功能性涂料及其应用

  功能性涂料及其应用 1 概述 功能性涂料是各种特殊用途涂料的总称。所谓特殊用途,是指除了防护作用以外,这类涂料 还兼有某些特别的功能,以满足被涂覆产品设计上的需要。可以说,正是一些在特殊环境里 应用的产品功能方面的需要,促进了功能性涂料的研制和开发。在有些场合,功能性涂料的 防护性能已不是其主要的用途。在现代科技进步,已经开发出的具有特殊功能的涂料,其独 特的性能使许多产品和设备的功能得以充分发挥,成为涂料工业中不可缺少的新品种。 本文拟就已经获得工业应用价值的功能性涂料分别加以介绍,供涂料工业界的同仁参考。 2 功能性涂料简介 2.1 示温涂料 在有些场合不宜采用温度计、毫伏计、辐射高温计等测量温度,而又必须随时了解设备的温 度状态,比如某些运动的机械或仪表壳体,或人体不能靠近的高温设备环境,这类设备体可 采用示温涂料。当温度升到某一范围时,涂料的颜色发生显著变化,以指示物体的温度。 示温涂料主要是由热敏颜料分散在树脂中配制而成的。 由于颜料受热达到一定温度而发生物 理或化学变化,很快明显地改变颜色,从而指示被涂复物体表面的温度。 示温涂料可分为可逆和不可逆两种。 可逆性示温涂料是指当物体达到某一温度时, 颜色发生 明显改变,当温度下降至某一温度以下时,又变回到原来的颜色。不可逆示温涂料则随温度 变化而变化,又不能再恢复到原来的颜色。 如果示温涂料在升温后只出现一种颜色变化, 称为单变示温涂料, 如果在升温过程中有两个 变色温度,则称为双变示温涂料;若出现多个变色温度,则叫做多变示温涂料。 可逆性示温涂料变色的原理,则由于热敏颜料在受热时发生晶形转变、或者 PH 值改变,或 者失去结晶水, 从而使颜色发生显著变化。 不可逆性示温涂料则是颜料发生热分解、 或升华、 固相反应等而出现新的颜色。 前者在温度下降后会恢复到原来的颜色, 后者是在温度下降后 不能恢复本来的颜色。 可逆性示温涂料常用的热敏颜料是钴、镍、与六次甲基四胺含结晶水的盐类、碘化物、碘汞 酸的金属化合物以及铝粉和适当的有机染料。不可逆性示温涂料常用的热敏颜料是铅、铬、 钴、铁、锰、钾、钠、铝、钙等的硝酸盐、硫酸盐、氯化物、硫化物和氨的复盐与铬盐,以 及钴、铜、镉、钡、镍等有机酸盐。 由镍、铁、锰、铬、铜等制备的示温涂料一般用于高温变色,温度最高可达 1300~1600℃, 而钴盐的变色温度在几十度至数百度。 视不同的络合结构和结晶水含量而不同。 示温涂料目 前在兵器、航空航天器、电机及发动机等领域都有应用。存在的问题是温度指示的准确度不 够高,约在 5℃左右。可逆性示温涂料的复原性能不够好,复原时间较长或者不能完全恢复 到起始时的状态。相信随着这些问题的解决,示温涂料的应用领域将进一步扩大。 2.2 热屏蔽涂料 热屏蔽涂料也叫烧蚀隔热涂料或消融涂料, 它是在遇有高温引起烧蚀的时候, 以自身的熔化、 蒸发、 汽化和化学分解等作用而带走表面产生的大量的热而保护机体内的仪器、 人员等不受 高温的伤害。 显然,这是主要用于航天器表面的涂料,也可用于军事、消防等工程及设备。 可以用作热屏蔽涂料的有机硅树脂、硅橡胶、酚醛树脂、聚酰胺、聚苯并噻唑、环氧树脂、 含苯醚的聚合物,尼龙和酚醛的混合物等。 有机涂料在宇宙空间具有使用周期长、容易施工、附着力和挠曲性好,红外线发射比高等优 点,但仍存在受紫外线作用降解的问题。无机涂料具有高的热稳定性、阻火性、电阻、残渣 的抗氧化性和很低的含碳量,与各种颜料有很好的混溶性,并容易获得较高的纯度。但它的 挠曲性、附着力等机械性能比较差,并需要高温固化,因而施工比较困难。 美国航天飞机在没有研制出合适的热屏蔽涂料前,是靠粘贴耐高温阻热陶瓷片来保护机体 的,但仍存在局部脱落的问题。 热屏蔽涂料对于出入,特别是重返大气层等反复使用的航天器、导弹、火箭等有重要保护作 用。它属于一次性保护涂料,在失效后,很容易重新涂复,对发射架等也有重要意义。热屏 蔽涂料也可以涂在其他涂料的表层,里层可以是表面反射涂料、转化型涂料、相变涂料等。 2.3 导电涂料 导电涂料是借助分散在涂料载体内的导电性材料来传导电流的, 载体即成膜材料本身是不导 电的,研究发现,有些聚合物本身也具有导电性或半导电性,利用这种性能也可制成聚合物 导电涂料,或称本征型导电涂料。但这类涂料在性能,成本方面都有一些问题,因而其应用 受到一定限制。目前已经获得工业应用价值的,主要是混合型导电涂料。 用作导电涂料的导电物质主要是金属粉末和石墨、 炭黑等。 采用不同的导电材料和载体可以 制成不同电阻值的导电涂料。部分导静电涂料的电阻值范围如下: 涂料组成 电阻(欧姆) 银粉、陶瓷、醇 0.003~0.005 金粉、陶瓷、芳烃 0.003~0.01 铝、 金、陶瓷、醇 0.05~0.13 银、纤维素、酮 0.01~0.03 石墨、乳胶、水 25~75 石墨、硅 酸盐、水 100~300 导电涂料的导电性能受导电材料的种类、粒子大小、填充量、分散状态以及树脂种类等的影 响很大,应该选用表 面不易生成氧化物绝缘膜的材料,其粒径越小越好。极细的超微粒子构成的导电涂料,电阻 值只有 10-2 欧姆。在同一配比情况下,片状比球状的好。当球状的电阻为 10-2 欧姆时,片 状的只有 10-4 欧姆。导电性还受导电材料的使用量影响,一般导电材料含量高,导电性就 好。不过,过多的导电物质使涂料的机械性能降低。 导电涂料的应用较广,在电子工业领域、宇宙航行工业都有广泛应用,在日用电子工业中也 有应用,在需要导静电的场合也多采用导静电涂料。 目前一个引人注目的领域是贮油容器的导静电涂覆。近十几年人们对油库火灾事故分析发 现, 油库内油罐中的积聚的静电是大部分火灾事故的重要原因。 以往采用非导电涂料作为油 罐等的防腐涂料,虽然解决了防止腐蚀引起的穿孔漏油事故,去增加了静电危害。因此,在 贮油设备,包括油罐,油管、油车,油船等进行涂覆时,必须采用导静电涂料。为此,国家 已经在 GB 13348-92《涂料石油产品静电安全规程》中规定,石油储罐必须采用导静电防腐 涂料。 近年来,我国导电涂料的开发和应用也有较快发展,已经开发出铜系、镍系、碳系等导电涂 料,用于各种防静电场合。其中武汉风帆电镀技术有限公司的 FE-8810 导静电防腐涂料, 经过市科委组织的专家鉴定,达到国内领先水平,已在石油系统推广应用。 2.4 发光涂料 人们对发光涂料并不陌生,在钟表、仪器仪表上经常可以见到。近年在装饰,公路标志和各 种饰品上也都大量采用。 发光涂料可分为萤光涂料与磷光涂料两大类。 萤光又分无机和有机两种。 涂料用颜料主要是 硫化锌和硫化镉、银。有机颜料有碱性桃红,含硫嫩光淡黄、四溴萤光曙红等。 磷光颜料分为暂时性和永久性两种。 永久性磷光涂料中需加极少量的放射性元素以产生自激 作用。 配方举例如下: (1)无机萤光涂料: (2)有机萤光涂料: (3)间歇性磷化涂料: 硫 化锌/银 10 萤光颜料 35 氯化锶 100 聚醋酸乙烯 16 40%丙烯酸树脂 46 硫酸钡 25 烃 类溶剂 84 甲苯 18 聚苯乙烯树脂 12 紫外光吸收剂 1 溶剂 60 3 其他功能性涂料 3.1 吸收低能 X 和 γ 射线的涂料 为防止在医用、仪器使用中的低能 X 和 γ 射线对人体的伤害,在安装这类仪器的场合,需 要 在天 花板, 四周 墙壁和 仪器 各部涂 刷吸收 有害 射线 的涂料 。这种 涂料 主要 是含有 70%~90%的铅化合物, 5%~25%铁化合物和 10%~20%增稠剂和 2%~10%分散剂和润湿 剂。 3.2 防雷达伪装涂料 主要用于军事工业,以防止舰船,飞机等被雷达发现。这种涂料能够吸收射入的雷达波,使 目标不致于暴露。 防雷达涂料主要由基料和填料组成。常用的基料有天然或合成橡胶、沥青、醇酸树脂等,主 要起粘合作用。填料是由特别制备的氧化铁和氧化镁等铁磁性物质组成。 与此相似的涂料品种还有:耐核辐射涂料、反紫外光伪装涂料、防火涂料、陶瓷涂料等。 3.3 生化涂料 这类涂料是在清漆类涂料中加入一些对生物有致命效力的药剂、 引诱剂等制成的, 用以杀死 一些有害的蚊虫等。可用于仓库、厂房、厨房用柜、医院等,也用于电缆的防虫蚀方面。由 于含有有害物质,在使用和涂刷中,均应注意操作安全。 4 国内外功能性涂料发展概况 随着高新技术各个产业的渗透,近十几年来,涂料工业的技术水平已有了新的发展。涂料产 品的专业化、多样化、系列化和功能化的趋势越来越明显。特别是功能性涂料在航天、军事 及国民经济各部门的应用成功, 使各务竞相开发自“拿手”的功能性涂料, 以满足市场的需要。 美国在 1991 年海湾战争中大显神通的“隐形飞机”,就是采用了防止雷达跟踪的特殊涂料。 美国在航天航空等军用功能性涂料的研制开发方面,处于领先地位。 日本开发了一种发热涂料, 不仅适用于冬季室内保温取暖, 而且还可以用于防止冰冻地带铁 轨枕木上积雪和结冰,同时也可以用于温水槽、温水管、浴室、车辆发动机和飞机副叶镜和 卫叶管的保温防寒涂装,有效防止在冬季里经常结冰发生的事故。 德国的抗生物涂料具有抗菌、杀菌、杀藻等功能,在造船、建筑装饰、油漆保存等方面均有 广泛应用,在国际上处于领先地位。 至于在民用,特别是厨房用品方面,各种抗粘厨具涂料更是近年开发的热门。为了适应食品 工业的需要,不同溶剂和不含有毒物质的水溶性涂料发展也很快。现在水性化,无溶剂化和 高固体化已是涂料工业发展的方向。 我国的涂料工业与国外发达国家相比存在较大差距。 特别是在功能性涂料的研制和生产方面 更有许多工作有待开展。随着改革开放的深入发展,现在已有不少国家如日、美、英、德、 法等都在我国建立了一些独资和合资的生产涂料的企业, 已打入我国高速发展经济下势必形 成的广阔市场。特别是汽车工业,建筑装饰业和日用品工业,对涂料的需求量日趋增大,功 能性涂料也已不仅仅局限在军事、航天等少数部门。在此形势下,加强我国功能性涂料的研 究和开发是刻不容缓的任务。 5 结语 功能性涂料和功能性电镀一样, 是社会需要和科技发展的必然产物。 随着新的使用要求的出 现,将激发科技工作 者开发出新的功能性涂料, 并对以往不够完善的功能性涂料加以改进以达到完美的程度。 相 信会有更多更好的功能性涂料问世。