熱變色復(fù)合材料的創(chuàng)新研究

李昱澍

【摘要】以PP蠟為載體，將可逆熱致變色材料和PP蠟混合，以共熔的方式制得變色材料。我們嘗試于熱變色復(fù)合材料中加入導(dǎo)熱材料，提高其變色速率等相關(guān)性質(zhì)。本文課題對(duì)制得的變色儲(chǔ)能材料的各個(gè)性能進(jìn)行檢測(cè)。我們對(duì)樣品進(jìn)行色差檢測(cè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品的變色范圍來(lái)確定變色性能的穩(wěn)定性，根據(jù)變色時(shí)間的快慢來(lái)判定材料的靈敏度完成以上三項(xiàng)檢測(cè)之后，選擇出變色性能穩(wěn)定、靈敏度高、儲(chǔ)能性能好、儲(chǔ)能效果強(qiáng)和包裹性完整的實(shí)驗(yàn)樣品。根據(jù)所制得熱變色材料性質(zhì)與優(yōu)勢(shì)，嘗試將熱變色復(fù)合材料用于生活中貼片、手機(jī)殼等方面，優(yōu)化我們的生活。

【關(guān)鍵詞】熱致變色材料 聚丙烯蠟 導(dǎo)熱填料

【中圖分類(lèi)號(hào)】TB34 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）19-0230-02

1.前言

現(xiàn)實(shí)生活中，許多火災(zāi)是由于插線板等電器短路過(guò)熱引起的，插線板會(huì)由于老化而造成短路發(fā)熱，甚至引起火災(zāi)。插線板短路過(guò)熱檢測(cè)成了一個(gè)現(xiàn)實(shí)性的難題。本課題就是基于這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)實(shí)驗(yàn)的。

熱變色材料可以作為貼片直接應(yīng)用于電器上，可以使得電器是否短路過(guò)熱以一種直觀的方式（貼片明顯的顏色變化）看出電器是否已超過(guò)安全溫度，及時(shí)做出防護(hù)，進(jìn)而大大減少此類(lèi)事故的發(fā)生。故我們選擇熱變色材料作為研究課題。

本項(xiàng)目中的熱變色復(fù)合材料基于現(xiàn)有熱變色復(fù)合材料普遍具有結(jié)構(gòu)支持材料與發(fā)色劑結(jié)合性差、可塑性差、顯色慢、導(dǎo)熱性能差等缺陷，進(jìn)行熱致變色劑/導(dǎo)熱填料/聚丙烯蠟的新型復(fù)合材料的制備以及其性能的檢測(cè)。

本項(xiàng)目的熱變色材料發(fā)色劑主要是酸堿指示劑，如酚酞等；染色劑通常是一些可以提供電子的弱酸。當(dāng)溫度改變時(shí)，發(fā)色劑得失質(zhì)子，使其酸式結(jié)構(gòu)和堿式結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)化，引起顏色變化。這類(lèi)熱變色材料顏色的變化通常與各酸堿指示劑的PH值變化范圍內(nèi)的顏色變化一致。是本項(xiàng)目采用的變色劑工作原理即是采用分子間的質(zhì)子得失，通過(guò)酸堿度的變化來(lái)顯示顏色變化。

2.實(shí)驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器包括分析天平、磁力加熱攪拌器、精密色差儀、燒杯、藥匙等。

本次實(shí)驗(yàn)采用的是德國(guó)Sartorius的CP224S型分析天平，德國(guó)IKA RCT基本型磁力攪拌器，WF32精密色差儀。

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料包括聚丙烯蠟（PP-WAX）（添加銅粉，鋁粉，納米氧化鋁，碳化硅作為導(dǎo)熱填料）和45℃熱致變色材料（紅色及其他顏色）（以紅色為例）。

本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)樣品的結(jié)構(gòu)支持材料選擇聚丙烯蠟（PP-WAX），也就是PP蠟。PP蠟相較于LDPE或者HDPE來(lái)講，PP蠟的熔融度更低，在PP蠟剛剛達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)候并不是立刻全部開(kāi)始熔化，而是先膨脹然后再熔化，以PP蠟為載體做成的實(shí)驗(yàn)樣品的穩(wěn)定性更高；當(dāng)PP蠟熔化之后潤(rùn)滑性和分散性很好，有利于實(shí)驗(yàn)樣品制取過(guò)程中各組的充分混合，在進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品的均勻性才能得以保證。

本次實(shí)驗(yàn)的感溫變色材料選擇的是45℃熱致可逆變色材料（紅色），是一種微膠囊，當(dāng)周?chē)h(huán)境的溫度反復(fù)變化的時(shí)候微膠囊的顏色也隨之反復(fù)變化。微膠囊最重要的就是外殼的完整性，一旦外殼被破環(huán)，微膠囊的性能也就隨之改變。當(dāng)溫度低于變色溫度時(shí)微膠囊的顏色不變，當(dāng)溫度達(dá)到變色溫度時(shí)微膠囊的顏色迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)色，當(dāng)溫度重新降到變色溫度時(shí)微膠囊顏色又由無(wú)色變?yōu)樵瓉?lái)的顏色。

本次實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)熱填料使用了銅粉、鋁粉、納米氧化鋁和碳化硅。銅粉是紅黑色粉末，熔點(diǎn)為1083℃，沸點(diǎn)為2595℃，符合實(shí)驗(yàn)的溫度需求，此外銅粉活動(dòng)性較低，比較安全。鋁粉是白色粉末，熔點(diǎn)為685℃，沸點(diǎn)為2065℃，符合要求，但鋁粉較活潑，在空氣中極易被氧化且可能引發(fā)爆炸，因此做實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意安全措施。納米氧化鋁熔點(diǎn)高，活性較低，比較安全。碳化硅為黑色粉末，升華點(diǎn)約為2700℃，硬度大且密度低。四種材料的共同點(diǎn)是導(dǎo)熱性好，可以提高熱變色材料制片的導(dǎo)熱性能，并使其變色時(shí)間大幅縮短。

實(shí)驗(yàn)樣品的制作。樣品設(shè)定分為對(duì)照組（不添加導(dǎo)熱填料）6個(gè)及實(shí)驗(yàn)組（分別添加四種導(dǎo)熱填料）9個(gè)共16個(gè)樣品。

實(shí)驗(yàn)步驟：

第一步：按照設(shè)定的藥品組分比例（PP蠟7克，導(dǎo)熱填料為10%約0.75克，熱變色材料0.35克），先用分析天平稱取藥品分別置于16個(gè)潔凈的小燒杯中。

第二步：統(tǒng)一將磁力攪拌器的加熱溫度設(shè)定為150℃，轉(zhuǎn)速設(shè)定為100rpm，加熱攪拌時(shí)間5min，將每一個(gè)樣品的藥品加熱攪拌混合均勻。

第三步：趁熱將溫度為150℃，以液態(tài)形式存在的藥品澆筑到提前設(shè)置好的模具中，冷凝結(jié)晶為厚度均勻的直徑為5cm的圓形樣品。

第四步：將已經(jīng)冷凝成形的樣品再次置于磁力攪拌器之上，設(shè)定加熱溫度為150℃，攪拌轉(zhuǎn)速為0rpm，加熱時(shí)間為0.5min，將樣品加熱至完全變色。

第五步：將加熱過(guò)的樣品置于精密色差儀的探測(cè)口之下，測(cè)量口徑選擇Φ8mm，測(cè)量間距為5mm，單次測(cè)量時(shí)間為30s，單個(gè)樣品測(cè)量總數(shù)不小于30次，依次分別測(cè)量16個(gè)樣品的色差并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

溫度自150℃逐漸降到室溫，顏色由灰白色（鋁粉，氧化鋁）或偏黑色（銅粉，碳化硅）變?yōu)榧t色，色澤隨著溫度的降低逐漸加深。而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中樣品的邊沿最先出現(xiàn)紅色，是因?yàn)樵诮禍剡^(guò)程中熱量主要集中在中部位置，樣本邊沿的熱量散失相較于中部更快，因此出現(xiàn)環(huán)狀紅色圍繞非紅色中心的現(xiàn)象。但此現(xiàn)象并不明顯，是因?yàn)樘砑恿藢?dǎo)熱填料使熱變色制片導(dǎo)熱性升高，從而使制片的熱量分布更加均勻。但在測(cè)量色差的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量口仍應(yīng)該對(duì)準(zhǔn)樣本的中心位置，這樣可以確保周?chē)臒崃可⑹顩r一致，樣本顏色變化的速率也一樣，使測(cè)量的色差數(shù)據(jù)能更加精確的反映實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。

通過(guò)色差儀測(cè)試記錄：色差檢驗(yàn)報(bào)告中的色差圖和色差數(shù)值。將色差檢驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)表中每一個(gè)樣品的統(tǒng)計(jì)，以測(cè)試時(shí)間間隔（10s）為橫坐標(biāo)、色差值為縱坐標(biāo)繪制為折線圖如圖所示。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中直觀觀察到實(shí)驗(yàn)樣品的顏色變化如下圖所示。

從數(shù)據(jù)方面來(lái)看：實(shí)驗(yàn)樣品在變色開(kāi)始之后就立刻有明顯的色差變化，變色現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)所選取的45°C熱致變色材料（氧化鋁紅色）的變色靈敏度最能滿足實(shí)驗(yàn)的需求，且變色前后色差較大，氧化鋁自身顏色對(duì)變色的呈現(xiàn)影響很小，在變色速率方面較不添加導(dǎo)熱填料有了很大提升。

3.實(shí)驗(yàn)小結(jié)

本次實(shí)驗(yàn)一共測(cè)試16個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，由色差檢驗(yàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)得到的色差時(shí)間圖可知，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品在變色的時(shí)候變色靈敏度都非常高，添加導(dǎo)熱填料取得了比較明顯的效果，并對(duì)本身延展性與色差沒(méi)有較大影響，故改進(jìn)后的熱變色制片更加符合實(shí)際應(yīng)用需求。從數(shù)據(jù)方面來(lái)看，樣品變色開(kāi)始時(shí)間與變色過(guò)程總時(shí)間在一定程度可以判定該可逆熱致變色材料的變色靈敏度和變色穩(wěn)定性是滿足實(shí)驗(yàn)要求的。

色差比較圖顯示了實(shí)驗(yàn)樣品和色差儀本身自帶對(duì)比樣品之間的色差對(duì)比圖，在最開(kāi)始階段樣品顏色與對(duì)比顏色一致，沒(méi)有任何色差，當(dāng)漸漸達(dá)到變色溫度時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品開(kāi)始有色差變化，隨之就是樣品的顏色迅速變化，直觀變現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)樣品的顏色和對(duì)比顏色差增加，最后變色達(dá)到最大值且維持不變。

4.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）通過(guò)聚丙烯蠟與熱變色劑熔融共混制備了不同變色效果的復(fù)合材料，共熔是體系受熱均勻，熱變色材料在PP蠟中分布較好，示色更均勻。

（2）通過(guò)加入導(dǎo)熱填料改善了聚丙烯蠟的導(dǎo)熱性能，提高了復(fù)合材料的熱變色靈敏度。