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<温度变色颜料>M.E. Material Report By ACTIVON GE Lab Vol. 03

  • 日期 :  

    2021.09.03
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    9


* 温度变色颜料(Thermochromic Pigment, 示温颜料)是什么?

 

1. 可逆性温度变色颜料

根据温度的变化颜色发生改变的现象叫做Thermochromism(热致变色),该现象的代表性产品是Thermochromic Pigment(热致变色颜料,示温颜料)。通过温度引起变色的原理是 微胶囊里面存在的固体形态下的溶剂温度升温后融化成液体。此时,随着代表颜色的两种物质分离,颜色消失(变为透明)。反之温度下降时则2种物质被重新组合再次显示初始颜色。 下图为温度变色颜料的原理图

<图1> Thermochromic pigment(温度变色颜料)微胶囊的原理

温度变色颜料可以把温度变色区间设定到0~70℃。 温度变色颜料在达到设定温度以上的温度区间时则颜色消失(颜色变透明,而当温度降低到设定温度以下的温度区间时颜色再次显现。由此变色特性我们可以开发多种多样的应用产品。   

2. 不可逆温度变色颜料(Hysteresis Thermochromic Pigment)

常见的热致变色颜料可是可逆的热致变色颜料。当温度上升到设定温度以上时,颜色消失,当温度下降到设定温度以下时,颜色立即出现。近期有款利用迟滞现象原理研究开发的温度变色颜料,颜色可以通过降低温度消失后重新出现。 所谓的迟滞现象是指(Hysteresis, 滞后(迟滞)现象)  在物理学中通过对某种形态下施加一定程度以上的力量时,该形态物体发生无法恢复初始形态的变化,该现象的颜色显色变化过程如下图所示。

<图2> 记忆迟滞现象效果图

如上图所示当温度超过60度以上时颜色消失,如若需要颜色重新显色则需要将温度降低到0度以下方可。因此,可以知道的是在我们日常生活中使用的温度区间(0~60℃)呈现的是不可逆颜色变化。

3. 可逆温度变色颜料和不可逆温度变色颜料的产品应用

1) 可逆温度变色颜料的产品应用

① 体育产业 : 应用于冰球,当温度高于冰点时呈紫色 à 反之变为白色时, 需要更换冰球

<图3> 2019 NHL官方冰球

2019年, PPG公司在2019 Bridgestone NHL(National Hockey League) Winter Classic大赛中选择了LCR Hallcrest作为技术合作伙伴并为大赛中所用冰球开发了温度变色涂层.。LCR Hallcrest公司是全球有名的热变色颜料的制造商, PPG则是一家生产汽车和工业涂料的全球性公司,双方公司通过对颜料和涂料的联合开发合作,可以看到该合作这将是热变色颜料应用到美国NHL大型体育产业的很好的例子。

② 室内装饰道具 : 通过对热变色马克杯表面涂层进行处理,该原理可以广泛应用于各种各样原创设计里面。

<图4> 利用温度变色颜料进行涂层处理的变色马克杯

③ 医疗发烧检查手环和发烧检查贴纸 : 随着 肺炎COVID-19 在 2019 年底在全球的突然蔓延,我们都对37.5°C这个数字变得敏感。“要怎么做才能轻松容易的确认到温度的变化呢” 购买体温计, 或者使用热变色颜料开发的热量测定项目已经开始研发上市。在可佩戴型温度传感器里添加了可逆温度变色颜料不仅可以时刻确认到人体温度变化,预计此类研究还可以把温度变色颜料的应用范围进一步扩大。

<图5> 可佩戴型温度传感器

可佩戴型温度传感器利用热变色微胶囊材料(TC-M)/或者纳米胶囊化的(NPCM) 相变物质,使用膜材料PVA(Polyvinyl alcohol 聚乙烯醇)/(water-soluble poly urethane)水溶性聚氨酯等复合材料中的高分子模型材料制作而成, 体温手环则是应用到硅胶带形态下可以即时确认到温度变化的手环类产品。

 

④ 纤维产业的应用: 用于服装上温度变色的皮革染色, 在微胶囊化的合成纤维中利用包含了热变色物质的混合棉纱制做衣服。而近期出于军服的伪装概念上也增加了热变色混合纤维的应用。

<图6>用热变色纤维纱制成的变色衣服

<图7>用热变色皮革材料制成的染色外套

从研究的角度来看,热变色颜料在纤维上的应用还有待进一步研发。将微胶囊颜料和PET混合纺织后,为了能提取纺织线的棉纱,纺织线的耐久性非常重要。在纺织品染色的情况下,染色后的水洗牢度、摩擦牢度和耐光牢度被认为是非常重要的质量因素,然而关于牢度的问题还没有得到完善的解决,技术上还有待改善。目前还属于市面上较稀少且不常见的的项目应用。

 

2) 不可逆温度变色颜料的产品应用

① 可擦笔 : 日本PILOT株式会社的摩擦球早已闻名全世界,应用摩擦热产生的热能将颜色消失不见的原理将摩擦球制成各类书写文具产品。

<图8> ActivON的MemoriON热敏可擦笔

文具墨水中的中性笔墨水,马克笔墨水,荧光马克笔墨水,铅笔等多种颜色类型书写工具,主要以水彩料的形态应用到各类书写笔,ActivON公司也是将不可逆温度变色颜料开发用在书写工具产品方面。

② 电缆终端防止过热检测 :在温度60~70℃区间是不可逆变色的,可以方便安全确认得到电缆温度是否过高,温度过高时电缆表面颜色发面改变。

电缆终端防止过热检测电帽可以作为在工业作业现场,因常见的电线过热而引起的火灾的预防项目来应用。

<图9> 防止过热检测电帽

TMC 和 LCR Hallcrest 公司主要经营开发和制造变色温度、热敏标签和温度计条等产品。与 SpotSee公司扩大温度系列产品组合以及扩展新市场的战略一致,TMC 和 LCR Hallcrest的产品开发重点也是监测与温度报告偏移。与 SpotSee 一样,TMC 和 LCR Hallcrest 产品用于广泛的生活应用之中,例如从监控医疗设备到食品运输物流,还有一般运输物流等。

因此,最近在全球市场下很多行业都尝试开发将自身产品与热变色颜料的结合起来应用。但要想其应用于可持续发展的生活中且不会对人体造成伤害,目前对人类来说还是一个大的挑战,还需要进行持续的研究和开发。

 

资料出处

1. http://pubs.rsc.org

2. https://www.hallcrest.com/news, PPG and National Hockey League Extend Exclusive Paint Partnership

3. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.077 “Facile flexible reversible thermochromic membranes based on micro/nanoencapsulated phase change materials for wearable temperature sensor, Volume 247, 1 August 2019, Pages 615-629

4.  https://www.textilesphere.com/2020/07/application-of-thermochromic-substances-in-textile-and-apparel-field.html

5. https://www.stoneisland.com/hk/

6. https://spotsee.io/

7. https://jdideas.co.kr/silicon-

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