Спосіб контролю якості покриттів

Спосіб контролю якості покриттів на поверхні, що включає визначення суцільності їх нанесення методом голографічної інтерферометрії, який відрізняється тим, що досліджувану поверхню розміщують в оптичному електродіалізному осередку і за відмінністю інтерференційної голограми від еталонної інтерферограми визначають якість суцільності полімерного покриття. (19) (21) a200600606 (22) 23.01.2006 (24) 25.04.2008 (46) 25.04.2008, Бюл.№ 8, 2008 р. (72) МИХАЙЛЮК ВАЛЕРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, КУЛАЛАЄВА НАТАЛЯ ВАЛЕРІЇВНА, UA, ЧЕБОТАРЬОВ ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА, UA 10.08.1973 (56) US 3744911, US 3612693, 12.10.1971 US 3644047, 22.02.1972 US 4952226, 28.08.1990 3 кількістю загальних ознак спосіб визначення характеристик покриттів, котрий включає визначення якості нанесення покриття на оброблюваний виріб з використанням голографічної інтерферометрії, прийнятий як прототип способу контролю якості покриттів, що заявляється. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу контролю якості покриттів, в якому за рахунок використання опосередкованого середовища (сольового розчину), забезпечують контроль якості полімерного покриття, що наноситься, тим самим сприяючи розширенню діапазону вимірювання контрольованих покриттів за товщиною, і завдяки цьому поліпшенню експлуатаційних характеристик контрольованих покриттів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі контролю якості покриттів, який включає визначення суцільності їхнього нанесення методом голографічної інтерферометрії згідно з винаходом досліджувану поверхню розмішують в оптичному електродіалізному осередку і за відмінністю інтерференційної голограми від еталонної інтерферографи визначають якість суцільності полімерного покриття. Застосування полімерних покриттів для надання різним видам поверхонь не властивих їм якостей (модифікація) знайшло значне розповсюдження в техніці. Це безпосередньо відноситься і до області діонізації або концентрування рідин, у тому числі і для опріснення морських, солоноватих або демінералізації жорстких прісних вод. Як засоби, що забезпечують реалізацію вказаних процесів, застосовуються електродіалізатори. Масоперенос у електродіалізаторах характеризується профілями полів концентрації солей, що генеруються в їхньому міжмембранному просторі. Розподіл солей в осередках електродіалізатора, особливо в примембранному просторі, представляє інтерес з погляду оптимізації енерговитрат електродіалізатора. Основним робочим елементом електродіалізаторів є іонітні мембрани на полімерній основі. Підвищення розділових властивостей цих елементів досягається модифікацією їх поверхонь розчинами поліелектролітів, котрі є високомолекулярними полімерами, тобто на поверхні розділових мембран наносяться полімерні покриття. Присутність на поверхні мембрани високомолекулярних полімерів, якими є поліелектроліти, вносить істотне корегування в розподіл полів концентрації солей і форму їх профілів. Таким чином, інформація про розподіл солей в примембранному шарі може бути використана для контролю якості вище було Для реалізації наведеного (суцільності) розроблено спеціальний на мембрану. нанесення поліелектролітустенд (Фіг.1), у складі: лазерного оптичного блоку, робочого оптичного електродіалізного осередку, баків з модельним розчином і зм'якшеною водою. За допомогою даного стенду було виконано аналіз зміни форми профілів концентрацій солей, що генеруються в робочому оптичному електродіалізному осередку, залежно від типу мембрани (з нанесеним 82527 4 покриттям або без нього) і експлуатаційного режиму. Технологія електродіалізного контролю суцільності полімерних покриттів на діелектричному носії (армуючою тканиною дослідженої іонітної мембрани є капрон, а іоніт виготовляється з іонообмінної смоли) заснована на тому, що в електричному полі катіони розчинених у воді солей рухаються до зануреного у воду, яка знесолюється, катода, а аніони - до анода. Проте, якщо в розчин електроліту (у простому випадку - в розчин хлориду натрію) помістити електроди та під'єднати їх до джерела живлення постійного струму, то при проходженні струму зниження концентрації солей у воді не відбудеться, оскільки продукти електродних реакцій на катоді та аноді в розчині взаємодіятимуть між собою. Якщо ж розділити міжелектродний простір напівпроникними (тобто проникними тільки для іонів одного знаку іоноселективними) мембранами, причому площини мембран встановити перпендикулярно напряму електричного поля, то концентрація солей в модельному розчині знижуватиметься. Робочий оптичний електродіалізний осередок стенду був 3-камерною (або 3-осередковою) конструкцією, в якій простір між катодом і анодом було розділено катіонітною та аніонітною мембранами на 3 частини - камери католіту, аноліту, та знесолення, причому катіонітна мембрана, розміщена з боку катода, формувала камеру католіту, аніонітна з боку анода - камеру католіту. У камері знесолення прямувала модельна вода, що містила, наприклад, катіони натрію, кальцію і магнію та аніони хлору, сульфатів і бікарбонатів. З під'єднанням електродів до джерела живлення постійного струму катіони під впливом електричного поля переходили з камери знесолення через катіонітну мембрану в приелектродну - камеру католіту, а аніони - через аніонітну мембрану - в камеру аноліту, а модельний розчин в середній камері знесолювався. Іони, що перейшли в приелектродний простір, розряджалися на електродах з утворенням на катоді газоподібного водню, а на аноді - газоподібного кисню та хлору. У камері католіту накопичувалися гідроксиди металів, а в камері аноліту - розчини кислот. Робочий оптичний електродіалізний осередок розміщувався в скляному прозорому корпусі розміром 58×108×16мм, де і встановлювалися контрольовані зразки мембран. При випробуваннях застосовувалися мембрани МК-40 без покриття та МК-40МОД з полімерним покриттям у вигляді поліакриламіду. Вода з бака з модельним розчином за допомогою насоса поступала в робочий оптичний електродіалізний осередок, після чого зливалася в бак зм'якшеної води. При цьому, реєструвалися об'єм води, яка проходила скрізь осередок, сила і напруга струму, що подавався на електроди. Параметри робочої ділянки складали 100×50×6мм. При поданні електричного струму в робочий оптичний електродіалізний осередок зі встановленою немодифікованною мембраною спостерігалося зрушення поля концентрації солей в протилежну 5 від мембрани сторону. Це відбувалося за рахунок різниці швидкостей проходження іонів через мембрану і розчин (перша значно вище, ніж друга), що і спричиняло утворення дистилятного дифузійного шару у поверхні мембрани, тоді як на модифікованих мембранах цього не відбувалося. Оскільки загальноприйняті контактні методи не дозволяли визначити градієнт профілів концентрації солей в робочому оптичному електродіалізному осередку, для контролю суцільності нанесення (посадки) покриття на поверхню випробовуваного зразка мембрани було використано безконтактний метод голографічної інтерферометри, а саме, метод реального часу в смугах кінцевої ширини, який дав позитивні результати [Антонов Е.А., Гинзбург В.М. Оптическая голография. - Μ.: Соврадио, 1978. 240с.]. Суть способу контролю якості полімерних покриттів шляхом контролю їх суцільності полягає в наступному. За рахунок дії когерентного електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, яке вироблялося в лазерному блоці, на фотопластині фіксувався початковий стан робочого оптичного електродіалізного осередку, при течії рідини та відсутності електричного струму. Потім наочний пучок повертався на невеликий кут φ, що приводило до виникнення системи інтерференційних опорних смуг, званих смугами кінцевої ширини [Вэст. Ч. Голографическая интерферометрия. - Μ.: Мир, 1981. - 350с.]. При поданні напруги на електроди в робочому оптичному електродіалізному осередку починався процес перенесення іонів. Зміна системи опорних смуг спостерігалася через голограму і фіксувалася цифровою кінокамерою. Під час першої експозиції спостерігався рівномірний розподіл концентрацій солей по перетину осередка і однаковий показник заломлення n0 . При повороті наочного пучка на кут φ з'являлася додаткова оптична різниця ходу ΔΦ між наочним і опорним пучками. У загальному випадку різниця ходу є функцією координат ΔΦ=ΔΦ(x,у,z). Систему координат вибрано так, що наочний пучок був паралельний осі z і нахил наочного променя перед другою експозицією здійснювався в площині zоу. Тоді ΔΦ=[n(у)-n0]dz, де n(у) - функція розподілу коефіцієнта заломлення перед другою експозицією. Отже ΔΦ=[n(у)-n0]+I, де І - довжина осередку по ходу наочного променя; [n(у)-n0], l=N,l; I - довжина хвилі випромінювання; n0 - показник заломлення. Якщо різниця ходу наочного і опорного пучків кратна цілій довжині хвилі (Ν=0, 1, 2, 3,...,n), на інтерферограмі генерувалася світла смуга; якщо вона кратна половині довжини хвилі (N=0,5; 1,5; 2,5;...;n+0,5) темна смуга. В процесі електродіалізу в початковій системі за рахунок зміни концентрації відбувалася трансформація смуг і, відповідно, коефіцієнта заломлення. Для визначення концентрації солі в якій-небудь точці осередку, оцінювалася зміна коефіцієнта заломлення: Δnс=(NC-N)l/l 82527 6 де N і NC - номери смуг відповідно до початку і під час процесу електродіалізу в даній точці осередку. Шукана концентрація визначалася як: CX=C0-Δn0k-1, де C0 - концентрація розчину на вході в робочий осередок мг/л; к-1 - зворотна величина нахилу тарировочної прямої, що є залежністю коефіцієнта заломлення від концентрації [Ляликов Ю.С. Физико-химические методи анализа. - Μ. Химия, 1974. - 231с.]. Залежність коефіцієнта заломлення від концентрації солі описувалася функцією Δn=0,206261210-3С-0,143364210-4, з урахуванням похибки за температурою ΤΔn=0,156724310-4. Пропонований спосіб контролю якості полімерних покриттів у порівнянні із способом прототипом дозволяє розширити діапазон контрольованих покриттів за товщиною до 0,5...0,05мкм, тобто контролювати суцільність покриттів з товщиною на білямолекулярному рівні. На рисунку Фіг.1 представлений стенд для реалізації способу контролю якості полімерних покриттів шляхом визначення їх суцільності безконтактним способом за допомогою голографічної інтерферометри, а саме - методом реального часу в смугах кінцевої ширини. На Фіг.2 - інтерферограми розподілу полів концентрації солей в робочому оптичному електродіалізному осередку стенду. До складу стенду (Фіг.1) входять: газовий лазер ЛГ-38 1 з набором дзеркал 2, лінз 3, світловідділювач 4, для генерування наочного 5 і опорного 6 пучків когерентного випромінювання, матовий екран 7, фотопластина 8, цифрова кінокамера 9, робочий оптичний електродіалізний осередок 10 з встановленим досліджуваним зразком мембрани 11, постачений електродами 12 і блоком живлення 13, баки з модельним розчином 14 та зм'якшеною водою 15, насос 16. Пропонований спосіб реалізується таким чином. Газовий оптичний квантовий генератор безперервної дії 1, типу ЛГ-38 виробляв когерентне випромінювання, яке за допомогою набору дзеркал 2, і світловідділювача 4, трансформувалось у наочний 5 та опорний 6 пучки когерентного випромінювання, що поступали на лінзи 3, і далі на робочий оптичний електродіалізний осередок 10, потім на фотопластину 7, де фіксувався початковий стан робочого оптичного електродіалізного осередку 10, при проходженні через нього модельного розчину у відсутності електричного струму. Потім наочний пучок 5 повертався на невеликий кут φ, що приводило до виникнення системи інтерференційних опорних смуг, які фіксувалися через матовий екран 8 цифровою кінокамерою 9. Через робочий оптичний електродіалізний осередок 10 зі встановленими електродами 12, між якими розміщувалися випробовувані зразки мембран 11 з покриттям і без нього, насосом 16, прокачувався з бака 14 модельний розчин. Знесолена вода з робочого оптичного електродіалізного осередку 10 поступала в бак 15 із зм'якшеною водою. Одержані у вигляді інтерферограм (Фіг.2). профілі концентрацій солей в примембранному шарі немодифікованих (МК-40) 7 82527 і модифікованих (МК-40МОД) мембран 11 в робочому оптичному електродіалізному осередку 10 при концентраціях 15г/л NaCI в діапазоні напруг 0...20В і витрат модельного розчину 3...10л/ч., порівнювалися з еталонною інтерферограмою і аналізувалися. На інтерферограмі спостерігалася зміна форми інтерференційних смуг (на мал. 2а рівні, 2б, 2в - зігнуті) за рахунок зміни (збільшення або зменшення) градієнту концентрації NaCI. Зміна конфігурації інтерференційних смуг, яка свідчить про зміни профілів полів концентрації солей, котрі генеруються в робочому оптичному електродіалізному осередку 10, від початкового стану (Фіг.2а) перед поданням напруги на електроди 12 зі встановленими МК-40 і МК-40МОД 11, після подання напруги, при включенні останніх в роботу і утворенні дистилятного шару у поверхні мембрани МК-40 (Фіг.2б), а також відсутність його у поверхні МК-40МОД (Фіг.2в) свідчить про вплив нанесеного полімерного покриття. Причому, якщо покриття нанесене неякісно, тобто є вільні ділянки (острівці), на поверхні мембрани 11, то в цих місцях спостерігається зменшення градієнта концентрацій солей і наявність примембранного дистилятного дифузійного шару. Останнє приводить до необхідності підвищення робочої напруги на електродах 12 і, відповідно до зростання енерговтрат. Результати аналізу наведених інтерферограм дозволили судити про якість нанесення (посадки) покриття на діелектричний носій (поліакриламід) на поверхню Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 мембрани 11 і відповідно впливі його сегментів на зміну концентраційної поляризації в примембранному шарі МК-40МОД. Як видно з Фіг.2б у примембранному шарі концентрація солей змінюється (падає) сильніше за відносне падіння концентрації по всій довжині осередку, тому і утворюється примембранний дистилятний шар, який має значний електричний опір. У примембранному шарі модифікованої мембрани 11 Фіг.2в спостерігається протилежний ефект концентрація вирівнюється і приходить до середньої величини, тобто дистилятний шар не утворюється. Появи ж ділянок дистилятного шару в примембранному просторі МК-40МОД свідчить про неякісне нанесення покриття. Таким чином можливо контролювати суцільність нанесення (посадки) полімерного покриття (зокрема поліакриламіду та його похідних) на діелектричний носій (іонообмінну мембрану). Повертаючи мембрану 11 в площині кріплення, наприклад на 90°, можна при подальших вимірюваннях визначити форму плями несуцільності. Застосування пропонованого способу контролю суцільності полімерних покриттів дозволяє в порівнянні з прототипом на 3...4 порядки розширити діапазон вимірювання контрольованих покриттів за товщиною і таким чином контролювати суцільність покриттів з товщиною на білямолекулярному та молекулярному рівнях. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601