示温涂料的应用及发展趋势

0 引言
示温涂料是利用涂层颜色变化来指示物体表面温度及温度分布的专用涂料。在一定条件下,将示温涂料加热到一定温度,会出现某一颜色变化,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,冷却后能恢复原状的涂料。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,冷却后不能恢复原状的涂料。示温涂料受热过程中,只发生1 次颜色变化,称为单变色示温涂料;出现2 次或2 次以上颜色变化,称为多变色示温涂料。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 公司在第二次世界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制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[1]。

1 示温涂料的应用
1.1 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,可以通过涂料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。中油一建锦州项目部开发出一种不可逆示温涂料[2]。该涂料以NH4VO3 为变色颜料,金红石型二氧化钛为颜料,环氧有机钛改性漆酚甲醛树脂为成膜物质,在150℃时涂料由银色变成棕色。它用于锦州石化公司2套重油催化裂化装置的再生器上,起到很好的超温报警作用。梅约等人[3]分别以CuCO3 和Fe[Fe(CN)6]2 为变色颜料,叶蜡石矿粉为填料,醇酸清漆为漆基,制得一种单变色不可逆示温涂料,通过正交试验得出各组分的最佳配比。杨德等人[4]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、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。

1.2 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,广泛用于发动机燃烧室、涡轮外环导热叶片、加力扩散器等部件的测温[5-6]。刘正堂等人[7]以环氧改性有机硅树脂为基料,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,超微细粉填料为展色剂,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,对示温涂料测温范围的要求不断提高,刘正堂等人[8]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,并赋予良好的色差,漆膜的附着力、抗洗刷性和抗腐蚀性优良,极大地满足了高温测温的需求,为航空发动机热端部件,特别是旋转件表面温度场的测试提供了强有力的手段。

1.3 防伪作用
众所周知,假冒伪劣产品不仅对消费者造成了伤害,也侵占了产品生产者的利益,为此很多产品包装上都增加了防伪标识,以利于消费者辨别产品的真伪。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,一杯热水,或一个灯泡,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,判别产品的真伪。汪雪梅[9]以钴盐作为变色物质,研制成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,由墨绿变蓝,最后恢复到粉红色。在实际应用中,方便、经济、快速、准确。梅约等人[10]用醇酸清漆漆基,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防伪标志上。

1.4 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。胡智荣等人[11]采用钴盐为变色颜料,以聚乙烯醇(PVA)、甲醛、膨润土等为原料合成一种新型复合成膜物质,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,变色时间较短,且达到了建筑涂料的性能测试标准。胡治元等人[12]以钴盐为变色晶体,吸水性材料为水气平衡剂,研制成一种变色涂料。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、成膜材料对变色点温度的影响,适用于防结露涂料。

1.5 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某些时候难以达到目的,而使用示温涂料可获得满意的效果。陈纯馨等人[13]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,可用于高温变色陶瓷材料。马明来等人[14]研制成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使用效果的问题。

2 示温涂料的发展趋势
2.1 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,已经开发出数百个品种,广泛用于国防科研、工业和日常生活的各个领域。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 研究中心成功研制成基于聚合物基料的金属复合物示温涂料。该示温涂料能够满足在严格环境下检测微小温差的要求[15]。

2.2 开发环保型示温涂料
目前,大部分示温涂料都是溶剂型,变色颜料中常使用重金属盐及偶氮类化合物,这类涂料在生产和使用过程中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,最大限度减少对环境的污染。曹优明[16]用环保型水性环氧- 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,配制成环保型高性能示温涂料。

2.3 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,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,其涂膜能呈现良好的耐候性和色差[17]。

2.4 加强变色材料的基础研究
示温涂料利用变色材料在不同温度下发生颜色变化来指示温度,目前各国都加强了对变色材料的研究。日本近年来研制成新型的通过电子转移呈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[18]。为了促进变色材料的发展,我国国家自然科学基金会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,力争研究开发出灵敏度高、稳定性好、使用寿命长、合成工艺简单的变色材料[19]。

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