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以二苯硫脲为显色剂的低温可逆示温涂料的研究
陈纯馨 陈 忻 袁毅桦 刘爱文 何永彬
( 佛山科学技术学院理学院, 佛山528000)
示温涂料是一种利用颜色变化测量物体表面温度及温度分布的特种涂料, 其原理是涂层被加热到一定温度时, 涂料中对热敏度的颜料发生某些物理或化学变化, 导致分子结构、分子形态的变化, 致使外在的表面变化, 借以指示温度, 因而又称为变色涂料或热敏涂料。我国对变色涂料的研究始于60 年代[ 1] , 在研究和应用方面取得了可喜的进展。但是,其研究产品大都属于高温不可逆变色涂料, 至于低温可逆变色涂料研究还很少, 几乎是空白[ 2] 。我们试用有机物为显色剂, 环氧树脂为漆基制成一种低温可逆变色涂料, 为示温涂料的进一步广泛应用打下一定的基础。
1 实验部分
1. 1 实验药品与仪器
实验药品: 二硫化碳, 苯胺, 乙醇, 十八醇, 硫磺,E- 44 环氧树脂, 龙胆紫。
实验仪器: 电热恒温水浴锅, 电子天平, 红外光谱仪等。
1. 2 实验方法
将龙胆紫和自制的二苯基硫脲分别用研钵研磨均匀, 取适量的二苯基硫脲和龙胆紫分别放在烧杯中水浴加热至溶解; 将它们混和、搅拌均匀, 冷却后加入适量的基料, 加热至展色均匀。再加适量的填
料, 在85~ 100 ºc 左右加热至展色均匀, 冷却, 得到可逆示温涂料。其工艺流程见图1。
图1 可逆示温涂料研究的工艺流程图
用易拉罐制成试板( 即被涂材料) , 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。将制成的示温涂料涂覆在试板上进行性能测试。通常的涂覆方法有擦涂和喷涂, 本实验采用擦涂。
2 实验结果
2. 1 显色剂二苯基硫脲的合成
采用苯胺和二硫化碳及适量的催化剂( 硫磺) 合成二苯基硫脲。产物为白色晶体, 测定其熔点: 初熔点150. 7 ºc, 终熔点151. 9 ºc。产物用IR 进行结构表征, 由其IR 谱图可看出: 在480cm- 1、1500cm- 1 、1600cm- 1 分别出现了吸收峰, 这是苯环骨架振动的特征峰; 在3200cm- 1附近有N H 的伸缩振动峰, 在1900cm- 1 附近有C= S 的伸缩振动峰。
2. 2 可逆示温涂料成分的确定
2. 2. 1 基料的选用
平行取二苯基硫脲0. 4g 和龙胆紫0. 01g , 分别与适量的PVA、醇酸清漆、PVC、环氧树脂相混合,按上述工艺路线制成涂料, 并检测其性能, 结果见表1 所示。
由表1 可看出, 以环氧树脂为基料效果最好, 它能使涂料的各组分很好地混熔在一起, 从而使涂膜平整光滑。而醇酸清漆、PVC 都不能与二苯基硫脲和龙胆紫互熔。聚乙烯醇则由于受热会结块, 不利于使用, 难以成膜。所以本实验采用了以环氧树脂为基料。
2. 2. 2 溶剂的选用
根据以上实验结果, 取环氧树脂为基料, 以不同的溶剂分别配制涂料并作比较, 结果如表2。
由表2 可见, 十八醇和正丁醇都能较好成膜, 但由于十八醇常温下是固体, 受热熔解后才能与涂料混合均匀, 冷却后成膜较好, 一旦再受热它又会变成液状, 不利于涂料的检测。所以本实验采用正丁醇作为溶剂。
2. 2. 3 填料的选用
平行取二苯基硫脲0. 4g 和龙胆紫0. 01g , 再分别加入高岭土、MgO、A l2O3、S iO2 粉末适量, 按照上述工艺路线制成涂料, 并检测其性能。结果见表3。
表3 填料选择试验
由表3 可见, 以高岭土和氧化镁做填料无论从涂料性能、变色温度和复色时间看, 效果都很好。这是由于这2 种物质颗粒都较小, 能很好地与涂料的各组分均匀混合, 使涂料形成一个稳定的体系, 有利于涂料的变色与传热。而氧化铝与二氧化硅则由于大颗粒影响了涂料的性能。从成本来看, 由于高岭土比氧化镁便宜, 所以本研究采用高岭土为填料。
综上所述, 可逆示温涂料的组成成分确定为: 二苯基硫脲、龙胆紫、环氧树脂、正丁醇和高岭土。
2. 3 可逆示温涂料配方的确定
由于龙胆紫( 电子供体) 的颜色比较深, 故实验配比中龙胆紫的用量要比较少, 其用量一般要比二苯基硫脲的量少许多。实验采用优选法来确定涂料的配方, 结果见表4。
按上述比例取一定量的试剂, 制成涂料, 并检测涂料的性能, 结果见表5。
由表5 可知, 配方4 变色温度低, 复色时间短,可用次数多。则可逆示温涂料的配方确定为: 龙胆紫:二苯基硫脲:高岭土( 质量比) = 1 :40 :40 。
2. 4 可逆示温涂料性能测试结果
按上述配方制涂料, 涂覆于铝片上, 干燥后置于简易控温仪内匀速升温, 测定变色温度; 在空气中( 相对湿度85%, 温度25 ºc) 冷却, 测定复色时间, 测试结果见表6, 涂料外观图略。
2. 5 紫外光对示温材料的影响测试结果
将涂装后的玻璃片置于紫外灯下照射, 测定不同照射时间的涂料性能。结果见表7。
表7 紫外光测试结果
由表7 可见, 该涂料有较好的稳定性, 受紫外光的影响较小, 可用于室外。
综合性能测试结果和紫外光测试结果可见, 该涂料变色温度范围小( 70~ 75 ºc) , 有较高的灵敏度且变色明显, 涂料性能稳定。
3 结 论
( 1) 二苯基硫脲合成的最佳条件: 苯胺: 二硫化碳( 体积比) 为20 :15, 产率可达70%以上。
( 2) 在本实验条件下, 可逆示温涂料的最佳质量配比: 龙胆紫: 二苯基硫脲: 高岭土= 1 :40 :40。
( 3) 该示温涂料变色温度为70~ 75 ºc, 颜色变化是由粉红色( 常温) 变成蓝色( 加热到变色范围时) , 且比较明显。
( 4) 所制涂料涂膜光滑, 耐水性, 耐酸碱性比较好, 而且操作方便, 工艺简单, 有着广泛的应用前景。
