单变色不可逆示温涂料的研制

1 前 言
示温涂料是利用涂层的颜色变化测量物体表面温度及其分布的一种特种涂料, 已在各领域获得广泛应用。示温涂料的变色有可逆和不可逆之分。不可逆示温涂料是指涂层受热到某一温度时, 呈现出一种新的颜色, 而当涂层冷却至常温时, 不能恢复到原色。另外, 按涂层随温度变化而发生颜色改变的次数不同, 又可分为单变色和多变色示温涂料。在温度变化时, 单变色示温涂料只发生一次色变, 温度继续改变时, 其色相不再改变。本文以Fe4[Fe( CN) 6] 2和CuCO3为变色颜料, 研制了单变色不可逆示温涂料。

2 实验部分
2 1 变色原理
示温涂料的核心是其中的变色颜料。变色颜料受热时发生一系列物理与化学的变化, 从而导致其分子结构的变化, 例如晶型转化、pH 值的变化、失去结晶水、升华、熔融、氧化分解以及固相反应都可能引起变色。不可逆示温涂料的变色原理主要是升华熔融、热分解、氧化等, 而研制的示温涂料的变色原理是热分解。在一定的压力和温度下, 由于热分解改变了原来物质的组成与结构, 形成新物质, 呈现新的颜色。研制的示温涂料中的变色颜料分别是CuCO3 和Fe4[ Fe( CN) 6] 2, 常温下分别呈绿色与蓝色, 当加热到一定温度时, 分别变为黑褐色和红棕色。

2 2 仪器与试剂
2 2 1 仪器
XMTD- 2001 型数显温控仪、热电偶、250 目分子筛、250 ml 抽滤瓶、水泵、涂- 4 粘度计。

2 2 2 原材料
无水碳酸钠、硫酸铜、二甲苯、硫酸亚铁、亚铁氰化钾, 均为化学纯; 醇酸清漆C 01- 7; 叶蜡石矿粉, 浙江泰顺龟湖蜡石矿产。

2 3 制备工艺
示温涂料是由变色颜料、漆基、填料、溶剂等按一定的配比混合制成。本示温涂料中变色颜料分别为CuCO3 和Fe4[ Fe( CN) 6] 2, 漆基为醇酸清漆, 填料为廉价的泰顺龟湖蜡石矿粉。将各组分按比例研磨后, 使各组分的粒径< 0.061 mm, 然后加入溶剂, 搅拌混合一定时间, 制得成品。其工艺流程如下:

2 4 性能检测
本实验采用易拉罐制成的试板, 将易拉罐银白色的一面用砂纸打磨, 形成洁净的表面, 以提高涂料的附着力。通常涂覆的方法有刷涂或喷涂, 涂层厚度一般控制在20~ 40 um。示温涂料是在一定条件下变色的, 因此, 必须在模拟环境中测定该涂料的变色温度。本实验采用XMTD- 2001 型数显温控仪测试变色温度, 数据比较准确。以含CuCO3 的涂料为例, 其性能测试结果如表1所示。

以常温下呈绿色的含碳酸铜( CuCO3) 的涂料为例, 得到正交试验的因素与水平, 见表2。

正交试验方案及其结果见表3。


对表2 正交试验结果作直观分析处理, 其结果列于表5~ 表8, 表中K1 表示每个因素的第一水平的试验数据之和。如颜料因素的K1= 133+ 139+ 148+170= 590。K2、K3、K4 的意义与K1 相同。R1~ R4 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变色温度。R 表示各因素的四个水平对应的平均变色温度的极差值。



由表4~ 表8 可见: 该涂层最佳变色温度的各因素的组合为A4B1C1D4E1, 即变色颜料2.50 g, 漆基1.00 g, 填料1.00 g, 恒温时间3 min, 涂层厚度1 层( 15~ 40 um) 。按此配比配制涂料, 重复试验3 次, 所得的变色温度依次为125 ºc 、130 ºc 和128 ºc 。用类似的正交试验法, 以Fe4[ Fe( CN) 6] 2 为变色颜料进行试验, 则该涂层最佳变色温度的各因素的组合为A1B1C4D1E4, 即变色颜料1.0 g, 漆基1.2 g, 填料0.2 g, 恒温时间8 min, 涂层厚度1 层( 约0.22 mm) 。按此配比配制涂料, 重复实验3 次, 其平均变色温度为240 +- 2ºc 。

3 结果与讨论
3 1 变色颜料用量的影响
由表4 绘制变色颜料用量与变色温度的关系, 见图1。由图1 可见, 当其他条件相同时, 随着变色颜料用量的增大, 两种涂料的变色温度均逐渐降低。这是由于涂料中的变色颜料用量越多, 则涂层表面颜料粒子的密度越大, 升温时所吸收的热量较为集中于粒子的变色反应, 故使变色温度降低。

3 2 漆基用量的影响
由表5 绘制漆基用量与变色温度的关系, 见图2。由图2 可见, 当其他条件相同时, 随着漆基用量增大, 变色温度明显升高。这是由于随着漆基用量增大,颜料粒子密度下降, 变色能力减弱, 同时, 所吸收的热量部分被漆基所吸收, 只有升高温度才能使颜料粒子获得足够能量, 从而引发变色反应。

3 3 填料用量的影响
填料用量与变色温度的关系见图3。由图3 可见, 当其他条件相同时, 随着填料用量增大, 变色温度升高, 但对含CuCO3 的涂料来说, 当填料用量增大到1.4 g 后, 再增加填料量, 曲线趋于平缓。这是因为填料用量增大, 所吸收的热量部分消耗在填料上, 颜料粒子所吸收的热量相对减少, 只有升高温度才能满足颜料变色所需的能量。然而当温度升至足够程度, 单位面积所吸收的热量足以使颜料变色, 这时再加大填料量, 对变色温度无多大影响, 曲线反而趋于平缓。

比较图3 两种涂料的曲线可以看出, 对于含Fe4[ Fe( CN) 6] 2 的涂料而言, 填料用量对其温度的变化影响较小。

3 4 恒温时间的影响
恒温时间与变色温度的关系见图4。由图4 可见, 受热时, 温度越低, 涂层变色所需的时间越长。因为在低温状态下, 单位时间内吸收能量相对较少, 达不到变色反应的最低能量的需求, 只有延长受热时间, 不断提供能量, 涂层才能变色。另外, 由恒温时间与变色温度关系的经验公式: ø= A- Blogt ( 式中ø为变色温度,A、B 为常数, t 为涂料受热恒温时间) 可见,受热时间越长, 涂层变色温度(ø) 越小。

3 5 涂层厚度的影响
涂层厚度对变色温度影响最大, 其R 值大于其他四个因素。涂层厚度对变色温度的影响见图5。

由图5 可见: 随着涂层厚度的增加, 变色温度明显升高, 其原因有二: 一是涂层厚度增加, 颜料与填料含量相对增加, 恒温吸热时, 除部分消耗在填料之外,颜料粒子吸能分散, 达不到变色的临界能量, 故只有升高温度才能达到变色。二是反应时, 传热方向是由底层往表层进行, 涂层厚, 传热时间相对延长, 热量分散, 故只有继续升温, 供给足够能量, 才出现变色现象。图5 中含CuCO3 的涂料从第3 层到第4 层时, 变色温度变化很大, 这是因为第3 层在142.5 ºc 所吸收热量基本消耗在该三层的涂料上。当有第四层涂料覆盖时, 剩余能量远远不能满足该层颜料粒子的变色反应所需能量, 所以, 只有大幅度升温( 从142.5ºc-165ºc ) , 提供大量能量, 才能变色。按照此理论, 可以解释含Fe4[ Fe( CN) 6] 2 的涂料第3 层到第4 层曲线B变化平缓的原因。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注