)75，pp.1699-1704(1994))，在低至0.027毫伏/厘米场电压下，进行由反铁电体至铁电体的转换。这种组合物的另一种系列是锆酸铅基的反铁电体，为Oh等人在“Piezoelectricity in the Field-InducedFerroelectric Phase of Lead Zirconate-Based Antiferroelectrics(锆酸铅基的反铁电体在场诱导铁电体相中的压电现象)”，J.American Ceramics Society(美国陶瓷学会杂志)75，pp.795-799(1992)和Furuta等人在″ShapeMemory Ceramics and Their Applications to Latching Relays(形状记忆陶瓷和其对自锁继电器的应用)“Sensors and Materials(传感器及材料)”3，4，pp.205-215(1992)的文章中所描述。这种类型的已知组合物实例，称为PNZST系列，其一般形式为Pb0.99Nb0.02[(Zr0.6Sn0.4)1-yTiy]0.98O3。此系列所包括的组合物显示场诱导铁电体性能，这种性能甚至在去除极化场后仍然保持。对于类型I的材料(y＝0.060)，没有观察这种性能，其在除去场作用时，铁电态又再转化为反铁电态。但是，类型II材料(y＝0.63)却保持铁电态直至施加小的反向场，而类型III材料(y＝065)却在50℃以上进行热退火后回复到反铁电态。反映这些特性差异，类型I材料可用于施加电场时改变着色而除去电场又恢复初始色状态的制品。另一方面，类型II及类型III材料可用于构成在施加反向场或进行热退火之前电场变换后色态仍然稳定的材料。
铁电体聚合物组合物适合于对可由一种色态电变换至另一状态的复合物提供粒子散射着色剂或基质材料。这里所用术语铁电体聚合物，包括均聚物及所有类型的共聚物，诸如无规共聚物和各种类型的嵌段共聚物。此术语也包括聚合物的各种物理及化学混合物。聚(1，1-二氟乙烯)共聚物如聚(1，1-二氟乙烯-三氟乙烯)，即P(VDF-TrFE)，是优选的铁电体聚合物组合物。Tournut在“Macromolecular Symposium(高分子论文集)”82，pp.99-109(1994)的文章中，描述了可用于本发明的复合物1，1-二氟乙烯的另外一些共聚物。其它优选铁电体聚合物组合物是偏二氰乙烯及乙酸乙烯酯(尤其等摩尔比的共聚物)及奇数耐纶如耐纶11、耐纶9、耐纶7、耐纶5、耐纶3及其共聚物。
其它的粒子散射着色剂包括那些吸收的粒子散射着色剂。一种优选系列的这种吸收的粒子散射着色剂是金属(诸如金、银、铂、钯、铅、铜、锡、锌、镍、铝、铁、铑、锇、铱、及合金、金属氧化物诸如一氧化铜、和金属盐)的胶体微粒。优选地是，微粒是平均尺寸在约0.5微米以下的。更优选，微粒是平均尺寸在约0.1微米以下的。为了实现特定着色效果，微粒最优选的是平均尺寸在约0.02微米以下的。具有胶体似尺寸的微粒这里被称为胶体微粒，而不论是否可形成胶体溶液。约0.02微米以下的粒度是尤其可用于通过吸收的粒子散射着色剂组合物获得宽范围的着色效果，因为这些小粒度可构成微粒折射率及吸收系数最大值，而最大值取决于粒度。对于有时称为量子斑点(quantum dots)的微粒，这种波长相关折射率及吸收系数随粒度的变化被增强得最为显著。这种量子斑点微粒优选具有窄的粒度分布和约0.002-0.010微米的平均粒度。
形成胶体微粒的便利方法包括本领域众所周知的各种方法，诸如在溶液中金属盐的反应，或在有限空间诸如固体基质或气泡(vesicles)内材料的结晶。同样，可采用制造胶体微粒的众所周知的方法，其中使分散于气体或真空中的胶体尺寸的液体或固体微粒反应或另外变换成为所需组合物的固体微粒，诸如通过结晶方法。作为通过溶液方法形成可用于本发明的胶体微粒的实例，要注意的是，Q.Yitai等人(在Materials ResearchBulletin(材料研究公报)30，pp.601-605(1995)中)已经描述了直径0.006微米的硫化锌微粒的制造，其微粒分布非常窄，采用的方法是对硫化钠与乙酸锌的混合溶液进行水热处理。此外，D.Daichuan等人(在MaterialsResearch Bulletin(材料研究公报)30，pp.537-541(1995)文章中)也报导了均匀尺寸的β-FeO(OH)胶体微粒的制造，采用的方法是在尿素存在下微波加热对铁盐进行水解。这些微粒为似棒条形，粒度分布窄。这些作者利用同样方法(即在Materials Research Bulletin(材料研究公报)30pp.531-535(1995))所描述的)，制造了α-FeO胶体微粒，其形状(及尺寸)均匀，可以改变形状从四方形至近球形(平均粒径约0.075微米)。T.Smith等人在一般受让专利US 5,932,309中报导了胶体微粒的制造，其中通过添加金属盐如氯化金(III)至一种如耐纶6的聚合物中，混合并挤压该混合物的方法，原位制备胶体微粒。另外，T.Smith等人报告了在还原剂诸如柠檬酸钠存在下，用与金属盐如氯化金(III)，在溶液中和在固态下形成胶粒。
具有类胶体粒度的纤维状粒子散射着色剂，至少有二维，对发明的某些实施方案也是优选的，尤其对于需要各向异性着色效果的场合。一种形成非常微细的纤维用于粒子散射着色剂的特殊方法是，采用在纳米级中空纤维的有限空间内淀积某种材料的方法。于是这种粒子散射着色剂可包括充填的纳米直径纤维或通过(物理或化学方法)脱除由初始中空纤维提供的外壳而获得的填料纤维。通过充填纳米级中空纤维制造这种纤维的一般方法，是例如由V.V.Poborchii等人在“Superlattices andMicrostructures(超晶格和微结构)”Vol.16，No.2，pp.133-135(1994)的文章中提出的。这些研究人员指出，在温石棉纤维中存在的2-10纳米通道内，注入并随后结晶熔融砷化镓，可获得约6纳米直径的纳米纤维。这样小尺寸的微粒的优点是，不论是否纤维型，其量子机械效应构成了与粒度强相关的折射率和电子跃迁能。因此，变化粒度，可以实现粒子散射着色剂的各种不同的着色效应。此外，对于金属和半导体的胶体纤维，可以获得在可见光区中的高二向色性(dichroism)，而这种高二向色性能够促使掺入了这些纤维作为粒子散射着色剂的制品出现新的外观。
胶体粒子散射着色剂，以及其尺寸较大的粒子散射着色剂，包括一层在可见光区吸收的外层，都是其中优选用于高Δn实施方案中的粒子散射着色剂。在这种高Δn实施方案中，在可见光波长范围内，粒子散射着色剂和基质之间折射率的差异大。这种优先选择的理由是，在无色粒子散射着色剂外侧面，有一层非常薄的可见光吸收着色剂层，能够显著增强微粒-基质界面的散射，但却没有明显增加光吸收。为了达到这种粒子散射着色剂结构的效果，优选的是，(1)粒子散射着色剂表面上的可见光吸收着色剂涂层包括平均不足总体积50％的粒子散射着色剂的微粒，(2)粒子散射着色剂平均粒度在2微米以下，和(3)该粒子散射着色剂涂层的折射率不同于基质的折射率，其中分散有至少10％的在可见光波长下进行粒子散射的微粒。更优选地是，在粒子散射着色剂表面上的可见光吸收着色剂涂层包括约平均不足总体积20％的粒子散射着色剂微粒和粒子散射着色剂的平均粒度在0.2微米以下。这种表面增强粒子散射着色剂的优选应用是在涂层、聚合物纤维、聚合物膜和聚合物模制品方面。L.M.Gan等人在“Materials Chemistry and Physics(材料化学和物理学)”40，pp.94-98(1995)的文章中描述了一种在无色底物微粒的表面上制造含可见光吸收着色剂的胶体微粒的方法。这些作者利用一种逆微乳化技术，合成了涂有导电聚苯胺的硫酸钡微粒。这种复合微粒的粒度(约0.01-0.02微米)是便于实施本发明的高Δn实施方案的。
可以把胶体微粒添加至胶体型基质中，或可在添加至基质中后再形成胶体微粒。同样，对于基质前体，通过化学如聚合的方法随后将其转化为基质组合物，也能够实行这些形成和分散胶体的方法。例如，如果基质是有机聚合物，诸如耐纶，则可在液体中形成金属胶粒，再与磨碎的聚合物混合，并加热至聚合物熔点以上，制造用粒子散射着色剂着色的耐纶。另一方面，可将胶态金属微粒或其前体加至聚合物单体中，在该单体中形成胶体微粒，然后使单体聚合。也可把金属胶体的前体加至聚合基质中，接着在后续步骤中形成胶体微粒。在掺入胶体，形成胶体，或形成及掺入胶体的过程中，利用熔融、溶解、凝胶或溶剂膨胀状态的聚合物(或其前体)，会有利于这种形成和掺入胶体微粒的过程。另外，可采用涉及固态聚合物(或其前体)的高能机械混合，来完成掺入胶体、形成胶体、或形成及掺入胶体的过程。
在涂层中掺入胶体尺寸的粒子散射着色剂，构成了本发明的一个优选实施方案。把在聚合物凝胶态中的胶体尺寸的粒子散射着色剂，在形成所述凝胶状态之前，掺入聚合物纤维中，构成了本发明的另一优选实施方案。对于这些方法，粒子散射着色剂在可见光区波长下折射率应该优选有至少10％不同于该纤维固态聚合物基质的折射率。粒子散射着色剂的平均粒度优选在约0.2微米以下，更优选在约0.08微米以下，最优选在约0.02微米以下。粒度在约0.02微米以下的粒子散射着色剂优选在可见光区显著吸收。对于在可见光区基本上不吸收的粒子散射着色剂，该聚合物纤维优选包括一种以凝胶态与粒子散射着色剂混合的电子跃迁着色剂。优选地是，该电子跃迁着色剂基本上是黑炭型的，诸如炭黑，而粒子散射着色剂包括一种无机组合物。这样不致干扰纤维强度，用于这些纤维中的粒子散射着色剂和任选电子跃迁着色剂两者的微粒均应具有非常小的尺寸，优选约0.02微米以下。这些实施方案解决了一个由来已久的问题，即对以凝胶态纺纱的高强度纤维着色所引起的问题，诸如对由矿物油凝胶纺纱的高分子量聚乙烯。这个问题是，常规有机染料或颜料会干扰由凝胶态形成的高品质产品。由凝胶态纺纱的高强度纤维产品的一个重要实例是由Honeywell International公司(Morristown，N.J.，以前为AlliedSignal公司)制造的SpectraTM聚乙烯纤维。这些纤维，经高温下凝胶处理，被广泛地用于渔线、鱼网、帆、绳和导线系统。
可以将适用作为粒子散射着色剂的超细金属微粒，置于本身就是粒子散射着色剂而又大得多的微粒的表面上。这种形式的组合粒子散射着色剂也适用于本发明。制备这种粒子散射着色剂的方法，其金属微粒是沉积在非常大聚合物微粒上的，是由H.Tamai等人在Journal of AppliedPhysics(应用物理学杂志)56，pp.441 449(1995)的文章中提供的。作为另一种选择，可使胶体微粒散射着色剂处于较大微粒之内，这取决于其尺寸和在可见光区的折射率(相对于基质)，能够另外构成粒子散射着色作用。总之，只要包括在内的微粒是粒子散射着色剂，较大的微粒也被称为是粒子散射着色剂。在一个优选案例中，胶体微粒是在玻璃基质中的金属或金属合金微粒。获得分散于包括SiO2玻璃中的胶体铜的方法被描述于Journal ofNon-crystalline Solids(非结晶固体杂志)120，pp.199-206(1990)的文章中，而获得含各种金属包括金及银胶体微粒的硅酸盐玻璃的方法被描述于US 2,515,936；2,515,943和2,651,145中，对其在此引以参考。这些含胶体微粒散射着色剂的玻璃，可通过诸如熔体研磨的方法，使之转变为微粒，并用于作为本发明实施方案中的粒子散射着色剂。在这些实施方案中，这些粒子散射着色剂优选被分散在聚合基质中，从而对由所得聚合物复合物组成的制品构成粒子散射着色。
这种对粒子散射着色剂的胶体内微粒设计优点是，玻璃微粒可在降解如氧化过程方面稳定胶体微粒。第二个优点是，可用高温方法形成玻璃胶体，而高温方法不能用于直接分散胶体微粒于有机聚合物基质中。胶体内微粒法的第三个优点是，胶体形成及分散过程是与最后聚合物基质中的粒子散射着色剂的分散过程分开的，这样可改善工艺经济。第四个优点是，这种微粒基质能够适应对电/传导、磁、及/或光特性的响应，以致在对涂层施加适宜场作用时能够改变，大大减弱，或改变及大大减弱颜色，诸如通过颜色场消除器220。作为对胶体内微粒(法)的粒子散射着色剂熔体合成的另一选择，合成这些着色剂，可以采用由K.J.Burham等人所用的方法，此方法被描述于Nanostructure Materials(纳米结构材料)5，pp.155-169(1995)的文章中。这些作者通过在硅酸盐溶胶合成所用的硅烷中掺入金属盐的方法，把胶体微粒掺入二氧化硅中。他们用这种方法获得了使Ag、Cu、Pt、Os、Co3 C、Fe3P、Ni2P或Ge分散于二氧化硅中的胶体微粒。对于本发明实施方案，可将分散于二氧化硅中的胶体微粒研磨成适用于作为粒子散射着色剂的粒度。
含胶体微粒的微粒可以是聚合物，但不是无机物玻璃。在本领域已知的是，在具有极性基团的乙烯基聚合物诸如聚(乙烯醇)、聚乙烯吡咯烷酮、及聚乙烯甲醚)的存在下，制备各种金属的胶态分散体系的薄膜。可以通过切割或研磨(优选在低温度下)在胶态分散体系溶剂蒸发后所形成的聚合物膜的方法，获得适用于本发明实施方案的粒子散射着色剂。更优选地是，可通过除去气溶胶中溶剂的方法，形成这种粒子散射着色剂，该气溶胶包括分散于含聚合物的溶剂中的胶体微粒。属于半导体的或金属导体的粒子散射着色剂，是其中用于聚合物纤维的优选组合物。这种粒子散射着色剂一般在可见光波长下构成明显的吸收。在此例中，优选的是，粒子散射着色剂的最小尺寸平均直径在约2微米以下，净聚合物基质在可见光区是基本上不吸收的，而粒子散射着色剂的可见光最小透射强度，由于粒子散射着色剂的有限粒度的结果，偏移至少约10纳米。更优选地是，对粒子散射着色剂所选的粒度及所选的基质材料，这种偏移至少约20纳米。为了评价粒度对透射光强度最低值的影响，粒度在约20微米以上会构成对无限粒度范围的良好近似。
对于在粒度大时构成可见光谱区内吸收系数单一最大值的粒子散射着色剂组合物，对标准透射光强度比的另一种应用能够识别优选的粒子散射着色剂。这种方法在于识别这些粒子散射着色剂在可见光波长区内出现至少二个透射光强度比的最低值。这二个最低值，可能除其它最低值外，可以是由于粒度双峰分布的结果，或由于粒度单峰分布的吸收过程及散射过程导致最低值差异的结果。如果在其中要求着色状态可变换的应用中需要有粒子散射着色剂，则优选的是，对于粒度单峰分布出现这二个最低值。这样优先选择的理由是，只要粒子散射效应为主，在基质与粒子散射着色剂间折射率差异中的可变换性就可构成可变换的着色。因此，在本发明的另一实施方案中，就把由于折射率变化引起的这种可变换着色与由于微粒聚集造成的着色变化或丧失结合一起。以上所指的单峰与双峰的粒度分布，分别表示有一个或两个峰的粒子重量分数分布。
对于其中需要对温度变化有可逆色变响应的应用，可进行可逆电子相变的特殊陶瓷是本发明优选的粒子散射着色剂。这些在升高温度后可进行可逆转换至高传导状态的组合物是，VO2、V2O3、NiS、NbO2、FeSi2、Fe3O4、NbO2、Ti2O3、Ti4O7、Ti5O9、与V1-xMxO2，此处，M是一种掺杂物，它由于VO2(诸如W、Mo、Ta或Nb)降低了转变温度，此处的x比1小得许多。VO2是一种尤其优选的色变微粒添加剂，因为它在特别合宜的温度(约68℃)下在折射率的真实和虚构成分两方面进行了显著变化。Speck等人在“Thin Solid Films(固体薄膜)”165，317-322(1988)和Jorgenson and Lee在“Solar Energy Materials(太阳能材料)”文章中描述了这些无机相的合成和电子特性。
由于对光吸收的稳定性和宽带性能，各种类形的芳烃碳是用于增强粒子散射着色剂着色效应的优选电子跃迁着色剂。这种优选组合物包括各种炭黑、诸如槽法炭黑、炉碳黑、骨碳炭、和灯碳黑。取决于粒子散射着色剂和电子着色剂的综合效应所需的着色效应，各种其它无机和有机着色剂，即颜料和染料工业所传统使用的，也是可用的。这些无机颜料的某些实例是铁的氧化物、铬的氧化物、铬酸铅类、三价铁的亚铁氰酸铵、铬绿、深蓝色、和镉颜料。某些适宜有机颜料的实例是偶氮颜料、酞菁蓝和绿色矿物颜料、喹吖啶酮颜料、二恶嗪颜料、异二氢吲哚酮(isoindolinone)颜料、和瓮染料(vat pigments)。
二向色性的电子跃迁着色剂或二向色性的基质组合物可用于构成新外观。例如，由于粒子散射着色剂的散射可显示某种程度偏振，就可构成这样的新外观。优先二向色性轴的定向是优选的，优选地是平行或垂直于纤维中或薄膜平面上的纤维轴，而且也是通过常规所用制造偏振器(polarizers)的方法如机械拉伸法，能够易于实现的。在分散有粒子散射着色剂的同一基质组分中或在不同基质组分中，该二向色性行为能被有效地显现(developed)。对于大Δn实施方案，二向色性聚合基质材料的一种优选方法是，将染料分子掺入聚合物中，接着单轴向地拉伸该含染料分子的基质。这样的染料分子起着二向色性电子吸收着色剂的作用。机械拉伸过程效应是相对于聚合物拉伸轴优先定向该染料分子的光学跃迁轴(optical transition axis)。Y.Direx等人在“Macromolecules”28，pp.486-491(1995)文章中描述了通过机械拉伸聚合物主体基质的方法形成偏振薄膜。在这些作者所提供的实例中，染料是苏丹红，主体基质是聚乙烯。但是，染料分子与聚合物基质的其它各种组合也适合于实现这种偏振效应，使之可有效地用于本发明实施方案的粒子散射着色剂复合物。
各种能够构成折射率或吸附系数可变换性的化学组合物，都是可用于许多基质、粒子散射着色剂或增强散射粒子着色剂效应的电子跃迁着色剂的。为获得各向异性的新着色效果，可将所有这些各向异性的可变换的化学组合物任选按优先定向的方法掺至所制造的制品中。通过按照热辐射、日光辐照或湿度变化函数，造成折射率与电子跃迁变化，这些材料(有或无优先定向)构成了可变换着色的状态。适用于本发明的这种色变化学品的主体是已知的，诸如靛蓝、俘精酸酐、螺吡喃、及其它光致色变有机物，如A.V.El＇tsov在标题为“Organic Photochromes(有机彩色照片)”(Consultants Bureau，New York，1990)教科书中所述。这些色变化学品可用于作为电子跃迁着色剂，改进聚合物复合物中粒子散射着色剂的视觉效果。此外，对温度、曝光或湿度响应的色变也可另外利用许多众所周知的材料来产生，这些材料构成了响应这些影响的折射率变化，而可见光波长下的吸收系数却没有显著变化。这些材料可用于色变复合物作为基质或粒子散射着色剂。
许多光致可聚合单体、光致可掺杂(photo-dopable)聚合物、光致可降解聚合物和光致可交联聚合物，也可提供用于构成可变换折射率和可变换电子吸收的特征，使能构造具有可变换粒子散射着色的制品。对适合于这种用途的材料，例如，在“Polymers for Electronic Applications(电子应用聚合物)”书中由J.E.Lai所撰写的第1章1-32页有所描述，此书也是由同一作者编著的(CRC Press，Boca Raton，Fla.，1989)。G.M.Wallraff等人在CHEMTECH，pp.22-30，1993年4月的文章中，描述了一些现正被采纳的改良材料；M.S.A.Abdou，G.A.Diaz-Guijada，M.I.Arroyo和S.Hodcroft等人在Chem.Mater.3，1003-1006页(1991)的文章中描述了适用于本申请的更特殊的组合物。
本发明技术的涂层或聚合物着色的制品也可以包含填料、工艺助剂、抗静电剂、抗氧化剂、抗臭氧剂、稳定剂、润滑剂、脱模剂、防雾剂(antifoggers)、增塑剂、以及在本领域标准的其它添加剂。除非这些添加剂另外对所需目标起粒子散射着色剂或电子跃迁着色剂的作用，这些添加剂应该优选地均匀溶解于含该粒子散射着色剂的涂层或聚合物中，或这些添加剂应该具有类似于基质聚合物的透明度和折射率。分散剂，诸如表面活性剂，是尤其可用于分散粒子散射着色剂微粒的。在本领域许多适宜的分散剂及其它聚合物添加剂都是众所周知的，也是在书籍如″塑料助剂(塑料助剂)″，1版，编者J.Thuen和N.Mehlberg(D.A.T.A.，Inc.，1987)中有描述的。改善粒子散射微粒和主体基质间偶连的偶连剂，对于Δn变零实施方案是尤其重要的添加剂，因为它们可以消除裂隙的形成或微粒基质界面的不良湿润。对于在玻璃或陶瓷是粒子散射着色剂，和主体基质是有机聚合物的情况下，优选的偶连剂是市场上供应的各种标明为能改善复合物中涉及无机和有机物相键合的硅烷。这种类型的粒子散射着色剂复合物的偶连剂实例是Dow Cornig Company公司的7169-45B和X-6124。
本发明着色制品可任选包含荧光或磷光的材料。这种已知的材料的实例是Zn1-xCdxS，此处，x不大于1，含Cu、Ag、或Mn杂质。
在本发明各种技术中，我们涉及了光致可聚合单体和低聚物。这些适宜于实施本发明的组合物的实例是含两种多共轭丁二炔基团(即固态可聚合的)、乙烯基醚封端酯、乙烯基醚封端氨基甲酸乙酯、乙烯基醚封端醚、乙烯基醚封端官能化硅氧烷、各种二烯烃、各种环氧树脂、各种丙烯酸酯、和涉及以上混合物的混杂系统。各种光致引发剂也是可用于这些系统的，诸如三芳基锍盐。
可以利用本发明的各种复合和制造本发明复合物的方法。例如，可用聚合物基质材料，经以下方法与粒子散射着色剂进行复合，(1)熔体相分散、(2)溶液相分散、(3)胶体聚合物悬浮液中的分散、或(4)预聚合物或聚合物单体的分散。可以通过以下过程形成复合物膜：溶剂蒸发，或添加非溶剂至含有分散陶瓷粉末和溶解聚合物的溶液中，然后通过样品过滤、干燥和热压。在方法(4)中，可以将陶瓷微粒分散在单体或预聚合物中，随后通过光化辐射如紫外、电子束、γ射线照射，对其进行热聚合或聚合。也可以通过静电复印、粉末涂镀、等离子沉积和在本领域类似众所周知的方法，使粒子散射着色剂与基质结合一起。例如，可采用在“Printing Textile Fabrics with Xerography(用静电复印术印刷纺织品)”(W.W.Carr，F.L.Cook，W.R.Lanigan，M.E.Sikorski和W.C.Tinche在“Textile Chemist and Colorist(织物化学家和着色师)”Vol.23，no.5，1991)的文章中所述的方法，将粒子散射着色剂加至织品或地毯中。用易熔聚合基质中的粒子散射着色剂涂敷织品、地毯纤维和壁纸制品以达到着色，是一种尤其重要的实施方案，因为其快速提供适应款式及颜色频繁变化和单个用户各种喜好的制品的工业重要性。为了增强这种粒子散射着色剂的效果，可以任选将这种淀积安排在单独淀积电子跃迁着色剂之后。
为了使主体聚合物中陶瓷达到均匀混合，对低粘度复合物前体状态的案例，可采用超声波混合器，而对熔体混合过程，可采用静态混合器和更常规的混合器。特别适用于熔体混合过程的静态混合器，是市场上Kenics Corporation(Danvers，Mass.)公司可提供的，对此Chen和MacDonald在“Chemical Engineering(化学工程)”Mar.19，1973pp.105-110的文章有所描述。熔相复合和熔相制造对可用于本发明的组合物是优选的。可用的熔相制造方法的实例为热轧、挤出、板压和注射成型。对制造更复杂的形状，注射成型和挤出是尤其优选的。
有时，最好要控制粒子散射着色剂聚集到某一程度，以实现着色效应中的各向异性。这种聚集优选在一维或二维空间中造成着色各向异性，其中这种聚集的方向对不同微粒的聚集是相互关连的。通过对重负荷粒子散射着色剂的基质的塑性机械变形，这种聚集相关性是最易于实现的。例如，这种机械变形对纤维可以是沿纤维方向的，或对薄膜是在薄膜平面的一个或二个正交方向。作为对用微粒聚集实现着色各向异性的另一选择，可以利用微粒形状的各向异性来实现同一效应。例如，在加工过程中，薄膜和纤维的机械变形一般应当导致片状微粒优先定向于正交薄膜平面的板面，和纤维状微粒优先定向于平行于复合物纤维轴的微粒纤维轴。
一种特殊型的粒子散射着色剂定向效应，是尤其可用于Δn变零实施方案。在这种实施方案中，通常优选的是，粒子散射着色剂和基质材料的光学性质是各向同性的。但是，为了达到新角度相关的着色效果，可优先使聚合物膜中各向异性粒子散射着色剂的片状微粒定向，以使微粒光轴处于薄膜平面的法向。选择这些微粒和聚合物基质，要使在可见光区波长下微粒的常规折射率(no)等于基质的折射率。因此，在光线垂直于薄膜平面透射穿过薄膜时，薄膜制品应当呈现高度着色。但是，对于同样看到的倾斜于薄膜平面的光线，在所有波长均会被散射，所以该制品会呈现未被着色或不太强的着色。在这种实施方案中，选择粒子散射着色剂应是一种有垂直于微粒片面光轴的粒子散射着色剂，这是属于具有六角、三角或四角对称形的许多材料的情况。可通过各种常规方法，诸如薄膜轧制、溶液淀积成膜和双轴向拉伸法，使平行于薄膜平面的片状微粒的平面获得优先定向。注意，这种片状粒子散射着色剂是十分不同于已有技术的片干扰着色剂(plate interference colorants)。对于这些已有技术的着色剂，没有要求基质和微粒折射率一致，而实际上，在整个可见光区微粒和基质间折射率的大差异能够增强着色效果。
形成适用于本发明实施方案的纤维，可采用常规纺纱技术，或采用熔体制造薄膜，然后切割薄膜为连续纤维或短纤维的方法。可任选将电子跃迁着色剂包容在复合薄膜组合物中。另外，可将含粒子散射着色剂的聚合物用胶粘方法粘连在含电子跃迁着色剂的聚合物膜的一面或两面上。这些聚合物膜层间的粘结剂连接层可以是任何一般用于薄膜层压过程的连接层。但是，优选的是，利用对粘连薄膜相同的基质聚合物，选择具有几乎与基质聚合物相同折射率的连接层。另一方面，对含电子跃迁着色剂的中心膜层和含粒子散射着色剂的外膜层，可用众所周知的聚合物膜共挤压技术，按一步法进行共挤压。如果所需成品是聚合物纤维，可随后切割这些多层膜组合体为纤维的形式。微切刀及翻丝机(micro-slitter and winder)设备是由Ito Seisakusho Co.Ltd公司(日本)可提供的，它适合于转换这种膜材为连续纤维。只要双层薄膜由一面含粒子散射着色剂的聚合物膜层和另一面含电子跃迁着色剂的聚合物膜层组成，这些纤维是由此种双层薄膜切割成的，就可以获得特别有趣的视觉效果。在诸如毡毯和织品的各种应用中，可对这种在不同视角构成不同外观的纤维进行加捻(twisted)，形成一种空间着色的材料，因为交变节段一个视角有不同着色的外观。如果最接近观看的纤维面是粒子散射着色剂膜层，构成一种着色效果，而如果最接近观看的纤维面是电子跃迁着色剂薄膜层，则会造成另一种着色效果。只要切膜纤维条(cut film fibers)的宽厚比为至少5，切膜纤维的这种特殊着色效果会最显眼。另外，只要此切膜纤维旦尼尔在200以下，这种纤维与在织品和毡毯应用中的常规聚合物纤维混合的尺寸配伍性就会增大。作为对切割薄膜方法的另一种选择，可利用一种由已有喷丝头技术设计的喷丝头，直接对具有这些特征的双层或多层纤维进行熔纺。这一节已强调了用本发明切割聚合物薄膜方法形成纤维来构成粒子散射着色效应。但是，应当强调，这里所描述的薄膜也为不同领域应用薄膜产品提供了重要商机，包括从一个极端产品包装至另一极端墙纸。
适用于本发明的壳芯纤维是包括第一组合物的壳和第二组合物的芯的纤维。壳或芯二者之一均可以是有机物、无机物、或与其它组分的组合物无关的混合无机和有机物。优选地是，这种纤维的壳和芯二者均含有机聚合物组合物。此外，粒子散射着色剂优选处于壳中，电子跃迁着色剂优选处于芯中。选择壳或芯不呈圆筒对称形横断面的几何形状，可能构成从不同侧向观看呈现不同着色的纤维。例如，外壳几何形状可以是一种圆筒形，芯可以是一种纵横比大的椭圆形。当沿椭圆长轴正交纤维的方向观看时，电子跃迁着色剂效应可为主着色。另一方面，沿椭圆短轴对应观看时，则可造成一种不太受电子跃迁着色剂影响的视觉效果。更一般地说，为了获得这种角度相关的视觉效果，壳外表面的横断面正交轴尺寸的最大比例优选小于该芯对应比例的一半。另外，壳和芯二者均应该优选具有一个超过2的横断面正交轴尺寸最大比例，而壳和芯的横断面长轴方向应该优选是不对中的。在各种诸如毡毯和织品的应用中，可对这种不同视角构成不同外观的纤维进行加捻(twisted)，以产生空间着色的材料，其一个视角的外观是由有不同着色的交变节段决定的。
通过改变壳和芯的相对横断面来改变壳-芯着色的能力，便利于制造因纱线中不同纤维着色的变化而显示有趣视觉效果的纱线。例如，通过改变壳和芯的相对或绝对尺寸、相对形状、以及壳和芯横断面的相对定向，可实现这种变化。对于任何这些情况，沿各单纤维长向或对于纱线中不同纤维均，可构成所述变化。优选地是，在这些实施方案中，粒子散射着色剂是处于纤维壳中，和电子跃迁着色剂处于纤维芯中。此外，由这种纤维组成的纱线优选是在经多孔喷丝头纺纱出来后直接对其组合(assembled)。各喷丝头孔构造的变化或对不同纤维喷丝孔的壳和芯进料压力的变化，都允许在壳或芯的横断面或在二者的横断面中构成所需纤维-纤维间的变化。另外，可以通过方便的方法，实现各单根纤维沿其长度的着色变化。这些方法例如可以是，按纺纱时间函数改变以下因素：(1)壳聚合物进料压力或芯聚合物进料压力，或(2)喷丝头处壳与芯聚合物的相对温度。这些方法中，沿各单纤维长度改变着色是优选的，这种改变优选是通过改变壳和芯纤维组分的相对进料压力来实现的。这种压力改变优选是同时对用于形成不同纤维的喷丝头孔来实现的，而对不同纤维的这种喷丝头孔优选是基本相同的。纱线优选是在靠近纺纱点处由纤维形成的，以便不丢失不同纤维的类似颜色位置关联。由于这种优选实施方案的结果，使纤维间各单纤维的色变在空间上关联起来，所以这些色变在纱线中最明显。
在粒子散射着色剂处于壳中和电子跃迁着色剂处于芯中时，纤维着色取决于壳/芯比和机械拉伸过程二者的事实，构成了重要敏感元件(sensor)的应用。这些敏感元件的应用，利用了由于纤维磨损及其它纤维损伤过程所造成的着色改变，诸如纤维起皱可通过壳和芯横断面的变形构成着色，纤维的磨蚀或溶解可改变纤维壳横断面的，和纤维拉伸(它可改变壳和芯的横断面，造成粒子散射着色剂的聚集，并增大聚合物链定向和纤维的结晶度)。总之，这些色变的基础一般是改变粒子散射着色剂和电子跃迁着色剂对制品着色的相对贡献。这些敏感元件可构成制品，诸如绳结(ropes)、吊带(slings)和轮胎帘线(tire cord)损伤的有价值指示，此刻，灾难性事故的可能性和什麽时候会发生这种故障的不确定性，会促使频繁更换制品。这些壳/芯纤维可以用来作为这些制品中的颜色标志少数或大部纤维。
可采用本发明的一些专门方法获得中空型纺纱纤维的微粒诱导着色。可把经散射构成着色的微粒分散至适宜的液体中，而后充填中空纤维。可以将任选的电子跃迁着色剂包含在这种液体中，以增强着色效果。利用前体纤维即短纤维(staple)(短封口切割节段)，或使用偶有微孔其芯破裂为表面的中空纤维，能够实现这种方法。这些微孔的存在使能快速充填纤维。可以采用优选2000磅/平方英寸以下的最适度压力，以促进快速充填纤维。优选选择低粘度的携带液作为能在充填过程之后进行光致聚合或热聚合的携带液。作为这种方法的另一种选择，可以把粒子散射着色剂包括在由其熔纺中空纤维的熔融聚合物中。于是，纺纱后拉丝为中空纤维的可聚合流体可包住用于增强粒子散射着色剂着色效果的电子跃迁着色剂。可以采用对这些方法的各种改进方法。例如，熔纺纤维，按其被拉丝成中空纤维的流体所能，可包含粒子散射和电子跃迁着色剂的各种组合。作为这些方法的另一种变异，对由含粒子散射着色剂的熔体纺纱成的中空纤维，可在其内壁上涂一种可吸收部分未被粒子散射着色剂散射的光线的材料。例如，实现这种涂布，可采用方法是，抽吸一种含氧化剂的传导聚合物的单体溶液，使该传导聚合物在中空纤维内壁上进行溶液聚合，然后排出中空纤维中聚合用过后的溶液。采用要求热固定的溶液染料方法，以电子跃迁着色剂优选对中空纤维内壁着色。例如，可施加适当压力，把染料溶液透入中空纤维中，冲洗出纤维外表面的所有染料溶液，用热处理方法固定该染料的着色，并可(采用诸如水溶液的蒸发方法)脱除纤维内所含的染料溶液。作为对热固定的另一种选择，可通过光化学或热辐射的效应，诸如电子束、紫外、或红外辐射，将染料固定于中空纤维内表面上。可以构图方式完成这种对染料的加热或光致促进的固定，从而使纤维构成显示对毡毯与织品应用中所追求的空间着色效果。
上述为实现中空纤维内壁染色同样的一些方法，也可经粒子散射着色剂淀积，用于在中空纤维内实现新的光学效果。优选通过把含粒子散射着色剂的胶体溶液透入中空纤维中，然后蒸发胶体微粒的载体液，沉积这些微粒着色剂。这种其中分散有胶体微粒的液体，能够任选包含一种在除去流体成分后能形成胶体微粒固体基质的材料。于是，这种胶体微粒散射着色剂，不论沉积在内壁上为一净层，或为基质中的分散体系，均可采用上述涂中空纤维内壁的方法，任选涂上一种电子跃迁着色剂，而不涂散射着色剂。应当注意，上述在中空纤维内淀积胶体微粒，能够导致这些微粒聚集，达到它们从粒子散射着色剂转变为电子跃迁着色剂的程度。在本发明中，可通过对电/传导、磁、及/或光特性的响应选择微粒，增强聚集，以便在施加适宜场作用时，诸如通过颜色消除器220，可使颜色改变，基本减弱，或改变及基本减弱。
在本发明以下实施方案中，粒子散射着色剂用于中空纤维，以形成光致变色。这种光致变色可利用属于光致铁电体的粒子散射着色剂实现。优选的光致铁电体是，例如，BaTiO3、SbNbO4、KNbO3、LiNbO3和与任选的掺杂物如铁的组合物。对这些和有关的组合物，V.M.Fridkin(Springer-Verlag，Berlin，1979)描述于“Photoferroelectrics(光致铁电体)”第6章，(85-114页)中。对于光致铁电体，可产生大小103-105伏特的光电压，不过应该承认，这些光致电压随偏振方向中粒度减小而降低。相应光致产生的电场可用于使分散于中空纤维空腔内低传导液体中的光致电铁微粒可逆地形成聚集(即微粒成链)。如果这些光致电铁微粒尺寸适当地小，聚集和解聚集过程将构成纤维外观和着色的光诱导改变。该流体的电传导系数可决定曝光停止后着色返回起始状态的速率，因为这个传导系数能够导致对构成光诱导电场的光诱导电荷分离的补偿。可采用上述方法对中空纤维充填含光致电铁的液体，而这种液体可通过各种方法将其封闭在纤维中，诸如通过利用机械变形周期的闭合这些中空管。由这些光致变色纤维组成的制品，可用于各种场合，诸如日光辐照后自动变色的衣服。
在另一实施方案中，该粒子散射着色剂是一种分散于固体基质中的光致铁电体，该固体基质对可见光区某些波长(或在光致铁电体未置于光照下时，或置于光照下之后，或两种情况同在)具有与光致电铁相同的折射率。这个实施方案利用了在光致铁电体曝光后折射率发生的大变化，它偏移了出现折射率一致的波长(或引起或消除了这种折射率的一致)，从而引起对光照着色响应方面的变化。
在早先讨论的本发明实施方案中(对于壳芯纤维、三层、双层薄膜和衍生切割膜纤维、和中空聚合物纤维)，已描述了在含电子跃迁着色剂层外面一层中的粒子散射着色剂的用途。所述好处之一是获得了新的着色效果。另一好处这种结构是特别值得注意的。具体地说，构成蓝色着色粒子散射着色剂一般也构成了对紫外光谱区的明显散射，它能够引起许多电子跃迁着色剂的褪色。因此，这种紫外散射可以保护底层电子跃迁着色剂不因紫外光辐照而褪色。
优选实施方案是由于利用了粒子散射着色剂对紫外光敏纤维及薄膜产品构成紫外光防护优点的结果。对于其中粒子散射着色剂被分散在第一基质材料中的制品，而第一基质材料基本上处于第二基质组分的外部，第二基质组分包括一种电子跃迁着色剂(诸如上述中空纤维、壳芯纤维和三层薄膜和衍生切膜纤维)，优选的是：(1)第一基质组分和其中所含的材料吸收了约90％以下的可从至少一个可能视角入射至制品上的总可见光，(2)第一基质组分和其中所含材料对可见光区某一波长的吸收系数低于第二基质组分和其中所含材料的吸收系数约50％；(3)和粒子散射着色剂在可见光区是基本不吸收的。此外，优选的是，第一基质组分和其中所含材料吸收或散射约50％以上的在紫外光波长下的均匀照射，而在此紫外光波长下，包括电子掺杂物的第二基质组分受到最大速率的褪色。术语均匀照射指的是，环绕样品所有球角都有强度相同的照射。只要对制品所有可能视角均有相同的照射强度，就存在均匀照射条件。为降低在波长λo下穿过某基质的光透射率，最有效的平均粒度一般在约λo/10以上，和约λo/2以下。因此，为了最大防止电子跃迁着色剂在λo下最快速的褪色，粒子散射着色剂的平均粒度应优选在约λo/2-λo/10。另外，为此目的，粒子散射着色剂应该优选是近似球形的(单粒最大尺寸对最小尺寸的平均比在4以下)和在不同微粒的尺寸中应是分散小(littledispersion)的。最优选地是，对于电子跃迁颜料紫外光防护所用的粒子散射着色剂，其平均粒度应该约0.03-0.1微米。为造成对电子跃迁着色剂的紫外光防护，尤其优选的粒子散射着色剂是二氧化钛和氧化锌。
适合于本技术的材料包括有机、无机或混合有机及无机涂层任何组合的无机或有机材料。对这种涂层仅有的基本限制是，只要制品的整个表面要被这种涂层所覆盖，该涂层在可见光谱区要构成某一程度的透明度。对涂至薄膜、纤维或模压制品表面上的优选涂层是众所周知被称为抗反射涂层的材料，因为它们会使外表面反射率变得最小。这种抗反射涂层能够通过降低多色反射的光量增强粒子散射着色剂的视觉效果。构成抗反射涂层，可通过将一种涂层涂至制品表面上的方法，使涂层的折射率接近于制品表面折射率的平方根，涂层厚度接近于λ/4，此处λ为最可疑光的近似波长。例如，获得抗反射涂层，可采用对聚合物诸如聚碳酸酯、聚苯乙烯、及聚(甲基丙烯酸甲酯)的众所周知的方法，通过表面氟化，表面上碳氟聚合物的等离子沉积，用含氟聚合物溶液涂布表面，或原位聚合已浸渍在表面上的氟代单体。甚至当抗反射聚合物层的折射率不接近等于该制品表面折射率的平方根，光线斜角入射至表面，而且光波长大大偏离λ时，利用这些单层，也可以获得适合于本申请的抗反射特性。此外，已知的宽带，多层抗反射涂层技术，也可用于构成性能改善的抗反射涂层。因此，对于基本上任何底物，诸如聚合物膜，均能提供抗反射涂层，减小能干扰粒子散射着色剂视觉效果的多色表面反射。
对于实现对诸如聚合物纤维的许多制品所希望的空间着色，以图案方式排列光散射微粒的性能是重要的。有许多方法可用于实现这种空间着色。一种方法是利用磁场对有序磁性胶态流体的影响，这种流体通过热或光化学固定是可变换成固体材料的。这种热固定优选地是通过降低温度至玻璃转化或熔解温度以下或通过热聚合的方法。这种光化学固定优选是通过光致聚合为玻璃态的方法。另一可用的固定方法是蒸出胶体悬浮液中的溶剂。这种固定应基本上在磁性材料处于磁场有序态的同时完成，以便通过有序磁性材料的散射及吸收效应赋予制品新的光学性质。可用于构成新着色效应的磁性胶体悬浮液的实例是，纳米级磁性氧化物的水基或有机基的悬浮液。这种悬浮液，称为铁磁流体，市场上由Ferrofluidics Corporation公司(Nashua N.H.)可提供，K.Raj和R.Moskowitz在Journal of Magnetism and Magnetic Materials(磁性及磁性材料杂志)vol.85，pp.233-245(1990)的文章中对其有所描述。如何才能以空间变异方式沉积磁性微粒的一个实例，可通过回顾以上有关中空纤维的实例加以说明。对这种中空纤维可充填一种磁性微粒在可聚合流体中的分散体系。利用磁场，可使这些磁性微粒，沿中空纤维长度方向，按所需图案结构空间分布。最后，可使该流体曝露于热或光化辐射下，进行聚合或交联，以固定该结构。聚氨基甲酸乙酯热固性材料对本申请提供了一种优选类型的热固定流体。
采用沿纤维或薄膜长度方向变化的机械拉伸法，可十分简单地实现纤维及薄膜的空间变异着色。拉伸程度的变化可构成聚合基质折射率和拉伸诱导结晶度的变化。这些变化构成了由粒子散射着色剂所造成的着色空间相关的变化。对于这种属于视觉感知的着色空间相关变化，主色变应每200微米发生不太频繁，除非光学性质不同区域之间间隔十分短，构成衍射光栅或全息似的效应。
根据光波长的范围，作为某种空间变异的图案，通过淀积粒子散射着色剂，可获得尤其有趣及有吸引力的视觉效果。这种构图的结果是产生全息似的效应。本实施方案的优选粒子散射着色剂具有在可见光谱所有波长下的折射率-它不等于相同波长下主体基质的折射率，这是与克里斯欣森(Christiansen)滤光片的情况相反。实际上，优选地是，在整个可见光谱区，构成全息效应图案化的粒子散射着色剂不同于基质中的至少约10％。最优选地是，在整个可见光谱区粒子散射着色剂和主体基质的这种折射率差异有至少约20％。
粒子散射着色剂和其中所含聚合物对聚合物制品的影响，可被显著减小或消除，这是本发明技术的一个重要优点，因为它能使初始着色聚合物循环，构成几乎不着色的聚合物树脂。本发明的专门实施方案能实现这种循环。在第一实施方案中，粒子散射着色剂和电子跃迁着色剂二者可用于不同基质聚合物中，以使仅在电子跃迁着色剂存在下粒子散射着色剂着色的效应是基本的(电子跃迁着色剂吸收未被散射的光，使之不干扰为粒子散射着色剂散射色彩光的视觉效应)。在此实施方案中，这种散射着色剂在可见光区无明显吸收(或至少在可见光区无明显的吸收峰)，而且粒子散射着色剂和电子跃迁着色剂的聚合物基质十分不同，通过物理或化学的方法可分离。例如，可通过溶解仅一种基质聚合物或促使电子跃迁着色剂的简直聚合物解聚合。
第二实施方案应用了优选仅含粒子散射着色剂的着色制品。这种类型的循环方法中，减弱或消除聚合物的着色采用的方法是，(1)加热或热辐射的方法，减小粒子散射着色剂和基质之间折射率的差异，达到一个小、而各处均处于可见光范围非零、或在整个可见光范围基本为零的数值；(2)加热或热辐射方法，消除可见光区某一波长下基质与粒子散射着色剂间折射率的一致，或造成这种一致出现在广谱范围；或(3)溶解、蒸发或化学方法，除去基质中的粒子散射着色剂。例如，该粒子散射着色剂可以是一种有机化合物能证明因为存在双键而相对于基质的折射率高。化学方法(诸如紫外诱导的，双键四中心偶合，以形成环丁烷环)可显著降低该微粒与基质间的折射率差异，从而有效地消除了着色。作为另一实施例，可以选择粒子散射着色剂为一种在基质聚合物为热稳定的温度下可升华的，一种可溶于对基质为非溶剂的溶剂中的，或一种溶解于基质中的粒子散射着色剂。在所有这些情况下，可通过破坏该微粒，减小微粒与基质间折射率的差异，消除仅一个波长下该微粒和基质折射率的完全一致，或分离基质聚合物中微粒的方法，减弱或消除聚合物的着色。实际上，上述方法对于达到聚合物可变换的着色(经折射率的变换)，对于获得聚合物制品的空间着色效应是有用的，也对在循环过程中减弱或消除着色是有用的。本发明为构成可循环着色聚合物的第三种实施方案，利用了诸如研磨的机械方法，引起粒子散射着色剂的聚集或应力诱导化学反应，从而消除粒子散射着色剂构成着色的效力。
上述本发明粒子散射着色剂的实施方案，未必要求按一种变换周期阵列的单粒排列。这种排列有时是需要的，因为新视觉外观可产生尤其强是虹彩着色。问题是，实现这种时间尺度所需的两维或三维的周期性排列又与聚合物处理要求一致，已远不可能，这是由经济学因素所决定的。目前所述本发明实施方案提供了一种经济又吸引人的方法，来实现聚合物的这些新视觉效果。这个实施方案的粒子散射着色剂由初始粒子组成，初始粒子以m维周期变换形式排列，在此m是2或3。粒子散射着色剂的至少一种变换周期优选是类似于可见光谱区光的波长的。更具体地说，此优选变换周期为约50-2000纳米。更优选，此变换周期为约100-1000纳米。为获得这种变换周期，对于粒子散射着色剂，最好的是由至少m维的粒度基本均匀的初始粒子组成。粒子散射着色剂可任选包括其它的初始粒子，其约束是这些其它初始粒子应比上述初始粒子小，或其它初始粒子也具有至少为所述的m维的较均匀的粒度。最低维度的初始粒子平均粒度优选在约500纳米以下。
此方法第一步是制备变换有序的聚集初始粒子。由于这第一步未必出现在聚合物制品诸如纤维、薄膜、或模制件的生产线上，其生产线的生产率未必因形成由变换周期的初始粒子组成粒子散射着色剂所需的时间而降低。此方法第二步骤是，混合粒子散射着色剂与聚合物主体基质或其前体。然后，作为第三步骤或后几步，可以完成任何所需的聚合或交联反应，并可由含粒子散射着色剂微粒的基质聚合物成型制品。为使所需视觉效果最佳化，极其重要的是，第二和第三步过程不要完全中断粒子散射着色剂内初始粒子的周期变换排列。确保这一点可通过许多方式。首先，粒子散射着色剂微粒的最小尺寸平均粒度，应该优选低于该聚合物制品的最小尺寸约三分之一以下。否则，制品生产过程中机械应力可中断粒子散射着色剂内初始粒子的周期性。这里涉及的粒子散射着色剂的尺寸是指聚合物制品的成型聚合物基质中粒子散射着色剂的尺寸。但是，也优选的是，在聚合物制品的成型聚合基质中，粒子散射着色剂的粒度是在初始粒子阵列聚集过程中初期形成的粒度。这点也是如机械研磨的机械步骤所应该尽可能避免的，只要这些步骤有可能中断粒子散射着色剂内的这种变换周期性，诸如在粒子散射着色剂内产生裂隙或颗粒界面。
对第一步形成含变换周期的初始粒子的粒子散射着色剂微粒，可以采用各种方法。A.P.Philipse在Journal of Materials Science Letters(材料科学信札)8，pp.1371-1373(1989)中描述了一种有用的方法。这篇文章描述了通过对约135纳米尺寸基本均匀的硅球体聚集的方法，制备乳白外观(红和绿强散射的颜色)的微粒。该文也提出可通过高温处理(600℃下几小时)二氧化硅球形组合体(assembly)，能够增加这种具有二氧化硅球体三维周期排列的粒子散射着色剂的机械强度。这种处理因微粒变成不透明的而降低了粒子散射着色剂的光学效率。但是，Philipse提出，当浸泡在硅油中几天，该微粒聚集体恢复其初始彩虹外观。这种处理(优选外加电压，升高温度或降低流体粘度而加速)也可以用于制造粒子散射着色剂，用于本发明。但是，更优选的是，只要通过以下之一的方法，达到其机械强度：(1)由后来可被聚合的流体形成球形初始粒子的变换周期组合体(assembly)，(2)透入或蒸发流体至所形成的变换周期微粒组合体的内部，接着聚合该流体，或(3)退火该变换周期的微粒组合体(如Philipse所为)，或透入或蒸发在该微粒组合体内部的流体，然后聚合该流体。另一方面，通过气相物理或化学淀积，诸如气相聚合，可将材料分散至初始粒子的周期阵列内。这些方法和有关本领域技术人员显而易见的方法，可用于制造用于本实施方案的粒子散射着色剂。例如，该初始粒子可以是有机、无机、或混合有机与无机物的。同样，分散于粒子散射着色剂中初始粒子的阵列内的任选材料可以是有机、无机或混合有机与无机物的。在粒子散射着色剂太不透明而不能使视觉着色效果最佳化的情况下如果仅气体充填了初始粒子间的空隙空间，则在这种空间中使用液体或固体物料是有益的。这种液体或固体物料可使不理想的散射效应减到最小，由于裂缝和颗粒界面中断了初始粒子的周期填充(packing)。在此情况下，优选的是，只要这种流体或固体在可见光区范围内的折射率是在初始粒子的5％以内。
提供适用粒子散射着色剂的另一种方法是，利用了聚合物初始粒子，形成聚合物主体中的一种有序阵列，起粘合剂的作用。E.A.Kamenetzky等人制造了适合于制备这种粒子散射着色剂的薄膜，作为在“Science(科学)”263，pp.207-(1994)中所述的部分研究。这些作者通过紫外诱导固定一种含有序阵列的丙烯酰胺-亚甲基-双丙烯酰胺凝胶，制成了胶体聚苯乙烯球粒三维有序阵列的薄膜。该聚合物球粒尺寸约0.1微米，球粒最邻近间距与可见光照射波长相差不大。G.H.Ma和T.Fukutomi在“Macromolecules(大分子)”25，1870-1875(1992)的文章中描述了一种制造包括三维有序聚合物初始粒子的薄膜而不用粘合剂聚合物的方法。这些作者通过铸塑直径为250或700纳米的单分散聚(4-乙烯吡啶)微凝胶粒子的水溶液，然后在60℃下蒸发水，获得了这种彩虹薄膜(iridescentfilms)。通过使用二氯代丁烷或对-(氯代甲基)苯乙烯的交联反应，从结构上稳定了这些薄膜。可通过切割上述各类薄膜，构成所需尺寸的微粒的方法，制成适用于本实施方案的粒子散射着色剂。一种优选的切割方法是，新泽西州Meadowbrook Inventions所用的方法，由金属化薄膜制造闪烁微粒。各种机械研磨方法可用于同样目的，但是应承认，可有效地利用低温度来达到可实现这种研磨方法的脆性。对于作为粒子散射着色剂的应用，优选的是，切割或研磨方法制造其尺寸便于掺入至主体基质中而无大损坏的微粒，主体基质优选是一种聚合物。
优选的是，在初始粒子聚集过程中，按所需粒度形成本分明实施方案的粒子散射着色剂。用于成型后减小粒度的任何方法，都应该是十分缓和的，以便不干扰初始粒子所需的周期性。同样，在聚合基质(或其前体)中粒子散射着色剂混合过程的处理条件和其它导致形成最后制品的步骤，都基本上不应破坏初始粒子周期组合体的光学效应。对于未被设计成结构坚固的粒子散射着色剂，混合粒子散射着色剂和基质聚合物(或其前体)的优选方法是在处于低粘度流体诸如在基质中所用的单体、预聚合物或聚合物溶液的状态下的方法。对于这种未被设计成结构坚固的聚合物，采用溶液淀积方法制造薄膜和涂布制品是优选的，以获得分散于成型基质聚合物中的粒子散射着色剂。同样，对于这种不坚固的粒子散射着色剂，通过含粒子散射着色剂液体的反应，诸如热聚合、光致聚合或利用其它光化辐射的聚合，呈成型形式的聚合基质是优选的。对于要获得掺入结构不坚固的粒子散射着色剂的成型构件，反应注塑是尤其优选的。
在本发明的另一实施方案中，粒子散射着色剂由二维而非三维变换周期的初始粒子组成。具有正交于纤维轴方向近似均匀的横断面的纤维状初始粒子，易于在将其分散于适宜液体中时聚集。同样，球形初始粒子，在沉积于二维表面上时，易于以两维周期性阵列聚集。例如，这种微粒可以在聚合物粘合剂中液体(或转筒)表面上形成，粘结球粒成二维阵列。于是可将这些阵列薄片(array sheets)切割或研磨成对粒子散射着色剂所需的粒度。
对于以上所有由变换周期的初始粒子组成粒子散射着色剂的本发明实施方案，优选粒子散射着色剂占据体积应为约低于75％或低于基质聚合物和粒子散射着色剂总体积。这样优先选择的理由是，相对于高负荷量水平，使用低负荷量的粒子散射着色剂可导致复合物机械性能改善。如上所述的对于不是初始粒子周期阵列聚集体的粒子散射着色剂，利用电子跃迁着色剂，可增强由有序阵列初始粒子组成的粒子散射着色剂的视觉效果。这种增强方法，以及为达到可变换的色变效应的方法，是类似于这里对其它类型的粒子散射着色剂所描述的方法。
从对聚合物制品实现着色效应的观点来看，其着色效应在聚合物循环过程中易被消除，由变换有序的初始粒子阵列所组成的粒子散射着色剂，则可具有特别的优点，尤其是，如果初始粒子在可见光谱区基本不吸收和该聚合物制品不包含电子跃迁着色剂。其原因是，中断了这种阵列的处理步骤，可能大大降低了着色效应。从聚合物循环的观点来看，构成易被热、机械或化学步骤所中断的粒子散射着色剂是有用的。
对于本领域技术人员，本发明组合物实用性的各种应用是显而易见的。但是，对于这种在可见光区宽波段内可变换着色或可变换透明度的制品，以下提供其应用实施方案的更详细说明。其应用之一是在隐避板、观察窗、显示器和标记方面，其中对粒子散射着色剂、电子跃迁着色剂或一种或多种基质成分的折射率的电场诱导可变换性，构成了仪器运行或仪器运行的增强。在一个实施例类型中，对于粒子散射着色剂与其四周基质成分间折射率差异方面的电场诱导变化，可用于改变：(1)标记外涂层的透明度(以使下层信息变换于可见光和不可见光状态之间)或(2)隐避板或观察窗的透明度。对于显示器和标记，对含粒子散射着色剂的基质层的外加电场可促使粒子散射程度变化，从而改变下层信息的(诸如通过逆光液晶显示器或其它类型提供静态或可变信息的材料产生的)有效视角。电场可使粒子散射着色剂、着色剂基质、电子跃迁着色剂、或任何其它类型的信息显示器材料、或任何这些材料的组合体构成可变换特性。
最优选的是，由粒子散射着色剂构成的折射率变化方向(由环境影响引起，诸如外加电场、温度、时间-温度曝露、湿度或化学药剂)是与基质材料折射率改变的方向相反。在此优选情况下，通过粒子散射着色剂和该着色剂的基质材料二者折射率的变化，增强了粒子散射对外加电场或其它环境影响的敏感性。最优选的是，粒子散射着色剂和基质材料的折射率变化方向上的差异是对所有可能光偏振方向的。对于以上的应用，可以构图或非构图方式施加电场，可对粒子散射着色剂及其它材料诸如电子跃迁着色剂施加不同电场。一般，穿越基质中粒子散射着色剂的局部场取决于基质中着色剂的聚集状态，所以，在这种聚集度中构图的变化可用于构成粒子散射着色剂对外加电场响应的构图差异。例如，如果粒子散射着色剂的电导率和介电常数两者都是大于基质的，则通过微粒聚集度的增大，可使穿越粒子散射着色剂的电压降增大。如果粒子散射中的可变换性主要是由于电场对粒子散射着色剂影响的结果，则这种聚集能够增大其可变换性。
涉及电荧发光组合物的显示器或光照装置提供了专门应用的机会。例如，可利用粒子散射的电场变换来改变电荧发光源传播光散射的程度，或构成光发射的构图分布。在一优选案例中，电荧发光组合物的微粒起粒子散射着色剂的作用。本发明在光照域内的另一种应用是对于灯泡和在灯开关拉起后缓慢变成透射的照明设施，这是US 5,083,251中所述的一种热变色材料的应用，在此引以参考。寻求这种光源是要构成暗示太阳升起的自然时间相关的光照效果。这种技术运用Δn变零实施方案的一个实例，是通过利用粒子散射着色剂使之折射率在室温下可见光区内任一处都不与主体基质一致的方法获得的。选择粒子散射着色剂，要使光源加热造成粒子散射着色剂和基质的折射率在可见光区变成一致的。因此，加热过程消除了在一致波长下的粒子散射，而使光源变成更透射的。如果希望这种一致变成宽波段的，则在该可见光波长范围内，粒子散射着色剂间折射率的差异应该是分散小的。在希望Δn分散小的情况下，可选择粒子散射着色剂和基质使之对粒子散射着色剂和基质组分的nF-nc之差的绝对值小于0.0001。对于这种应用模式，最优选的是，只要温度升高超过造成粒子散射着色剂或基质不连续相变结果所要求的温度，间断地实现粒子散射着色剂折射率和基质折射率的一致。否则，透射光的颜色将随粒子散射着色剂和相关基质材料的温度不断地有些改变。
用于化学药剂、压力、温度、吸湿量、温度极限(诸如冷冻或解冻指示器)和时间-温度曝露的指示仪表，提供了对本发明粒子散射着色剂的其它应用的机会。对于这些仪表，由于粒子散射着色剂、基质成分、或电子跃迁着色剂的折射率或电子跃迁中的可变换性结果，可以产生可逆或不可逆地变换着色。对于上述时间-温度指示器，色变可以指示已形成所需热辐射(如成品处理)或已形成不希望的热辐射(导致易腐产品不希望的降解)。利用Δn变零的实施方案，在基质和粒子散射着色剂之间出现折射率一致的波长可以是综合热辐射的函数。例如，用于速冻蔬菜包装的聚合物薄膜在因植物耗损受到适当加热时能够进行色变。作为应用Δn变零实施方案指示操作成功的另一个实例，遭受固定(诸如电路板)的树脂在其固定基质中可包含一种粒子散射着色剂。于是该粒子散射着色剂和基质间折射率差异的变化构成了一种色变响应，指示此时树脂符合要求的固定已形成。应用粒子散射着色的一个同样有用的实例(Δn变为零实施方案)，是用于指示聚合物吸湿量，诸如耐轮6---以避免如果聚合物吸湿量过高会出现的不成功操作。
本发明粒子散射着色剂，利用高速产品包装操作过程中因构图激光束辐照结果而发生折射率或电子跃迁中的热或光化学改变，也能方便地标记诸如聚合物膜的制品。例如，在包装所用聚合物膜上，由于其粒子散射着色剂和基质间折射率差异因光照诱导而改变的结果，能使由激光写入的数码变成可看得见的。这种可变换粒子散射着色剂/基质的组合，也可用于签字，以挫败对产品伪造行为。这种粒子散射着色剂甚至可用于利用紫外光波长下折射率一致的可变换性对材料进行管理的场合。例如，可将一种粒子散射着色剂分散于一种与这些微粒在日光紫外波长下初期一致的流体基质中，构成浴用智能日光屏。此基质或粒子散射着色剂折射率的光照诱导变化(使折射率不再形成一致)，可以构成其效力随日光辐照作用增强而增强的日光屏。
本发明粒子散射着色剂实施方案，对于通过台式(desk-top)生产方法形成的聚合物制品是尤其有用的。对于台式生产(也称为快速样机(rapidprototyping))的现有技术，Modern Plastics(现代塑料)1990年8月，pp.40-43和CHEMECH 1990年10月，pp.615-619的文章中有所描述。这些方法的实例属于各种立体平面印刷技术，涉及对单体的构图电子束聚合或构图光致聚合。在此情况下，可以将粒子散射着色剂和任选的电子跃迁着色剂分散在含光敏单体的流体中。除构成着色外，这些材料还可提供在树脂固化过程中减少收缩的另外一些好处。对于这些应用，与三芳基锍盐结合使用乙烯基醚低聚物和单体是尤其优选的。这属于由Honeywell(Morristown，N.J.，以前为Allied Signal公司)已开发出来的紫外固化VectomerTM系统。粒子散射着色剂的粒度，以及其它可能的固体添加剂，应该足够地小，以使在制品制造过程中这些微粒沉降不明显。因此，具有胶体尺寸的粒子散射着色剂是特别优选的。对快速样机的另一方法是Laminated Object Lamination(层压物体层压成型)的方法，其中采用软件导向光束切割辊喂入聚合物薄片---从而在制品上一次堆积一片。在这种方法中，可把粒子散射着色剂和任选的电子着色剂置于聚合物薄片中、用于粘结薄片的粘结剂中、或置于此二者之中。在用于快速样机的另一方法中，将粉末薄层是被沉积于所构造制品的表面上的，并以构图方式用光束熔化这些薄层。另外，以构图方式将粘合剂(或其前体)喷雾(诸如用喷墨喷雾方法)在该粉末上，从而实现三维空间成形制品。作为另一种选择，可用刮浆刀刮过的(squeegeed)凝胶层代替粉末层，对凝胶层以构图方式照相排版。在这些方法中，可把当前所述发明实施方案的粒子散射着色剂和任选的电子跃迁着色剂加至原粉、粘合剂、凝胶聚合物或其组合中。快速样机的另一种技术，采用聚合物薄旋管构图挤出法，构建三维制品。在此情况下，本发明粒子散射着色剂和任选的电子着色剂可以是对熔融聚合物的添加剂。在上述快速样机技术的任一种方法中，可通过本发明大Δn实施方案或Δn变零实施方案实现材料的着色。
因此，可以看出，本发明提供了一种用于控制对底物涂布涂层的装置和方法，其中根据电、磁或光电/光照特性选择涂层中的微粒，并将微粒分散在该涂层中，以构成所需的物理着色。有一种方法，对底物涂布涂层是用电或磁场控制的。另一种方法是，将电、磁或光场靶准涂层特定位置上，在该底物涂层上形成图案。又另一种方法是，将电、磁或光场靶准图案或标码的特定位置上，扰乱该图案或标码。又一种方法是，将涂层颜色或该涂层内图案的颜色变换为与底物一致的颜色，以使涂层或涂层内的图案看起来似被消除了的。色变换可以通过施加电、磁或光场的方法实现。
应当注意，在这里所述实施方案中，可以一起使用具有不同电、磁及/或光特性的涂层。例如，可用对第一涂层在施加电场时构成物理着色改变，同时对第二涂层在施加光场时构成物理着色改变。在这种情况下，可一起使用产生电和光场的单独设备。
尽管结合优选实施方案已对本发明进行了描述和说明，但对于本领域技术人员显而易见的是，可以构成许多变异和改进，而不致偏离本发明精神和范围，因此本发明并非局限于以上所列方法或构造的精确细节，因为这些变化和改进都是包括在本发明范畴内的。
以下提供具体实施例，更具体地说明本发明，不应把它看成是对本
发明范围的限制。
实施例1
此实施例表明如何可用纳米级二氧化硅作为涂层中的粒子散射着色剂。
用水稀释纳米级二氧化硅，SnowtexZ-L至1/200。将所得溶液放在一片黑底板的表玻璃上。得出浅蓝颜色。
实施例2
此实施例表明如何可用纳米级氧化锌作为涂层中的粒子散射着色剂。
把氧化锌(Nyacol DP5370)的分散体系稀释于水中(10ul氧化锌溶液/190ul水)。将所得溶液放在一片黑底板表玻璃上。得出长春花蓝色(periwinkle)溶液。
实施例3
此实施例表明如何可用氧化锆作为涂层中的粒子散射着色剂。
用一种折射率1.53的溶剂稀释一种氧化锆水中分散体系(620毫克的氧化锆/1.8克总量)。将所得溶液放在一片黑色底板的表玻璃上。水层呈明显淡蓝色。

Claims (20)

1.一种用于控制对底物涂布涂层的装置，包括：
一种用于构成至少一种电场和磁场的场发生器；和
一种用于控制至少一种场的控制器，籍以控制对底物涂布涂层；
其中该涂层包括具有至少一种所需电性能和磁性的微粒，并且这些微粒被分散于涂层中，以提供一种所需物理着色。
2.按照权利要求1的装置，其中：
该控制器通过控制至少一种场的位置来控制对底物涂布涂层。
3.按照权利要求1的装置，其中
该控制器通过控制至少一种场的强度来控制对底物涂布涂层。
4.按照权利要求1的装置，其中
该控制器控制对底物涂布涂层，使涂层涂在底物的规定位置上。
5.一种用于对底物所涂涂层构成图案的装置，包括：
一种用于构成至少一种电场、磁场、和光场的场发生器；和
一种用于控制至少一种外加场对涂层涂布的控制器，以构成其中的图案；
其中该涂层包括具有至少一种所需电、磁和光特性的微粒，并且这些微粒被分散于涂层中，以提供一种所需的物理着色。
6.按照权利要求5的装置，其中
该至少一种场通过对其施加该至少一种场的部分涂层物理着色变化，构成该涂层中的图案。
7.一种用于对底物作为标签所涂涂层控制着色的装置，包括：
一种场发生器，用于对涂层施加至少一种电场、磁场和光场，以造成所用标签的物理着色的所需改变；
其中该涂层包括具有至少一种所需电、磁和光特性的微粒，和将所述微粒分散于该涂层中以构成所需的物理着色；和
其中该标签适合用扫描器读取。
8.按照权利要求7的装置，其中：
该标签提供至少一种价格和与一个有关产品的识别器。
9.按照权利要求7的装置，其中：
将该涂层直接涂在由标签对其提供信息的目标物上。
10.按照权利要求7的装置，其中：
对底物涂布涂层，涂在用标签为其提供信息的目标物上。
11.按照权利要求7的装置，其中：
该标签提供一种适合用扫描器读取的条形码。
12.按照权利要求7的装置，其中：
该场发生器配备在销售位点处，使之能销售与该标签相关的目标物。
13.按照权利要求7的装置，其中：
对涂层施加的至少一种外加场引起涂层物理着色的变化，使之看起来涂层基本被擦去似的。
14.按照权利要求7的装置，其中：
对涂层施加的至少一种外加场引起涂层的物理着色变化，使涂层基本与底色融和。
15.按照权利要求7的装置，其中：
对涂层施加的至少一种外加场引起涂层或底物内、或涂层或底物上图案的物理着色变化，使图案成为至少一种被扰乱的，被擦去的或基本与底色调和的。
16.一种用于控制对底物涂布涂层的方法，包括：
提供至少一种电场和磁场；和
控制至少一种场，以控制底物涂层的涂布；
其中该涂层包括具有至少一种所需电、磁和光特性的微粒，和将这些微粒分散于涂层中，以提供一种所需的物理着色。
17.一种对底物所涂布的涂层构成图案的方法，包括：
提供至少一种电场、磁场和光场；
控制对涂层的至少一种外加场，以构成其中的图案；
其中该涂层包括具有至少一种所需电、磁和光特性的微粒，并将这些微粒分散于涂层中，以构成一种所需的物理着色。
18.一种用于对底物作为标签所涂涂层控制着色的方法，包括：
对该涂层施加至少一种电场、磁场和光场，以引起一种对所用标签物理着色所需的变化；
将所述微粒分散于涂层中，以构成所需的物理着色；和
其中该标签适合于用扫描器读取。
19.一种用于涂布底物的涂层，包括：
极细微粒，极细微粒包括粒子散射着色剂，这些微粒具有电、磁，光特性或其组合；和
一种基质成分；
其中对这些微粒施加电场、磁场、光场或其组合，引起基质中的微粒聚集，并伴发至少一种色变换、色减弱、色消失、图案扰乱、或图案消失。
20.一种用于涂布底物的涂层，包括：
极细微粒，包括洋葱皮方法的微粒，其中至少一层包括一种粒子散射着色剂和至少一层包括至少一种具有电、磁、光特性或其组合的材料；和
一种基质成分。
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