CN210625863U - 基于光子晶体结构色的超温指示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光子晶体结构色的超温指示器，包括光子晶体复合层和与其相贴合的相变复合层，所述光子晶体复合层包括基底，所述基底的至少一面设有光子晶体层，所述相变复合层包括吸附层和设于其上的相变层，所述吸附层设在所述光子晶体层上，所述吸附层上设有可开合的通孔。本实用新型的指示器未启动时，光子晶体层与相变层被吸附层隔离，防止在未激活状态下超温时发生色彩变化，使指示器失效；指示器被启动时，在超温状态下相变层的材料发生相变渗入光子晶体结构中，改变光子晶体结构的折射率差，结构色发生变化，起到超温警戒的作用；随着相变材料完全融入光子晶体结构，会融入微结构，破坏微结构，使结构色消退，起到计时的效果。

Description

基于光子晶体结构色的超温指示器

技术领域

本实用新型涉及一种超温指示器，具体涉及一种基于光子晶体结构色的超温指示器，属于超温指示设备技术领域。

背景技术

现有可以实现可视化指示热累积历程的技术的茶品可以统称为时间温度贴(TTI)，按其计时方案可分为3类，酶型TTI、扩散型TTI标签和聚合型TTI标签。

其中，酶型TTI：通过酶与底物作用的原理进行反应，并通过温度对酶的影响控制反应速率。比较典型产品有Vistab公司的Check

TTI标签，其工作原理是脂质底物在受控条件下的酶促水解会导致PH值降低，从而引起PH显色剂的颜色变化。激活前，指示卡里两个小塑料袋是相互独立的，其中一个装有脂肪酶的水溶液，脂质底物和PH指示剂则装在另一个小塑料袋中。激活时，通过机械方式破坏中间阻隔处，将酶和底物混合即可。通过调节所用酶和底物的种类及浓度，可以得到不同指示温度范围和时间的TTI。酶型TTI标签的商业化进程较早，目前在欧美市场小范围的获得了应用。但是在实际大规模应用时，面临着酶型TTI标签自身就含有生物活性分子，在常规条件下容易失活，自身保存条件要求高，这给酶型TTI标签本身的“保鲜”带来了很大挑战；另外固态的酶型TTI标签活性组分已经混合在一起，相当于生产即激活，这也为其自身带来了不利影响，如果设计成液态酶TTI虽然可以简单的通过混合双组份液体激活方便但又不利于标签形态的设计生产。

扩散型TTI标签：该类型的时间温度指示器的基本原理是利用某种有色物质的熔化，温度超过设定值时，就会使其沿着一定轨迹扩散，典型的如英国的TempdotTM以及3M公司的Monitor MarkTM TTIs。该扩散型TTI是利用有色酯质染料(如丁基硬脂酸酯、二甲基邻苯二甲酸盐、辛酸辛酯)在细绳上扩散的原理。酯类物质的熔点决定了TTI响应的始点：在外界温度未达到酯质熔点的情况下，酯质不熔化，染料不扩散；当外界温度达到酯质的熔点时，酯质便开始熔化，染料开始扩散，且温度越高，染料扩散速度越快。染料的扩散长度反映了产品经历的时间-温度累积情况。扩散型TTI标签因为指示的原理基于材料的相变以及扩散的物理过程，通常都是摁压激活。标签结构复杂，技术门槛高，难以被仿制，但标签成本较高，体积较大，目前只能在应用在一些特定的领域，难以扩大推广。

聚合型TTI标签：聚合型TTI标签主要就是通过聚合反应带来的颜色变化，来指示时间温度累积的效果。例如二乙炔类带有三键的炔基试剂在受到外界环境能量激发时，三键发生聚合反应，随着聚合反应进行，在外观上呈现出一系列颜色变化。用作指示剂的炔属试剂通常包含以下结构：R1C≡C—C≡CR2，当该指示剂受到外界环境刺激(如高温、高辐射)时—C≡C—会发生聚合反应，生成结构为R1[—C＝C—C＝C—]R2的聚合物，聚合反应速率随温度升高而加快，在吸收光谱上表现为可见吸收峰从高波段向低波段转移，在外观上表现为指示剂颜色加深或色密度发生变化：如聚二乙炔从蓝色变为红色或者由红色变为黄色。典型的聚合物TTI标签产品如PATH、WHO和UNICEF合作研发的疫苗瓶温度监测(Vaccinevial monitor，VVM或热标签)以及Lifelines公司研发的Freshness

Fresh

等，其活性材料可以作为墨水印刷，因此可以有各种图案形式。最常见的VVM外圆内方，直径10mm。中间的方形为活性表面，含有颜色可变的化学成分；外周的圆形为参照表面，颜色固定。活性表面的颜色可以从起点的浅亮色(比参照表面淡)变到终点的深暗色(比参照表面深)。当其颜色与参照表面一样时，终点已经达到，产品的质量不再得到保证。聚合型TTI标签同酶型TTI标签一样受到激活机制的困扰，聚合型TTI标签一旦被生产出来就进入激活状态，要保证其活性，其自身的生产、储运、销售就需要全程冷链的支持，因此也大幅抬高了其推广的门槛，限制了标签的应用。也就是说现有技术中的超温指示器只能警戒超温，无法记录超温时间。并且现有技术的指示效果是由染料颜料调色实现，可以通过化学色素调色复现，为仿冒篡改真实的热累积历程埋下隐患。

而光子晶体是一种由不同介电常数的介质周期性排列而成的微结构。光子晶体的特殊周期性结构，使得其对特定波长或波段的光子具有禁阻作用，形成光子带隙，类似半导体中的电子能带，将光子晶体中的光子带隙称为光子禁带。当两种介质的介电常数相差足够大时，光在介质界面上会产生干涉和衍射，产生光子带隙，能量落在带隙处的光将不能传播，将以镜面形式反射出去，从而形成区别于色素颜色的“结构颜色”。这种“结构色”由于对如入射光的反射能产生类似珠光颜料、金属颜料这类效果颜料的色彩，并可以通过改变材料种类及结构排列实现对色彩的调控，呈现丰富多彩的色彩效果。结构色还能产生入射光照射时从不同角度观察呈现不同色彩的虹彩效果。

光子晶体的结构色彩与材料的周期性结构直接相关，如果结构遭到破坏，结构色彩随之减弱直至消退。其色彩还与周期结构的介电材料折射率相关，如果折射率差改变，结构色也会相应发生变化。当一种折射率与光子晶体材料相近的材料填充入光晶结构中时，就会降低光子晶体介质界面的介电常数差，色彩就会发生变化，如果微结构被进一步破坏，结构色则被削弱甚至消失。

因而，如果能够发明设计一种基于光子晶体结构色的超温指示器，不但能够警戒超温，还能记录超温时间，成为一种发展趋势。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于光子晶体结构色的超温指示器，从而通过通孔的开启，在超温状态下相变材料发生相变渗透入光子晶体结构中，改变光子晶体结构的折射率差，结构色发生变化，起到超温警戒的作用。并且，随着相变材料完全融入光子晶体结构，其会进一步融入微结构，而破坏微结构，使结构色消退，进而起到计时的效果。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供一种基于光子晶体结构色的超温指示器，包括光子晶体复合层和与其相贴合的相变复合层，所述光子晶体复合层包括基底，所述基底的至少一面设有光子晶体层，所述相变复合层包括吸附层和设于其上的相变层，所述吸附层设在所述光子晶体层上，所述吸附层上设有可开合的通孔，所述通孔闭合或开启，使所述相变层通过吸附层与所述光子晶体层隔离，或使所述相变层由通孔流入光子晶体层。

进一步地，所述基底的两面均设有光子晶体层，所述基底包覆在所述光子晶体层内。

进一步地，所述通孔的第一端口设于所述吸附层和所述相变层之间，所述通孔的第二端口设于所述吸附层和所述光子晶体层之间，所述第一端口上设有密封阀。

进一步地，所述通孔的顶部的宽度大于所述通孔的底部的宽度，防止相变层的材料在流入光子晶体层的过程中溢流。

进一步地，所述通孔的截面为螺旋形，能够减少相变层在溢流的过程中产生的冲力，起到缓冲的作用。

进一步地，所述相变层的厚度为1～50μm。

进一步地，所述相变层由包括多元醇、多元酸和长链烷烃中的一种或多种制成。

进一步地，所述光子晶体层的厚度为1～50μm。

进一步地，所述光子晶体层由密堆积的单分散纳米微球制成，所述纳米微球选自聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、四氧化三铁、聚酰亚胺、硅树脂和酚醛树脂中的至少一种。

进一步地，所述纳米微球的折射率介于1.0～2.5之间。

进一步地，所述纳米微球的密堆积形式优选为六方密堆积。

进一步地，所述纳米微球的多分散系数(PDI)小于5％，优选小于0.5％。

进一步地，所述纳米微球粒径为80～1100nm，优选120～400nm。

其中，密堆积的纳米微球构成的光子晶体材料具有光子带隙，光子带隙内的电磁波无法进入光子晶体内部，所对应的电磁波波长即该光子晶体的禁带。禁带内的电磁波会被由于光子带隙的禁阻作用会被反射，如果电子波波长落在可见光去内，就会产生明亮鲜艳的结构色彩。

所述光子晶体禁带波长范围为200～2000nm的红外光、可见光或紫外光。优选波长为450～640nm的可见光。

进一步地，所述基底由塑料、纸张、皮革、金属、木材或陶瓷制成。

本实用新型的有益效果在于：当指示器未启动，即通孔未开启时，光子晶体层与相变层被吸附层隔离，可以防止在未激活状态下超温时发生色彩变化，而使指示器失效；当指示器被启动，即开启通孔时，在超温状态下相变层的材料发生相变渗透入光子晶体结构中，改变光子晶体结构的折射率差，结构色发生变化，起到超温警戒的作用；并且，随着相变材料完全融入光子晶体结构，其会进一步融入微结构，而破坏微结构，使结构色消退，进而起到计时的效果；此外，由于是通过光子晶体结构色的显色变化来指示的，无法通过化学色素调色复现，无法仿冒篡改；并且由于光子晶体结构色的改变是一个过程，因而该指示器不但能够警戒超温，还能记录超温时间，更为方便准确；并且该指示器结构简单，指示结果可视化强，成本低，易于储运。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基于光子晶体结构色的超温指示器的结构示意图之一；

图2为本实用新型实施例的基于光子晶体结构色的超温指示器的结构示意图之二；

其中：

1.基底，2.光子晶体层，3.相变层，4.吸附层，5.通孔，501.密封阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型提供一种基于光子晶体结构色的超温指示器，包括光子晶体复合层和与其相贴合的相变复合层，光子晶体复合层包括基底1，基底1的至少一面设有光子晶体层2，相变复合层包括吸附层4和设于其上的相变层3，吸附层4设在光子晶体层2上，吸附层4上设有可开合的通孔5，通孔5闭合或开启，使相变层3通过吸附层4与光子晶体层2隔离，或使相变层3由通孔5流入光子晶体层2。

在上述实施例中，如图2所示，基底1的两面均设有光子晶体层2，基底1包覆在光子晶体层2内。

在上述实施例中，通孔5的第一端口设于吸附层4和相变层3之间，通孔5的第二端口设于吸附层4和光子晶体层2之间，第一端口上设有密封阀501。

在上述实施例中，通孔5的顶部的宽度大于通孔5的底部的宽度，防止相变层3的材料在流入光子晶体层2的过程中溢流。

在上述实施例中，通孔5的截面为螺旋形，能够减少相变层3在溢流的过程中产生的冲力，起到缓冲的作用。

在上述实施例中，相变层的厚度为1～50μm。

在上述实施例中，相变层3包括多元醇、多元酸和长链烷烃中的一种或多种。

在上述实施例中，光子晶体层2的厚度为1～50μm。

在上述实施例中，光子晶体层2由密堆积的单分散纳米微球制成，纳米微球选自聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氧化锆、四氧化三铁、聚酰亚胺、硅树脂和酚醛树脂中的至少一种。

在上述实施例中，纳米微球的折射率介于1.0～2.5之间。

在上述实施例中，纳米微球的密堆积形式优选为六方密堆积。

在上述实施例中，纳米微球的多分散系数(PDI)小于5％，优选小于0.5％。

在上述实施例中，纳米微球粒径为80～1100nm，优选120～400nm。密堆积的纳米微球构成的光子晶体材料具有光子带隙，光子带隙内的电磁波无法进入光子晶体内部，所对应的电磁波波长即该光子晶体的禁带。禁带内的电磁波会被由于光子带隙的禁阻作用会被反射，如果电子波波长落在可见光去内，就会产生明亮鲜艳的结构色彩。

在上述实施例中，光子晶体禁带波长范围为200～2000nm的红外光、可见光或紫外光。优选波长为450～640nm的可见光。

在上述实施例中，基底1由塑料、纸张、皮革、金属、木材或陶瓷制成。

以下列举一个具体应用例，对本实用新型的是指示器进行具体示之。

实施例1

取苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸共聚纳米微球水性乳液(自制，纳米微球粒径255nm，多分散系数DPI＝0.05，固含量25％wt)涂覆于黑色PET基底上，在75℃下烘干，获得组装好的纳米微球密堆积光子晶体。光子晶体层厚度10微米，呈现亮绿色结构色，获得层状物A(光子晶体复合层)。将十二醇，涂覆于铜版纸基底(吸附层4)之上，在10℃下冷却10分钟，冷凝成固态，并在其基础上图案化涂布压敏胶。获得层状物B(相变复合层)。将层状物A的光子晶体背面与层状物B的面贴合。即可得到具有超温警戒的指示器。这样光子晶体层2与相变层3被隔离，可以防止在未激活状态下超温时发生色彩变化，而使指示器失效。当通过针扎孔，或者激光打孔之后，指示器被激活，在超温状态相变材料发生相变，由固态转化为液态，并逐步渗入光子晶体结构中，使色彩发生变化，起到温度警戒作用，并随着相变材料的完全填充，使微结构发生变化，进而结构色消退直至消失，用于指示超温时间。相变材料的完全填充，使微结构发生变化，进而结构色消退直至消失，用于指示超温时间。

综上，本实用新型的有益效果在于：当指示器未启动，即通孔5未开启时，光子晶体层2与相变层3被吸附层4隔离，可以防止在未激活状态下超温时发生色彩变化，而使指示器失效；当指示器被启动时，即开启通孔5时，在超温状态下相变层的材料发生相变渗透入光子晶体层2的结构中，改变光子晶体层2的结构的折射率差，结构色发生变化，起到超温警戒的作用；并且，随着相变材料完全融入光子晶体结构，其会进一步融入微结构，而破坏微结构，使结构色消退，进而起到计时的效果；此外，由于是通过光子晶体结构色的显色变化来指示的，无法通过化学色素调色复现，无法仿冒篡改；并且由于光子晶体结构色的改变是一个过程，因而该指示器不但能够警戒超温，还能记录超温时间，更为方便准确；并且该指示器结构简单，指示结果可视化强，成本低，易于储运。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，包括光子晶体复合层和与其相贴合的相变复合层，所述光子晶体复合层包括基底，所述基底的至少一面设有光子晶体层，所述相变复合层包括吸附层和设于其上的相变层，所述吸附层设在所述光子晶体层上，所述吸附层上设有可开合的通孔，所述通孔闭合或开启，使所述相变层通过吸附层与所述光子晶体层隔离，或使所述相变层由通孔流入光子晶体层。

2.根据权利要求1所述的基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，所述基底的两面均设有光子晶体层，所述基底包覆在所述光子晶体层内。

3.根据权利要求1所述的基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，所述通孔的第一端口设于所述吸附层和所述相变层之间，所述通孔的第二端口设于所述吸附层和所述光子晶体层之间，所述第一端口上设有密封阀。

4.根据权利要求3所述的基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，所述通孔的顶部的宽度大于所述通孔的底部的宽度。

5.根据权利要求4所述的基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，所述通孔的截面为螺旋形。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，所述相变层的厚度为1～50μm。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，所述光子晶体层的厚度为1～50μm。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的基于光子晶体结构色的超温指示器，其特征在于，所述基底由塑料、纸张、皮革、金属、木材或陶瓷制成。

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