熱變色復(fù)合材料的創(chuàng)新研究

1、    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)。本文課題對制得的變色儲能材料的各個性能進行檢測。我們對樣品進行色差檢測，根據(jù)實驗樣品的變色范圍來確定變色性能的穩(wěn)定性，根據(jù)變色時間的快慢來判定材料的靈敏度完成以上三項檢測之后，選擇出變色性能穩(wěn)定、靈敏度高、儲能性能好、儲能效果強和包裹性完整的實驗樣品。根據(jù)所制得熱變色材料性質(zhì)與優(yōu)勢，嘗試將熱變色復(fù)合材料用于生活中貼片、手機殼等方面，優(yōu)化我們的生活。【關(guān)鍵詞】熱致變

2、色材料 聚丙烯蠟 導(dǎo)熱填料tb34 a 2095-3089（2018）19-0230-021.前言現(xiàn)實生活中，許多火災(zāi)是由于插線板等電器短路過熱引起的，插線板會由于老化而造成短路發(fā)熱，甚至引起火災(zāi)。插線板短路過熱檢測成了一個現(xiàn)實性的難題。本課題就是基于這個問題展開實驗的。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安全溫度，及時做出防護，進而大大減少此類事故的發(fā)生。故我們選擇熱變色材料作為研究課題。本項目中的熱變色復(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

3、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。本項目的熱變色材料發(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，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，通過酸堿度的變化來顯示顏色變化。2.實驗方法2.1實驗設(shè)備實驗設(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。本次實驗采用的是德國sartorius的cp224s型分析天平，德國ika rct基本型磁力攪拌器，wf32

4、精密色差儀。2.2實驗過程實驗材料包括聚丙烯蠟（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）。本次實驗的實驗樣品的結(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來講，pp蠟的熔融度更低，在pp蠟剛剛達到熔點的時候并不是立刻全部開始熔化，而是先膨脹然后再熔化，以pp蠟為載體做成的實驗樣品的穩(wěn)定性更高；當(dāng)pp蠟熔化之后潤滑性和分散性很好，有利于實驗樣品制取過程中各組的充分混合，在進行后續(xù)實驗時，樣品的均勻性才能得以保證。本次實驗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

5、膠囊，當(dāng)周圍環(huán)境的溫度反復(fù)變化的時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微膠囊的顏色不變，當(dāng)溫度達到變色溫度時微膠囊的顏色迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色，當(dāng)溫度重新降到變色溫度時微膠囊顏色又由無色變?yōu)樵瓉淼念伾?。本次實驗的?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，熔點為1083，沸點為2595，符合實驗的溫度需求，此外銅粉活動性較低，比較安全。鋁粉是白色粉末，熔點為685，沸點為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，因此做實驗時應(yīng)注意安全措施。納米氧化鋁熔點高，活性較低，比

6、較安全。碳化硅為黑色粉末，升華點約為2700，硬度大且密度低。四種材料的共同點是導(dǎo)熱性好，可以提高熱變色材料制片的導(dǎo)熱性能，并使其變色時間大幅縮短。實驗樣品的制作。樣品設(shè)定分為對照組（不添加導(dǎo)熱填料）6個及實驗組（分別添加四種導(dǎo)熱填料）9個共16個樣品。實驗步驟：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，加熱攪拌時間5min，將每一個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

7、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，加熱時間為0.5min，將樣品加熱至完全變色。第五步：將加熱過的樣品置于精密色差儀的探測口之下，測量口徑選擇8mm，測量間距為5mm，單次測量時間為30s，單個樣品測量總數(shù)不小于30次，依次分別測量16個樣品的色差并記錄實驗數(shù)據(jù)。2.3實驗結(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。而實驗過程中樣品的邊沿最先出現(xiàn)紅色，是因為在降溫過程中熱量主要集中在中部位置，樣

8、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，是因為添加了導(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。但在測量色差的實驗過程中，測量口仍應(yīng)該對準樣本的中心位置，這樣可以確保周圍的熱量散失狀況一致，樣本顏色變化的速率也一樣，使測量的色差數(shù)據(jù)能更加精確的反映實驗的本質(zhì)。通過色差儀測試記錄：色差檢驗報告中的色差圖和色差數(shù)值。將色差檢驗報告數(shù)據(jù)表中每一個樣品的統(tǒng)計，以測試時間間隔（10s）為橫坐標(biāo)、色差值為縱坐標(biāo)繪制為折線圖如圖所示。在實驗過程中直觀觀察到實驗樣品的顏色變化如下圖所示。從數(shù)據(jù)方面來看：實驗樣品在變色開始之后就立刻有明顯的色差變

9、化，變色現(xiàn)象明顯，實驗所選取的45°c熱致變色材料（氧化鋁紅色）的變色靈敏度最能滿足實驗的需求，且變色前后色差較大，氧化鋁自身顏色對變色的呈現(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.實驗小結(jié)本次實驗一共測試16個實驗樣品，由色差檢驗報告的數(shù)據(jù)得到的色差時間圖可知，每一個實驗樣品在變色的時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，并對本身延展性與色差沒有較大影響，故改進后的熱變色制片更加符合實際應(yīng)用需求。從數(shù)據(jù)方面來看，樣品變色開始時間與變色過程總時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)定性是滿足實驗要求的。色差比較圖顯示了實驗樣品和色差儀本身自帶對比樣品之間的色差對比圖，在最開始階段樣品顏色與對比顏色一致，沒有任何色差，當(dāng)漸漸達到變色溫度時，實驗樣品開始有色差變化，隨之就是樣品的顏色迅速變化，直觀變現(xiàn)為實驗樣品的顏色和對比顏色差增加，最后變色達到最大值且維持不變。4.創(chuàng)新點（1）通過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）通過加入導(dǎo)熱填料改善了聚丙烯蠟的導(dǎo)