1 引言
示温涂料是利用涂层颜色的变化来指示物质表面温度及温度分布的专用涂料。在一定条件下，示温涂料被加热到一定温度时会出现某一颜色的变化，由此可确定该涂料的指示温度。
根据示温涂料变色后出现颜色的稳定性，可分为可逆示温涂料和不可逆示温涂料。可逆示温涂料是指受热到某一温度时，涂料颜色发生变化，冷却后能恢复到原色的涂料。不可逆示温涂料是指受热到某一温度时，涂料颜色发生永久性变化，冷却后不能恢复原色的涂料。示温涂料在受热过程中，只发生1 种颜色变化的，为单变色示温涂料；出现2 种以上颜色变化的，为多变色示温涂料。
示温涂料的研究和应用在国外已有五六十年的历史。德国的IG 公司在二次大战前首先使用了示温涂料，之后，英国、美国、俄罗斯和日本也相继研究出各种各样的示温涂料。示温涂料的发展初期主要以不可逆示温涂料为主，主要用于炼油装置中作超温报警涂料、航空工业中用来指示材料的表面温度分布。20 世纪80年代以后，示温涂料逐渐转向低温及可逆示温涂料的研究，并趋向于日常应用。我国在示温涂料方面的研究起步较晚，技术水平相对比较薄弱。
2 不可逆示温涂料
不可逆示温涂料是研制和应用最早的示温涂料，二次大战后Badisch Anilln ＆ Soda Farb 公司相继研制了多种不可逆示温涂料，目前已有几十个不可逆示温涂料品种，主要用于飞机、炮弹等温度测量。Thermo-Graphic-Measurements 公司生产的不可逆示温涂料主要用于电子元件、轴承套、机械危险部件等的温度监控。美国Curtis-wright 公司和Tempil 公司的不可逆示温涂料用于气动加热温度测量、超温报警及无损探伤等方面[1]。
我国从20 世纪60 年代开始对不可逆示温涂料进行研究。北方涂料工业研究设计院所研制的示温涂料被广泛应用于航空、国防和民用设备上，主要产品有SW-S 单变色不可逆示温涂料系列25 个品种；SW-M多变色不可逆示温涂料系列7 个品种[2]。
2.1 不可逆示温涂料的变色原理
2.1.1 升华
升华性物质和填料配合，在加热到一定温度时，升华性物质变为气态而逸出，只留下填料的颜色，产生颜色的变化，达到指示温度的目的。如靛蓝·TiO2：
2.1.2 热分解
绝大多数化合物，在一定压力和温度下，会发生分解反应，分解前后两物质的化学成分和性质截然不同，产生颜色的变化，同时伴随各类气体的逸出。如：
2.1.4 固相反应
2 种或2 种以上的固体物质的混合物，在一定温度下，会发生固相间的化学反应，形成新的物质，从而显示与原来截然不同的颜色，以此指示温度。
2.2 不可逆示温涂料的应用
2.2.1 超温报警
将示温涂料涂于物体表面，当物体局部发热而达到临界危险温度时，可以通过涂膜颜色的变化显示出来，从而告诉操作者采取应急措施。例如：在炼油工业中，判断反应釜是否温度过高；在铁路车辆上轴温的监控以及电气回路、电器中过载发热的早期预警等。
中油一建开发出一种不可逆示温涂料[3]，该涂料以NH4VO3 为变色颜料，金红石型二氧化钛为普通颜料，环氧有机钛改性漆酚甲醛树脂为成膜物质，在150 ℃时涂膜由银色变成棕色。用于锦州石化公司2 套重油催化裂化装置的再生器上，起到了很好的超温报警作用。梅约[4]等分别以CuCO3 和Fe[Fe(CN)6]2 为变色颜料，叶蜡石矿粉为填料，醇酸树脂为漆基，制备出一种单变色不可逆示温涂料，通过正交试验得出了该涂料各组分的最佳配比。杨德等[5]以有机硅为漆基，加入复合变色颜料及N-5、N-7 固化剂配制成自干型示温涂料，该涂料具有较好的超温报警和阻燃性能，可用于石油、化工、化肥、航空航天工业的易燃、易爆设备。
2.2.2 大面积表面温度的测量
通常的测温仪器，一般只能测定某一点的温度，不适用于大面积表面温度的测量。多变色不可逆示温涂料具有大面积测温功能，用一种涂料就能测出一个温度区间的温度分布，而且记忆最高温度时不破坏物体表面形状，不影响气流状态，使用方便，测量结果直观。因此广泛应用于发动机燃烧室、涡轮外环导热叶片、加力扩散器等部件的测温[6-7]。
刘正堂等[8]以环氧改性有机硅树脂为黏结剂，低熔点玻璃填料为增熔剂，镉红为主热色颜料，酞菁蓝和海碧为辅助热色颜料，超细微粉填料为展色剂，制得一种新型的示温性能理想的350 ~ 700 ℃多变色不可逆示温涂料，并研究了多种因素对涂层示温性能的影响。
随着航空工业的发展，对示温涂料的测温范围的要求不断提高，刘正堂等[9]所研制的M-91-2 高温不可逆多变色示温涂料，测温范围达到900 ~ 1 250 ℃，提供6种变色并能给出良好的色差，漆膜的附着力、抗冲刷和抗腐蚀性能优良，极大地满足了高温测温的需求，为航空发动机热端部件，特别是旋转件的表面温度场的测试提供了强有力的手段。
3 可逆示温涂料
可逆示温涂料的出现和应用是在20 世纪60 年代末和70 年代初，现在各国都加大了对其的研究，日本在可逆示温涂料的开发和应用上处于领先地位。可逆示温涂料具有对温度敏感，色彩鲜明等特点，因此被广泛应用于各行各业中。
3.1 可逆示温涂料的变色原理
3.1.1 晶型转变
有些结晶型变色颜料，在一定的温度下，其晶格会发生改变，由一种晶型转变成另一种晶型，从而导致颜色的改变。冷却后，晶型复原，颜色也随之复原。如：
由于晶格位移导致的晶型变化要比温度变化慢得多，因而颜色变化滞后于温度变化。这种滞后现象在晶格恢复、颜色复原时变得更为明显。因此这类示温涂料的测温精度受升温速度的影响很大。
3.1.2 pH 变化
某些物质与高级脂肪酸混合，并加热到一定温度时，酸基离解出自由质子，与某种物质作用出现明显的颜色变化。冷却使质子和酸根结合，物质颜色亦复原。如：
3.1.3 失去结晶水
物质分子内含有结晶水，当加热到一定温度时，它能失去结晶水，引起颜色变化。而当冷却时，重新吸收空气中的水汽，渐渐地恢复到原来的颜色。例如，氯化钴六亚甲基四胺的失水反应：
3.1.4 电子转移
有些热色材料是由电子在不同组分中转移而引起氧化还原反应，从而导致颜色的变化。例如CrO42－（固体中）温度升高后，氧化能力增强，当含有Pb2＋时，即发生氧化反应，产生Pb4＋，而Pb4＋与Pb2＋间的电子转移吸收短波长的蓝紫光而显红色，温度越高，氧化产生的Pb4＋越多，电荷转移所吸收的能量就越多，颜色就变深。当冷却时，Pb4＋变得不稳定，重新氧化CrO42－的还原产物，颜色复原。
3.2 可逆示温涂料的应用
3.2.1 防伪作用
众所周知，假冒伪劣商品不仅对消费者造成了伤害也侵占了商品生产者的利益，为此很多商品包装上都增加了防伪标识，以利于消费者辨别商品的真伪。现在防伪商标多用激光防伪，但其设备昂贵，制版价格高。用低温可逆示温涂料制作的商标，只需用简单的普通热源（如一根火柴或一杯热水、一个灯泡，甚至用手触摸）提供热量即可使商标发生颜色变化，然后根据涂膜颜色的变化，判别商品的真伪。汪雪梅[10] 以钴盐作为变色物质，研制出FW 防伪涂料，该涂料在温度低于35 ℃时呈粉红色，当温度升高到37 ℃时则显蓝色，温度高于40 ℃时，则又转变为墨绿色。若沿着原来的温度变化途径逆向降温，颜色的色调也沿着原途径逆向变化，则墨绿变蓝，最后恢复到粉红色。在实际应用中，方便、经济、快速、准确。梅约等[11] 用醇酸为漆基，变色颜料（CoCl2·2C6H12N4·10H2O）、叶蜡石填料和二甲苯溶剂，制得低温可逆型示温涂料。该涂料在39.6 ℃时颜色在粉红色和天蓝色之间可逆变化，可用于生物发酵时温度的控制或用于防伪标志上。
3.2.2 建筑装饰
随着科学技术的日益发展，建筑装饰涂料的品种也愈来愈多，并受到人们的青睐。可逆示温涂料随着温度的不同，发生颜色的变化，满足了不同人的审美要求，可作为一些娱乐场所、酒店、宾馆、餐厅、会议厅及家居内外墙壁装饰等。胡智荣等[12]采用钴盐为变色颜料，以PVA、甲醛、膨润土等为原料合成一种新的复合成膜物质，以无机非金属材料为填料，制成水溶性可逆变色建筑涂料。该涂料变色比较灵敏，复色时间较短，且达到了建筑涂料的测试标准。胡治元等[13] 以钴盐为变色晶体、吸水性材料为水气平衡剂研制出了一种变色涂料，该涂料根据高吸水性树脂和多孔性无机材料的物理化学特性，能有效地克服环境湿度、成膜材料对色变点温度的影响，适用于防结露涂料。
3.2.3 非金属材料的温度测量
随着科学技术的发展，非金属材料（如陶瓷、塑料、纤维等）在各行各业中的应用日趋广泛，但对这些材料温度的测量，由于其自身的一些特点，使用一般的温度计在有些时候难以达到目的，而使用示温涂料可获得满意的效果。陈纯馨[14]等以无机物PbCrO4 为热敏变色颜料，无机非金属材料Al2O3 作为填料，乳胶漆为漆基，研制成高温可逆示温涂料。测温范围在100 ~ 300 ℃之间，涂料在4 种颜色之间发生可逆变色，可用作高温变色陶瓷材料。马明来[15]等研制出一种热收缩带专用示温涂料，把该涂料预涂于热收缩带基材表面，当其温度达到热收缩带的收缩温度时，涂料发生颜色的变化，指示加热程度。这种涂料的应用很好地解决了由于加热程度不足而影响热收缩带的使用效果。
4 示温涂料的发展趋势
4.1 提高示温涂料的测量精度
示温涂料经过半个多世纪的发展，已经开发出了数百个品种，广泛地应用于国防科研、工业和日常生活的各个部门。但目前大部分示温涂料的测量精度在10~ 20 ℃，还无法满足某些行业精细测温的要求，急需开发出温度跨度大、间隔小、色差明显、精度高的新型品种。NASA Langley 研究中心成功研制出基于聚合物黏合剂的金属复合物的示温涂料，该示温涂料能够满足在严格环境下检测微小温差的要求[16]。
4.2 开发环保型示温涂料
目前，大部分示温涂料都是溶剂型的，变色颜料中常使用重金属盐及偶氮类化合物，这种涂料在生产和使用过程中会对环境造成较大的污染。随着人们环保意识的不断增强，各国都在开发新型环保型示温涂料，最大限度地减少对环境的污染。曹优明[17]用环保型的水性环氧-丙烯酸树脂作主要成膜物质，将无机热变色材料分散在环氧-丙烯酸树脂中，制备出了高性能、环保型的示温涂料。
4.3 发展液晶类示温涂料
液晶类示温涂料是目前正在开发的一类示温涂料，它具有颜色温度变化灵敏、鲜艳、示温误差小、反复性好等优点，是示温涂料今后发展的一个方向。日本利用液晶聚合物和水性树脂乳液等物质为成膜物，开发出了颜色随温度变化的汽车涂料，其涂膜具有良好的耐候性和色差[18]。
4.4 加强变色材料的基础研究
示温涂料是利用变色材料在不同温度颜色发生变化来指示温度的，目前各国都加强了对变色材料的研究。日本近年来研制出了新型的通过电子转移表现出可逆热色性的有机物，该类有机物在-100 ~ 200 ℃之间都有很好的变色敏锐性，而且价格低廉[19]。为了促进变色材料的发展，我国国家自然科学基金委也已将变色材料作为功能材料的一种，列为应用基础研究项目，力争研究开发出具有灵敏度高、稳定性强、使用寿命长、合成工艺简单的变色材料[20]。
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