示温涂料的原理及应用.pdf

年卷第期暮卫蒸蕉霎化工时刊摘要介绍 示温涂料的一般知识,着重讨论示温涂料的组成、变化机理及应 用。关键词涂料示温热变色一、引言示温涂料是一种利用颜色变化测量物体表面温度及温度分布的特种涂料。其原理是涂层被加热到一定温度时,涂料中对热敏感的颜料发生某些物理或化学变化,导致分子结构、分子形态的变化,外在的表现就是颜色变化,借以指示温度,因而又称为变色涂 料或热敏涂料。热变色的现象被人们注意并加以研究始于一百多年前,但示温涂料真正全面发现和应 用是和航空航天工业 的发展密不可分的,尤其是二战前后 的一段时期,是示温涂料的黄金时期。目前,示温涂料主要研 究和应用 国家有德国、英 国、美国、日本、俄罗斯和中国。我国 示温涂料研究起 于年代初期,主要研制单位化工部涂 料工业研究所,进展较快,已取得相当的成果。测温范围一,品种较多,应 用领域不断扩大。示温涂料和普通测量工具温度计、热 电偶相比,具有 下 列特点特别适用于一般温度仪无法测量和难以测温如高速运转的部件适用于场测 温及结构复杂部件的温度分布测量,并 可用于非金属表面测量具有最高历经温度“记忆”功能,能够进行后期温 度测读,无需即时观察或记录设备测量方便、简单、经济、直观,是其它测温手段 所不能替代的精度稍差,只能对一些特征温度点测温,无法对温度的变 化过程连续测量。逆型两大类。温升到变色点后发生颜色变化、降温后又恢复原色,这一现象反复多次出现的叫可逆型示温涂料。例如,、甲基 丙烯酸树脂制得的涂料在时出现黄护橙的可逆变化。变色后温度改变而颜色保持不变的口不可逆型示温涂料。如碱性品红份、钦 白份加适量虫胶树脂制得的涂料,加热到时由浅青莲紫到蓝紫色的不可逆 变化。根据变色次数,示温涂料可分 为单变色如上面两例、双变色和多变色型。后者如,孔雀绿份、品红份、碳酸铅份、虫胶树脂份制成的涂料,原色 为紫色,变绿色,变 白色,变棕色,变黑 色,变红色。还有不常使用的分类方法。如根据 测温范围,分成低温型、中温型、高温型等分类方法。三、示 温涂抖的组成二、示温涂料的分类根据变色方式,示温涂料可分为可逆型 和不可示温涂料有一般涂料的组成,包括变色颜料、漆基、填料及溶剂。变色颜色示温涂料不 同于一般涂料的地方就在于变色颜料,它是示温涂料的核心或基础。示温涂料正是依靠它的热敏性,在受热到变色点时发生 明显 的颜色变化,作 为指示温度的依据。众所周知,受热到一定程度会发生颜色变化的颜料品种不胜枚举,但作为示温涂 料必须具备下列条件对热 作用敏感,到达预定温度时变色迅速,且这一现象有规律地出现。变色前后色差要大,肉眼 明显可分。变色区间窄,能满足一定 的误差要求。化工时刊广,犷二,黑笠甲、一乳类去整焦,年卷第期受外界 因素影 响要小,在光照、潮湿的气候条件下性能稳定。无毒或极低毒性,价廉。常用的变色颜料分为有机和无机两大类。有机物质的耐温性差,一般选 作。以下 的变色颜料。无机物质通常具有较好的耐温性,往往在以上使用。可逆 型变色 颜料主要选用 的 无机变色颜料是、的碘化物、金属配位化合物或复盐等表。表常见的可逆型无机变色颜料有机变色颜 料可逆型 的有功 能染料热敏染料、液 晶、高分子材料等,不可逆 的包括一般普通的有机化合物、有机染料等。漆基在示温涂料中,漆基的选择原则,一是耐温性和示温涂料的测温范围相匹配,二是对变色无不利影响,比如说无自身的变黑等现象。另外,示温涂料选用的成膜树脂基本上是常温自干型的,其它方面类似通用涂料。四、示温涂料的变色机理匕产乃匕,月生亡内丫二工六孟任变色颜料一、,。,。一变色温度颜色变化粉红护天蓝粉红砂天蓝粉红绿绿户蓝粉红护紫绿户黄粉红,绛红桃红户红紫黄橙红户黑暗黄暗褐月 因脂红护咖啡橙拌红晶格转变大多数金属离子化合物,例如、连等遇热后晶格发生变化,致颜色发生变化,冷却后恢复原来晶型,颜 色亦随之复原四方晶系丝立方结构红色黑 色结 构或 配位数发生变化这一类物质主要是金属配合物示温材料,常见的是有机含氮的碱性物与“或的配合物。表金属配合物示温材料化合物颜色室温变色温度变色紫红绿绿绿绿绿绿橙表常见不可逆型无机变色颜料变色颜料。变色温度颜色变化亮绿灰蓝粉红天蓝白棕黄黑白黄蓝棕白黄粉黑紫白橙黄白棕黄绿卜。一,一,一一绿紫红紫红紫红紫红黄黄金不可逆示温的无机变色颜料种类繁多,主要是铅、铬、镍、钻、铁、福、银、锌等的硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、铬酸盐、硫化物等。一般来说,氧化 物用作较高温度。以上的陶瓷变色颜料表。结 晶水得失机理这类物质多数是带结晶水的、的无机盐。例如。塑,。粉色天蓝值变化机理某些物质与高级脂肪酸混合加热到一定的温度时,酸中矮基质子活化反应而发生颜色变化。例如,酚酞红与十二烷酸按一定比例混合,时,由红护黄可逆变化。电子得失机理典型代表是热变色染料,又叫热敏 染料或隐色染料,是最近来年发展起来的功能染料的一类,目前发展较快,成为一个热点。它的一般构成是,具有释放电子性和显色性有八亡叹户,上,立乙自几,吮内匕月了一八一二竺二二二汗飞化工时刊袭点然埂一扩,匆年卷第期机化合物带有轻 基化合物及其衍生物和酚轻基化合物或衍生物,作用是吸收释放的电子从醇类、脂类、酮类、酞胺类、梭酸类 中选择种以上的化合物,控制显 色或 消色。这类 热色材料的特点是,显色温度范围约一变色温度和颜料种类的组合可自由选择,可添加普通的染料、颜料等。这类体系的基本原理是供受 电子复配后,发生氢质子的解离而发色,但在 加热或控温物质熔融后,即转化成无色体而消色,冷却或凝固时又发色。供电子体常用三芳 甲烷隐色体或荧烷类化合物一。一的分 子结构式,一二 甲氧基荧烷黄一环己胺一一氯荧烷橙若丹明内酞胺红一二乙胺基苯骄荧烷桃红一二乙胺基一一甲基一一氯荧烷紫结晶紫内酉旨蓝一二乙胺基一一节胺荧烷绿实例,无色荧烷化合物一份、双酚份、硬脂酸份的混合物在,发生浅红色到无色的可逆变化。液晶型液晶的显色是利用不同晶相对光的反射、折射、吸收不同,而造成颜色的变化,属物理过程。液晶型示温涂料的变色灵敏度在所有示温材料中是最高的,但液晶材料的使用受到两个因素的制约,一是必须包囊微胶囊化方可使用,二是目前价格较高。液晶示温材料一般都由两种或两种以上 的液晶混合制成。例如主要荧烷类衍生物及颜色一一、一拭百、丫了卜丫石下气 于丫。一一毛一一一之二一一混 合物 的变 色温心及颇色 为红 色井翠瀚黄色收绿 色片透明高分子体系最近出现的高分子材料 脂肪酸和高分子材料结晶型非结晶型体系,加热到一定温度时体系中两组分相互溶解而变透明,冷却后再度因溶解性差而呈白色,从而达到指示温度的目的。不可逆示温涂料变色机理升华多数是有机染料等着色物质,加入白色填料制成,当温度升到一定程度时,染料升华,显出填料的 白色或浅灰色。例如靛蓝加钦白构成的示温涂料,原色 为蓝色,温度升至士升华而呈 白色。熔融多数有固定熔点的有机化合物加入漆基组成,施涂于 一种具有吸收性的黑色基材上,涂层呈 白色。加热到一定温度时,有机物熔 融,被基材吸收。而 呈黑色。这种示温材料通常制成示温贴片,使 用起来极为方便。热分解一些物质受热后发生分解,放出、等,而发生颜色变化。例如于竺兰竺个白黄棕氧化一些物质受热时可以和空气中的”反应而产生 白色。例如一日卜入黄白固相反应固体反应多数在高温下进行的,其原理相同于陶瓷颜料的烧成原理。例如厂翌三一。钻铝尖晶石灰色蓝色热敏染料目前主要制备热敏纸,广泛用于仪器仪表、微型计算机及传真设备的热敏打印输出。其原理和前述 电子得失机理 完全相 同,只是具体使用前要对热敏染料先行包囊,使其和热敏显色剂隔开。加热后胶囊破裂,两者接触显色。一一化工刊夏 延蒸通二霎年卷第期五、外界因素对示温涂料变色温度的影响每种示温涂料的变色温度都是在一定的条件下确立 的,这个温度称为标准变化温度,但是示温涂料在实际应用时,会受各种因素如 加热时 间,升温速度,周 围介质、压 力等的干扰,了解这些因素对变色温度的影响,是正 确使用示温涂料的前提和提高测温精度的保障。升温速度一般说来,不可逆示温涂料适合经验式式中,。一一变色温度心,一常数,升 温速度,。对给定的涂料,可通过一组实验数据求出。恒温时间对于不可 逆 型示温涂料,在低于其标准变色温度下恒 温 加热时,亦可 变色,只是加 热时 间要长。而且符合经验式。一一式中一一变色温度,常数,恒温时间。在 低于某一温度点时,不论加热多长时 间示温涂料不 再变色这一点称为“临界温度”。周 围气氛的影响气氛对变色 材料的 影 响是没有 多少规 律 可循的,但 有时又是非常严重的。例如,我所研制的一一、一六变色不可逆示温涂料,使用的气氛必须是还 原气氛含有一氧化碳,方能给出和标准相符的变色结果如果在氧化气氛如氧气存在根本无法使用。因此,使用示温材料时,一定要弄清楚 其使用环境。其它影 响示温涂料变色温度的因素还有湿度、光照、压力、涂层厚皮等,因此示温涂料在实际使用时,应尽可能 消除这些因素的 干扰,或在模拟 实际应用条件下重新标定。六、示温涂料的用途超温报警炼油工业 中催化加氢、石油裂解设备,常要大面积监视内部衬里是否破坏、反应是否正常,可通过涂在外壁的示温涂料得以实现。大面积的场测温及运动物体的测温热 电偶只能测定其一点的温度、温度汁只能测定气体或溶液介质场 温度,对于大面积 的场温分布测量则望尘莫及。飞机的发动机涡轮叶片、火焰筒、加力器等热端设备航天器的风洞实验测量,飞机试飞时表面蒙皮,仪器温度的测量返回式卫星和大气层摩擦产生的温度,以及内部仪表经受的最高温度等的测量,应用示温涂料为这些物体设计、改进提供了许多重要的参考数据,是其它方法所无法取得的。非金属材料的表面温度测量伴随着科学进展,非金属材料在尖端科学领域应用日趋广泛。对它们工作时承受的热载的测量,用一般温度计难以完成,使用示温涂料常可取得满意的结果。食品、卫生、医疗方面的应用液晶示温在食品保鲜、冷藏温度指示方面已得到应用。罐装食品、医疗设备的消毒灭菌也使用示温材料,例如、漆基加入助剂构成的灭菌指示卡,在士、分钟压力水蒸汽的作用下 由淡黄 色变成黑色,表明灭菌过程 的完成。目前,示温涂料的应用已拓宽到非测温领域,在这里改称热变色材料更为确切。例如,在热 色防伪标签中的应用,变色陶瓷、变色 画的装饰作用,热记录纸在计算机、通 讯方面的应用。日本、英国已把热变色材料应用于纺织、服装领域。可以预言,热变色材料在非测温领域的应用,将会使人们的生活更加丰富多彩。参考文献略一