新型350~ 700 ℃多变色不可逆示温涂料的研制

新型350~ 700 ℃多变色不可逆示温涂料的研制

刘正堂1, 2, 张新歧2, 李淑杰2, 侯宴宾2
( 1. 兰州理工大学, 兰州730050; 2. 北方涂料工业研究设计院, 兰州730020)

0 引  言
多变色不可逆示温涂料具有大面积场测温功能, 记忆最高温度不破坏物体表面形状, 不影响气流状态, 使用方便, 测量结果直观等特点。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[1- 2] 。
随着测温要求的提高, 对多变色不可逆示温涂料的性能也提出了更高的要求。本文在原400 ~ 600°C 多变色不可逆示温涂料( 型号为SW – M – 1) [ 3] 的基础上, 以环氧改性有机硅树脂为粘结剂, 低熔点玻璃填料为增熔剂, 有机颜料为辅助热色颜料, 超细微粉填料为展色剂, 配合原颜料体系, 制得了一种新型的示温性能理想的350~ 700 °C多变色不可逆示温涂料。研究了多种因素对涂层示温性能的影响。

1  实验部分
1. 1  原材料
主要原材料见表1。

2 试验设备及检测方法
2. 1  试验设备
管式炉; 万能达CR 300型色彩色差计; C光源读板仪,自制。

2. 2  检验方法
( 1) 将制备的示温涂料均匀涂在喷砂钢板上( 1.7 cm ×2. 6 cm ), 干燥待用; ( 2) 管式炉接通电源后, 按操作规程升温, 同时将待检板放在样板架上并放入炉膛升温加热, 升温速度控制在15°C  /m in之内; ( 3 ) 升到要求的预设温度后, 恒温3 m in; ( 4) 将样板快速取到炉口, 让其缓慢冷却至低于预设温度( 200 °C )后取出, 在C 光源读板仪下辨别颜色; ( 5) 重复( 2)、( 3)、( 4), 让样板在不同的温度下进行3 m in烧板, 然后分辩它们之间的颜色差异及板面情况并做记录。

3  结果及讨论
3. 1  基本配方的确定
3. 1. 1  粘结剂的选择
根据以前研制高温漆的经验, 本文采用HW – 28 树脂作为示温涂料的粘结剂。HW – 28树脂能常温自干, 耐温性好( 400~ 960 °C 使用效果良好) 。以HW – 28 树脂为粘结剂制备的耐温涂层基本性能见表2。

试验证明, 采用HW – 28树脂与热敏颜料、硅酸盐填料及陶瓷颜料混合使用制备的漆膜性能良好。

3. 1. 2  颜料体系的选择
在本研究中, 采用有机颜料和无机颜料结合, 并以陶瓷颜料作为对比色料。在300~ 800 °C 温度段, 主要利用物质的热分解、氧化, 在不同的温度下连续发生几种化学反应, 并将几种具有不同变色温度的颜料组合, 从而在连续升温过程中在不同的温度段涂层呈现不同的颜色变化。在400°C 以下, 一些有机颜料(如酞菁蓝) 会发生分解, 可以达到颜色变化的目的; 在400 °C 以上, 可以利用无机颜料(如镉红或镉黄)连续分解出现不同的颜色来实现涂层的颜色变化。加入一些耐温性好的陶瓷颜料(如海碧、草青等)作为对比色料, 来实现高温段的颜色变化。

3. 1. 3  填料及助剂的选择
填料在示温涂料中起助色、耐温、增加附着力等辅助作用。不同的填料在示温涂料中所起的作用是不同的。为提高涂层感温灵敏度, 除了从变色颜料的性能改进入手外, 另一重要的途径就是填料(或助剂) 的使用。某些填料(如某此玻璃料或重金属的化合物)在较低温度下便形成液态或软化的玻璃态, 当此类填料加入变色颜体系中时, 势必会增加涂层受热后颜料的流动性并且会很好地提供一个类似溶剂的介质环境, 有些甚至可以" 溶解"颜料并参与颜料的反应, 给颜料及其组成物之间的反应创造有利的条件, 从而来提高涂层的感热灵敏度。本研究主要采用超微细的玻璃料和硅酸盐类作为填料。另外, 为增加涂料的分散稳定性, 应加入一些必要的助剂。

3. 2  粘结剂用量对镉红热色性能的影响
镉红是硫化镉( CdS )和硒化镉( CdSe) 的同体物, 是带有由橙色到亮蓝红色等色光而且非常饱和的鲜艳红色颜料, 通式为nCdS•CdSe, 在不同的温度条件下会发生一系列复杂的氧化分解反应, 可呈现出不同的颜色变化, 是非常理想的热色颜料。镉红在空气气氛中不加树脂条件下的热性能如表3所示。

注: S 强, M S 中强, M 中, MW 中弱, W 弱。
  从表3看出镉红在空气中随着温度的升高, 而产生氧化作用。结果逐渐消耗CdS- CdSe(红色)体系中的CdS(红色), 使之转化为CdSO4 (白色)和2CdO- CdSO4 (粉棕色), 在700  °C以后CdSO4相继分解, CdSe也发生氧化作用, 生成CdO(黑色)。
将HW – 28和镉红以1(2(质量份)混合, 完全干燥后进行焙烧试验, 结果如表4所示。

从表4可以看出, 在镉红中加入树脂后, 其物相变色与不加树脂的基本相同。但由于树脂的加入, 使镉红的氧化作用受到阻碍, CdS、CdSO4和CdSe 的氧化分解均推迟30~ 70°C ,此外, 还生成一种未知的物质X。因此, 树脂对颜料的变色会产生一定的影响, 在满足附着力的条件下, 应尽可能少地使用粘结剂。根据研究经验, 颜基比为1. 5(1.0较为适合。

3. 3  不同填料对镉红热性能的影响
将镉红和粘结剂以2(1(质量份), 分别加入不同的填料配漆, 填料的用量为镉红的50% ( 质量份), 考察了不同填料对镉红热性能的影响。填料的加入, 对镉红的热性能会产生较大的影响(影响机理十分复杂, 还需要进行深入的研究)。其中玻璃粉和氢氧化铝能够降低镉红的热反应温度, 并增加热反应的复杂性, 为体系颜色的多变性起到较理想的作用。氧化钛的加入尽管作用不是很明显, 但由于其原色为白色, 对整个体系的颜色影响不大, 而且在高温条件下会出现黄色调, 故可用其作为辅助颜料。橙黄和氧化镁对镉红热反应作用不大。

3. 4  镉红热色体系的确定
通过多次试验, 分别考察了填料的用量和组成对镉红热色性能的影响, 初步确定了镉红热色体系, 涂料编号为Cd-12。Cd- 12涂层的变色性能见表5。

从表5可以知道, Cd- 12 涂层随温度而产生的颜色变色是由红色向绿色和黄色方向转变, 在530 °C 出现了非常理想的颜色突变, 但在低于400°C 温度区没有出现色差, 另外在400~ 490 °C和530~ 610 °C 温度区间的色差不是很明显, 因此需要在此基础上进行改进。

3. 6  酞菁蓝用量对示温涂料变色性能的影响
在镉红热色颜料体系中引入酞菁蓝颜料体系, 主要是为解决涂层350~ 400°C温度区间的变色。以镉红热色颜料体系为主, 加入不同量(涂料总量的质量百分比)的酞菁蓝颜料体系, 进行配漆, 烧板试验, 考察酞菁蓝的用量对示温涂料变色性能的影响。 在镉红颜料体系中加入酞菁蓝颜料, 对420°C 以后的涂层的变色影响不大, 但对350~ 420 °C 温度区的变色有着较大的影响。当酞菁蓝颜料的用量< 4%时, 由于两种酞菁蓝的分解产物较少, 不能对着色力强的镉红体系产生足够的影响, 因此涂层的色差不太明显; 当酞菁蓝颜料的用量在6%以上时, 由于酞菁蓝的着色力较强, 所显示的蓝色与红色一并形成黑色或深灰色, 从而造成350~ 420°C 温度区的色差不明显, 并且酞菁蓝的分解产物对420 °C 以后的温度区的涂层变色产生不良影响。经试验, 最后确定酞菁蓝颜料的用量为5.7% ~ 6.3%。

4  配方的确定及性能检验
4. 1  配方的确定
经过反复试验, 最后确定了350 ~ 700 °C多变色不可逆示温涂料配方, 组成见表6。
4. 2  性能检验
4. 2. 1  物理机械性能
350~ 700 °C 多变色不可逆示温涂料的物理机械性能如表7所示。

4. 2. 2  热色性能
( 1)目视检验结果
350~ 700°C 多变色不可逆示温涂料的热色检验结果如表8所示。

( 2)色差测量结果
本文对350~ 700°C 多变色不可逆示温涂料的热色性能用色差计进行了测试, 结果见表9。色差测量中, L表示亮度, + a表示红色调方向, – a 表示绿色调方向, + b表示黄色调方向, – b表示兰色调方向, E表示色差值。从表9可以看出, 各温度点的颜色变色较大, 也与目测结果一致。

5  结  语
( 1) 350~ 700 °C 多变色不可逆示温涂料, 能给出好的色差, 物理机械性能良好; ( 2) 填料对示温涂料的变色性能影响较大, 其作用机理还需要进一步研究; ( 3) 本文仅对350 ~ 700°C 多变色不可逆示温涂料在静空场的示温性能进行了检验,在其他条件下的示温性能还需要进行试验。

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