可逆型示温涂料的研制

1   前 言
示温涂料是通过涂层的变色来指示物体表面温度及温度分布的一种特种涂料。可逆型示温涂料指受热到某一温度时, 涂层颜色发生变化, 而冷却时, 又恢复到原来的色相。根据涂层随温度发生色变的次数, 示温涂料又可分为单变色与多变色( 一般变色两次或两次以上) 等不同类型。
与一般测温方法相比, 示温涂料可以指示用温度计难以测量的物体表面的温度或温度分布, 具有简便、快速等特点。例如, 高速运动物体及复杂表面涂覆示温涂料, 若局部过热, 涂层出现色变, 即向操作人员发出超温警报。示温涂料已引起人们普遍关注, 应用领域广泛。
示温涂料一般用碳酸钙、氧化锌、氧化钙、钛白粉等作为颜填料制得, 这些颜填料价格偏高, 尤其是钛白粉价格昂贵而在使用上受到限制。本示温涂料用温州泰顺产的叶蜡石(Al2O3•4SiO2•H2O) 作为填料, 该原料易得, 价格便宜, 生产成本低, 大有发展前途。

2   实验部分
2. 1   变色原理
示温涂料的变色取决于其中的变色颜料。涂层受热时, 变色颜料会产生一系列的物理与化学变化( 失去结晶水、晶格转换、热分解等) , 从而导致其分子结构发生改变, 同时伴随涂层颜色的改变。本涂料以常温下呈粉红色的CoCl2•2C6H12N4•10H2O 作为变色颜料, 受热到一定温度( 约35ºc ) , 它失去结晶水而变为蓝色, 自然冷却后, 它又吸收空气中的水分, 恢复成原来的粉红色。

2. 2   仪器与原材料
仪器: 抽滤瓶、托盘天平、测厚仪、变色测温箱。
原材料: 乌洛托品; CoCl2•6H2O, 化学纯; 二甲苯,化学纯; 醇酸清漆; 叶蜡石矿粉( 粒径30~ 40 um) , 泰顺龟湖蜡石矿提供。

2. 3  示温涂料的制备
先由乌洛托品与CoCl2•6H2O 按一定比例在溶液中反应, 制得变色颜料CoCl2•2C6H12N4•10H2O, 过滤晾干。然后将该变色颜料与漆基( 醇酸清漆) 、填料( 叶蜡石矿粉) 及溶剂( 二甲苯) 按一定配比制得示温涂料。其工艺流程如下:

2. 4   正交试验
用正交法试验该涂料各组分的不同配比时的恒温时间与变色温度。具体方法是将不同配比的涂料均匀地涂覆在金属( 铝) 的薄片上, 待自然干燥后, 送到变色测温箱, 测其恒温时间与变色温度, 见表1。
表1   不同配比示温涂料正交试验的结果


对表1 正交试验结果作直观分析处理, 其结果列于表2~ 表6( 图1~ 图5) 。表中的K1 表示每个因素第一水平的试验数据之和。如变色颜料因素的K1=43. 0+ 43. 0+ 43. 0+ 48. 0= 177. 0; 恒温时间因素的K1= 44. 0+ 44. 0+ 47. 0+ 48. 0= 183. 0。K2、K3、K4 的意义与K1 相同。R1~ R4 是分别由K1 ~ K4 除以4 而得, 它们表示各因素的四个水平对应的平均温度。
表2 变色颜料用量对变色温度的影响



2. 5  涂料性能指标
涂料性能测试结果如下:

3   结果与讨论
3. 1   变色颜料用量的影响
变色颜料用量与变色温度的关系见图1。

图1 表明, 当其他条件相同时, 随着变色颜料用量的增大, 变色温度逐渐降低。这是因为变色颜料用量越高, 单位面积上颜料粒子越多, 温度变化时所吸收热量比较集中地用于颜料粒子的变色反应, 致使变色温度降低。

3. 2  漆基用量的影响
漆基用量与变色温度的关系见图2。

图2 表明, 当其他条件不变时, 漆基用量增大, 变色温度升高, 但漆基用量增大至1. 80 g 时, 继续增加漆基, 则曲线趋于平缓。这是因为漆基用量增大, 颜料粒子在漆基中被相互隔离, 降低了它们的变色程度, 从而使变色温度提高; 同时, 涂层所吸收的热量相当部分消耗在漆基上, 故只有升高温度, 才能使其变色。但温度升至足够程度, 单位面积所吸收热量足以使颜料变色或者说吸收热量超过单位面积上颜料变色所需的能量, 这时再加大漆基量将对变色温度无多大影响, 曲线趋于平缓。

3. 3   填料用量的影响
填料用量与变色温度的关系见图3。

图3 表明, 当其他条件相同时, 填料用量增大, 变色温度上升。这是因为填料用量增大, 升温时颜料所吸收热量相对减少, 故只有升高温度才能达到颜料变色所需能量。

3. 4   涂层厚度的影响
涂层厚度与变色温度的关系见图4。

图4 表明, 总体来看涂层厚度对变色温度影响不大, 表5 的R 值比其他各表的R 值小, 也说明了这一点。当涂有涂料的试片放入变色测温箱时, 除涂层本身吸收热量外, 金属试片吸热也很厉害。涂层较薄( 20 um, 一道) 时, 金属试片吸热速度超过涂层吸热速度, 欲达使其变色的足够热量, 只有不断升温, 因此涂层薄时, 变色温度就高。随着涂层厚度增大, 金属试片从表层吸热速度减弱, 相同条件下, 所吸收热量主要提供涂层的变色反应, 所以变色温度相对下降, 但这种变化很微小、缓慢, 从表5 可见: 涂层厚度从20 um增大到100um( 2 道) , 其变色温差仅1 , 但涂层厚度从100 um( 2 道) 增大到215um( 3 道) 时, 由于涂层厚度增加, 非颜料含量相对增加, 故颜料吸热相对减少, 为了达到变色所需的热量, 只有升高温度, 曲线略微上升。而当涂层厚度超过215um, 达270 um( 4 道) 时, 原来变色温度43. 5 所提供的热量足以使表层涂料变色, 这时, 涂层厚度比原来厚得多, 从表面吸收热量向下面金属试片传导速度很慢, 大量热积聚在涂层的表面, 被颜料微粒充分吸收, 所以变色温度反而有所下降。

3. 5   恒温时间的影响
恒温时间与变色温度的关系见图5。

图5 表明: 恒温时间延长, 变色温度降低, 恒温时间足够长时( 9 min 后) , 继续恒温则变色温度基本不变。这是因为, 涂料中的颜料变色时, 总要吸收足够能量, 当外界温度较高时, 单位时间内颜料吸收能量较多, 这时恒温时间较短, 就能使其变色, 而当外界温度降低, 单位时间内颜料吸收能量较少, 为了达到变色所需能量, 只有延长恒温时间, 但当颜料吸收的能量一旦达到颜料变色的∃ 临界能量%时, 再延长恒温时间, 对其变色无多大影响, 故9~ 12 min 的变色温度相同。
综上所述, 各因素对变色温度的影响各异, 其中最主要的因素是恒温时间, 其次是漆基, 影响最小的因素是涂层厚度, 具体影响见表7。

直观分析结果表明, 最低变色温度的各因素水平组合为变色颜料2. 80 g, 漆基1. 40 g, 填料1. 80 g。按此配比的涂料, 当涂层厚度为100 um( 2 道) 时, 恒温时间为12 min, 变色温度为39. 6 , 当冷却时, 天蓝色又恢复成原来的粉红色。这种低温可逆性示温涂料对于生物发酵时温度的控制或作为防伪标志都颇有实用意义。

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