南京理工大学
热工专题讲座课程论文
题目: 热致变材料 作者: 学号: 任课教师:
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摘要：热致变色(Thermochromism)是指一些化合物和混合物在受热或冷却时可
见吸收光谱发生变化的性质。具有热致变色特性的物质称为热致变色材料(Thermochromism materials)。热致变色材料是由变色物质加上其他辅助成分组成的功能材料，它具有颜色随温度改变的特性。其主要按组成材料的物质种类分为热致变色无机材料和热致变色有机材料或按变色方式分为可逆热致变色材料和不可逆热致变色材料。后一分类方法比较常见。
关键词： 热致变色 材料 应用 发展
1.热致变色原理
1.1 金属中的原子振动和电子跃迁
当黑色铁块加热时, 随着温度的升高, 发射光逐渐地变化, 其颜色会由黑至微红至红至黄至白。 这是由于温度的升高, 导致原子振动的加剧，从而使吸收波向长波方向移动, 使颜色发生变化。
1.2 晶格点阵扩张, 原子间距离改变, 晶体结构的变化
三价铬离子是有颜色的 , 一种三价Cr 与A l、Ga、 M g- A l、 L a-Ga 等的混合氧化物研究表明, 当加热时这些物质的颜色变化是由于离子晶格膨胀的结果。 在化合物中, 铬子占据八面体或似八面体格点阵, 温度变化时, 它与中心离子的距离发生变化而导致颜色变化。Ag2HgI4 和Cu2HgI4 的晶型在低温下是β型式的正四方体构型, 当加热时它们转变成立方体构型(即 α型) , β—α是同素异型体, 这种同素异型晶格的相互转变使颜色发生变化。
1.3 络合物配位数、 配位场、 构型的变化
(CH3)2CHNH3CuCl3 低温时含有一对称的桥二聚体的双桥型链, 其构型是一平面锥型, 升温时,则成为一个三桥链构型, 其构型为平面双锥型。 由于温度的上升配位数由5增至6。乙酰乙酸乙脂与N,N,N′ ,N″ ,N″ -五甲基二乙基三胺的Ni (Ⅱ)络合物在DMF或DMSO中低温时配位数为5, 加热时配位数为6, 颜色随之发生变化。
由水杨醛、8-氨基喹啉和氯化铜反应制得的Schiff 碱的金属络合物, 当在45℃以下时为绿色, 而加热到 45℃以上时, 成为褐色。这是由于两个氯原子组成的四元环在加热时其构象的变化和分子振动导致配位场强的变化。
六水合钴在有氯离子存在时是一个绿色的八面体构型, 加热时成为蓝色的四面体构型。
Co (H2O )2+6 (绿) + 4Cl-=CoCl2-4 (蓝) + 6H2O
[NiL2] (NO3)·2H2O (L = N -异丙基-2-甲基丙烷-1, 2-二氨)在加热时先去水然后由黄变绿, 是发生了四方平面型到八面体构型的构型互变。
此外络合物的构型互变中还有八面体到平面型等其他情况。
1.4 有机化合物中的烯醇酮式互变, 氢迁移
水杨醛席夫碱一般认为邻羟基基团的存在对于热致变色的产生是必要的和关键的。在热色性物质的两个互变异构中存在一个对温度敏感的平衡。一个是烯醇式结构, 其中键合的氢是与氧相连的, 另一个是顺式酮的结构, 其中的氢是与氮相连的。用IR、 14N NQR（核四极共振）的测试方法都证实发生了分子内的氢迁移, 平衡式如下:
trans-[P t (NH3) 2 (Etd)Cl ]2+(反式3, 8-二氨基-5-乙基-6-苯基菲啶铂氨络合物)在丙酮盐中发生的氢迁移平衡式如下:
1.5 双键位置的移动, 开环和闭环
对氨基苯基汞双硫腙盐热致变色过程的红外光谱和动力学研究表明, 发生颜色变化的主要原因是分子内双键位置的移动。
吲哚啉螺苯并吡喃类化合物如A , 加热时A 由反式苯乙烯型结构向螺环式结构转变过程如下图:
1.6 有机分子中的电子转移平衡反应
有机分子中的电子转移反应由电子给予体, 电子接受体及溶剂化合物等三部分组成的可逆热变色有机材料, 通过其电子的转移而吸收或辐射一定波长的光, 表观上便有了颜色的变化。一个典型的电子转移可逆热变色反应如:
2.热致变色材料的运用
2.1 可逆示温涂料
由于可逆热致变色化合物或混合物组分例如Ag2HgI4和Cu2HgI4分别在50℃和 68℃有明显的颜色变化, 很早就被用于机器部件过热温度的检测。 可逆示温热致变色涂料涂于被监视物表面,可长期显示其温度变化, 适宜于危险温度的监察报警或适当温度的指示。