感溫變色材料　Thermochromic Material

一．       可逆感溫變色顏料的變色原理和結構：

感溫變色顏料是一種隨溫度上升或下降而反復改變顏色的微膠囊。

可逆感溫變色顏料是由電子轉移型有機化合物體系制備的。 電子轉移型有機化合物是一類具有特殊化學結構的有機發(fā)色體系。在特定溫度下因電子轉移使該有機物的分子結構發(fā)生變化，從而實現顏色轉變。這種變色物質不僅顏色鮮艷，而且可以實現從“有色===無色”和“無色===有色”狀態(tài)的顏色變化,這是重金屬復鹽絡合物型和液晶型可逆感溫變色物質所不具備的。

微膠囊化的可逆感溫變色物質稱為可逆感溫變色顏料(俗稱：溫變顏料,感溫粉或溫變粉)。這種顏料的顆粒呈圓球狀，平均直徑為2~7微米（一微米等于千分之一毫米）。其內部是變色物質，外部是一層厚約0.2~0.5微米既不能溶解也不會融化的透明外殼，正是它保護了變色物質免受其他化學物質的侵蝕。因此，在使用中避免破壞這層外殼是十分重要的。

二.   感溫變色顏料的基本色：

目前本公司生產的可逆感溫變色顏料在顯色狀態(tài)有以下15個基本色：

1、感溫變色顏料之間的互配和拼色:   

因為可逆感溫變色顏料在隱色狀態(tài)時是無色的，這使得不同顏色/不同變色溫度/不同系列的變色顏料之間可以互配和拼色，從而獲得更加豐富多彩的變色效果。

2-1、感溫變色顏料基本色之間的互配：

將基本色之間按一定比例互配，可以獲得許多過渡色無色的變色效果。

例如：

2-2、感溫變色顏料與普通顏料之間拼色：

可以獲得 色A 色B 的變色效果。

例如：

三、   熱敏變色顏料的類型：

1、熱消色型（R系列）：

在低溫時為有色狀態(tài)，當溫度升至設定值時顏料從有色變?yōu)闊o色。它的變色溫度可根據用戶需要在-20～80℃ 范圍內設定:。R系列變色顏料的品種最多，色譜齊全，是最常用的變色顏料系列。其色～溫關系曲線如圖1所示：         

     圖 1.  R系列  色～溫關系曲線               圖 2.  F系列  色～溫關系曲線

2、熱發(fā)色型（F系列）：

其色～溫特性與R系列正相反。在低溫時為無色狀態(tài)，當溫度升至設定值時顏料從無色變?yōu)橛猩Ｋ陌l(fā)色溫度區(qū)間為：60～65℃。其色～溫關系曲線如圖2所示。

四、  感溫變色顏料的變色溫度

1、感溫變色溫度

實際上，感溫變色顏料的變色溫度不是一個溫度點，而是一個溫度區(qū)間，也就是從變色開始至變色結束所包含的溫度范圍（T0～T1）。這個溫度區(qū)間的寬度一般為4~6℃，有些變色精度較高的品種(窄區(qū)間品種，以“N”表示)其變色溫度區(qū)間較窄，只有2~3℃。

通常，我們將等速升溫過程中，變色基本完成時所對應的溫度 T1 定義為該感溫變色顏料的變色溫度。

2、感溫變色循環(huán)次數:

取少許被測變色顏料，用504環(huán)氧膠調勻，在白紙上刮樣(厚度0.05-0.08毫米)室溫20℃以上靜置一天。剪取10×30 mm紙樣。取600 mL燒杯二只，注入水。其水溫分別為被測樣品變色溫度區(qū)間上限（T1）以上5～20℃和下限（T0）以下不小于5℃（對于RF-65系列油墨，水溫分別定為T0=35℃，T1=70℃），并保持水溫。將試樣輪流浸入二個燒杯中，完成每次循環(huán)的時間為3~4秒鐘。觀察顏色變化并記錄可逆變色循環(huán)次數（通常，熱消色系列的變色循環(huán)次數大于4000—8000次）。

五、  感溫變色顏料在塑料制品中的應用：

1、R系列感溫變色顏料最適合用于注塑和擠塑：

R系列（塑膠級）是本司開發(fā)的專門用于塑膠的變色顏料品種。其特點是：囊壁厚，強度高，耐熱性好，更加易于分散均勻，消色時殘留色少。

2、適用范圍：

本品可用于聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、軟聚氯乙烯（S-PVC）、AS 和ABS等透明或半透明塑料的注塑、擠塑成型。也可混入不飽和聚脂、環(huán)氧樹脂、有機玻璃或尼龍單體內澆鑄、模壓、固化成型。

3、用量：

用于注塑、擠塑加工或澆鑄、模壓、固化成型時,變色顏料的用量為塑料量的0.4~3.0%,通常為 0.6 ~2.0% 。變色顏料與塑料粒子要充分混和均勻（混合時可使用少量白油）。如果是普通顏料與變色顏料拼色，則普通顏料（或染料）的用量大約為變色顏料的0.5-2.5%。

4、色母料：

在大批量生產時可先將變色顏料加入聚乙烯蠟或聚苯乙烯蠟中制成顏料含量為10%的色母料，然后再與塑料粒子混合使用。這樣可使變色顏料分散的更均勻。色母料的制備方法可參考本司提供的技術資料。

5、溫度：

加工溫度應控制在200℃以下,最高不要超過230℃,并盡量減少物料的受熱時間。（高溫，長時間加熱將損害顏料的變色性能）。

6、注意事項：

B: 澆鑄、模壓、固化成型中使用變色顏料時應先將變色顏料加入不飽和聚脂、有機玻璃或尼龍單體內內攪拌分散均勻，然后再加入引發(fā)劑或固化劑開始聚合或交聯(lián)反應。因為在予聚后體系粘度急劇升高，此時加入變色顏料會使大量顏料顆粒包裹在一起，難于分散均勻。另外，此時的攪拌操作也會使體系中殘留大量氣泡。

C.: 慎重選擇交聯(lián)劑或固化劑：在環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂的交聯(lián)固化過程中，其內部有時會產生強大的收縮應力，導致變色顏料微膠囊外殼破裂，其它化學物質進入顏料內部使其失去變色性能。這種情況在環(huán)氧樹脂固化厚度大于0.2毫米并且使用多胺類固化劑時經常會發(fā)生。

D: 不能使用密煉機、捏和機、高速分散機，雙螺桿擠出機等高剪切設備進行塑料粒子與變色顏料的預混合。這些設備會嚴重破壞變色顏料表面的保護層，使其失去變色性能。另外，在制備色母料時應避免變色顏料經受反復的擠出造粒操作。

E: 在PVC樹脂的配方中應避免使用含磷的穩(wěn)定劑和增塑劑，否則會使變色注塑制品在消色狀態(tài)時產生嚴重的殘留色。

六．  感溫變色顏料在油墨和涂料中的應用：

1.連接料(樹脂)的選擇:

1-1．連接料(樹脂)黏度和固含量對色濃度和表面光澤的影響：

調墨油中樹脂。由于變色油墨的選擇對熱敏變色油墨的色濃度和表面光澤有著十分重要的影響，這一影響對黑色墨更加顯著中顏料的含量遠高于普通油墨，如果用普通油墨的樹脂調制變色油墨會導致油墨因黏度過高而無法使用。因此，調墨時只能減少樹脂用量而增加溶劑的用量，以使油墨黏度降低。這樣所導致的后果就是：當印品的墨層干燥后，由于樹脂含量很少，不足以填平顏料之間的空隙，使得墨層表面凹凸不平沒有光澤，從而對光線形成漫反射。所以墨層表觀色濃度低而灰度高。對于黑墨來說，顯得灰而不黑。（如果將此印品表面再罩印一層透明光油，可以明顯感覺黑度提高）因此，熱敏變色油墨的調制必須使用高含固量低黏度（低聚合度或低分子量）的樹脂，這樣才能獲得良好效果。

1-2．連接料(樹脂)的種類及其光折射率與變色油墨(涂料)的色濃度和消色后透明度的關系：     

熱消色系列（R系列）變色顏料常用于印刷“遮蓋—顯示”類圖案，要求印品表面的變色墨層在發(fā)色時完全遮蓋下層圖案，在達到消色溫度后要盡量透明，使下層圖案清晰顯示。在這類用途中，如果樹脂選擇不當，遮蓋墨層消色后會產生“白霧”，使下層圖案顯示不清楚。其基本原因是所選用的樹脂與變色顏料微膠囊壁材料的光學折射率不一致所造成的。無數微膠囊分散在墨層中形成了大量的光學折射界面，就象將一塊透明玻璃粉碎后形成的白色不透明現象一樣。 適當選擇樹脂可以在很大程度上減少變色墨層內的

這種折射現象，使得消色后的墨層更加透明。一般來說，使用醇酸樹脂和丙烯酸樹脂的透明度較好，而使用聚酰胺樹脂和硝化纖維素的透明度最差。

2、溶劑的選擇和對變色性能的影響：

2-1、溶劑的光折射率對變色油墨(涂料)色濃度的影響：

變色顏料微膠囊材料的光學折射率大約在1.50—1.54之間,當溶劑的光折射率與之相同或相近時油墨的色濃度較高,例如甲苯，二甲苯和苯甲醇(其光學折射率分別是1.496，1.493和1.540 )。反之,當二者的光折射率相差較大時, 油墨的表觀色濃度較低。例如正丙醇(1.386),異丙醇(1.377),丙酮(1.359),乙酸乙酯(1.372),乙酸丁酯(1.394),乙二醇乙醚(1.392)。

但是，溶劑對變色油墨色濃度的影響是暫時的。印刷完成后，隨著墨層中溶劑的揮發(fā)，這種影響將逐漸消失。

2-2、溶劑對顏料變色性能的影響：

熱敏變色顏料對不同溶劑的耐受性各不相同,在有些溶劑中浸泡6個月也不會影響其變色性能，但另一些溶劑可以在幾小時至幾周內侵蝕微膠囊表層并滲入其內部，使顏料的變色性能褪化甚至完全消失。在溶劑揮發(fā)后，這種變色性能褪化有些是可以部分恢復的，有些是完全不可恢復的。一般來說，含有3個碳原子以下的溶劑對變色顏料的侵蝕破壞性較大，含有6個碳原子以上的溶劑對顏料的影響很小。另外，在較高的溫度下溶劑的侵蝕作用會更加明顯。以下是在20℃溫度時熱敏變色顏料浸泡于不同溶劑中至變色性能褪化所需的大致時間。

由于不同顏色及不同批號產品的耐溶劑性也不盡相同，具體數據以實測為準。以下數據僅供參考。

基于上述原因,在調配油墨和和涂料時應采取以下措施：

---盡量少用或不用C4以下醇類溶劑，而以其他溶劑代之。例如,可以使用環(huán)己酮代替丙醇。

---在必須使用丙醇等溶劑時，油墨(涂料)應隨用隨配，避免存放。

因本公司生產的變色顏料很容易在樹脂液中分散，故可將除變色顏料以外的所有油墨(涂料)組分配好，印刷前加入規(guī)定量的變色顏料，攪拌均勻后即可加入墨斗中開始印刷。也可以將除丙醇、異丙醇等之外的油墨成分配好(包括變色顏料)，臨使用前再加入規(guī)定量的上述溶劑，攪拌均勻后開始印刷。注意一次配墨量不要太多，隨用隨配，不要存放。

特別提示：油墨行業(yè)常用的成品稀釋劑/混合溶劑和某些樹脂溶液中可能含有乙醇，丙酮，丙醇等損害變色顏料性能的成分。即使其中有害成分含量極少，也會造成嚴重影響。

七、 感溫變色顏料的使用條件:

可逆感溫變色顏料本身是一個不穩(wěn)定體系（穩(wěn)定就難于變化），所以其耐光,耐熱,耐老化等性能遠不及普通顏料,在使用中應加以注意。

1、 耐光性:

感溫變色顏料的耐光性較差，在強烈陽光下暴曬下會很快褪色失效，因此其只適合在室內使用。應避免強烈陽光和紫外燈光的照射，這樣有利于延長變色顏料的使用壽命。

2、 耐熱性:

感溫變色顏料在短時間內可耐230℃高溫（10分鐘左右），可應用于注塑和高溫固化。但變色顏料在發(fā)色狀態(tài)和消色狀態(tài)時的熱穩(wěn)定性不同，前者的穩(wěn)定性高于后者。另外當溫度高于80℃時，構成變色體系的有機物也會開始降解。因此變色顏料應避免長期在高于75℃溫度下工作。

八、  感溫變色顏料的保存:

本產品應置于陰涼、干燥和全避光條件下保存。由于變色顏料在發(fā)色狀態(tài)時的穩(wěn)定性高于消色態(tài)，所以，變色溫度較低的品種應放在冷柜中保存。在上述條件下，絕大多數品種的變色顏料在儲存5年后其性能沒有明顯退化。

九、  感溫變色顏料的安全性和使用注意事項:

本公司銷售的全部變色顏料都不含汞，鉛，鉻等有毒重金屬成分，對人體皮膚也無毒無刺激性。但由于其顆粒十分細小，在空氣中形成粉塵后，很容易由呼吸道進入人體肺部沉積或進入血液循環(huán)系統(tǒng)，造成不良后果。因此在操作中應佩帶防塵口罩，橡膠手套和護目鏡。如果變色顏料不慎進入眼睛或口腔，應立即用大量清水沖洗，防止其進入人體。

根據國家有關規(guī)定，變色顏料與普通顏料一樣，其制品中含有顏料的部分，應避免直接接觸食品和飲用水。如果用于生產示溫變色的塑料餐飲器具，可采用雙層注塑工藝，變色層應位于不與食品接觸的部分。

感溫變色顏料是非易燃品，在空氣中加熱到170℃也不會自燃。但由于其顆粒極細，比表面積巨大，一旦在空氣中形成粉塵并達到一定濃度后，遇明火可能會引起爆燃。請務必謹慎操作。

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