CN115931814A - 一种船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，本发明目的是为了解决现有检测方法难以对防污涂料中的防污剂定位测量的问题。检测方法：一、以船舶用功能涂料中的防污剂作为化学标准物；二、采用拉曼光谱仪对化学标准物进行拉曼测定，确定追踪峰；三、利用拉曼光谱仪对功能涂料进行检测，对标定点进行拉曼单窗口测试，获得不同标定点的追踪峰强度；四、在海水环境中浸泡，对腐蚀后相同位置的标定点进行拉曼单窗口测试；五、基于光学原理，通过调整光学三原色RGB数值调整浓度范围，将腐蚀前后测得的追踪峰强度转化为颜色浓度信息。本发明的可视化检测方法能够实现原位置点测量，检测结果可视化程度高，防污剂动态释放前后过程直观展现。
Description
技术领域
本发明属于拉曼光谱分析检测技术领域，具体涉及一种利用拉曼光谱检测功能涂料关键组分(防污剂)动态释放的可视化方法。
背景技术
“建设海洋强国”背景下，海洋工程和国防武器等装备表面功能涂料关键组分检测是其长周期安全服役的重要保障。以防污涂料为例，该涂料的应用能很大程度上缓解生物污损的影响，通过缓慢的毒剂释放来达到消灭海洋污、损生物的目的，是最为经济高效的措施之一。其中，防污剂是防污涂料的重要组成部分，是功能实现的主体部分。防污涂料中金属防污剂动态释放是防污性能的关键基础技术。然而，目前针对防污涂料中防污剂的释放规律研究较少。
拉曼光谱法信号来源于分子的振动和转动，能够提供详细的分子振动信息，具有非破坏性和精细如“指纹”式的分辨能力，应用简单，测量迅速，重复性好，因而广泛应用于表面无损检测。不同物质分子结构不同，具有不同的拉曼特征光谱，因而可以进行物质的定性分析。目前船舶用功能涂料关键组分(防污剂)的拉曼光谱可视化表征研究较少，亟待研究解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有检测方法难以对防污涂料中的防污剂定位测量的问题，而提供一种船舶用功能涂料防污剂动态释放可视化检测方法。
本发明船舶用功能涂料防污剂动态释放可视化检测方法按照以下步骤实现：
一、以船舶用功能涂料中的防污剂作为化学标准物；
二、采用拉曼光谱仪对化学标准物进行拉曼测定，选取化学标准物中独有的化学键拉曼特征谱峰波数作为追踪峰；
三、利用拉曼光谱仪对船舶用功能涂料进行检测，在船舶用功能涂料表面选取多个标定点，相邻标定点的间距相同，对标定点进行拉曼单窗口测试，获得不同标定点的追踪峰强度；
四、在海水环境中浸泡带有标定点的船舶用功能涂料进行腐蚀处理，对腐蚀后相同位置的标定点进行拉曼单窗口测试，然后将追踪峰强度进行高斯拟合，获得更显著峰型并进行峰值统计；
五、基于光学原理，通过调整光学三原色RGB数值调整浓度范围，将步骤三腐蚀前和步骤四腐蚀后测得的追踪峰强度转化为颜色浓度信息，从而可视化防污涂料中防污剂动态释放的浓度变化。
本发明利用拉曼光谱检测防污涂料防污剂动态释放的方法，通过建立防污剂浓度-颜色关联模型以可视化其动态释放前后浓度变化。
本发明利用拉曼光谱仪对防污剂标准物进行拉曼测定，以选定防污涂料中防污剂拉曼光谱化学键特征峰位置作为防污剂追踪峰。再利用拉曼光谱对防污涂料样品进行检测，表面选取相同间距的标定点，在海水环境中浸泡进行腐蚀，腐蚀前后相同位置点进行拉曼单窗口测试，将追踪峰强度进行高斯拟合统计并将腐蚀前后追踪峰强度进行对比。将所获得的拉曼峰值信号基于光学原理转化为颜色浓度信息，以可视化形式展现防污涂料中防污剂动态释放前后浓度变化。
本发明利用拉曼光谱检测防污涂料防污剂动态释放的方法包括以下有益效果：
(1)本发明操作简单，检测样品易制作，拉曼信号收集时间短。
(2)实现原位置点测量，检测结果可视化程度高，防污剂动态释放前后过程直观展现。
(3)结合(手持)拉曼仪器能够适用于工业生产现场检测。
(4)本发明不仅可以对局部位置关键组分进行跟踪分析，还能对一定区域不同标定点在腐蚀前后进行定量可视化研究。
附图说明
图1为实施例中利用拉曼光谱测试吡啶硫酮锌标准物及防污涂料的谱图；
图2为实施例中防污涂料腐蚀前后拉曼光谱标记点位置及坐标；
图3为实施例中利用拉曼光谱测试腐蚀前后标定点追踪峰强度对比图，其中■代表腐蚀前，●代表腐蚀后；
图4为实施例中基于光学原理实现腐蚀前标定点追踪峰强度与颜色浓度转化图；
图5为实施例中基于光学原理实现腐蚀后标定点追踪峰强度与颜色浓度转化图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式利用拉曼光谱检测防污涂料防污剂动态释放的方法按照以下步骤实施：
一、以船舶用功能涂料中的防污剂作为化学标准物；
二、采用拉曼光谱仪对化学标准物进行拉曼测定，选取化学标准物中独有的化学键拉曼特征谱峰波数作为追踪峰；
三、利用拉曼光谱仪对船舶用功能涂料进行检测，在船舶用功能涂料表面选取多个标定点，相邻标定点的间距相同，对标定点进行拉曼单窗口测试，获得不同标定点的追踪峰强度；
四、在海水环境中浸泡带有标定点的船舶用功能涂料进行腐蚀处理，对腐蚀后相同位置的标定点进行拉曼单窗口测试，然后将追踪峰强度进行高斯拟合，获得更显著峰型并进行峰值统计；
五、基于光学原理，通过调整光学三原色RGB数值调整浓度范围，将步骤三腐蚀前和步骤四腐蚀后测得的追踪峰强度转化为颜色浓度信息，从而可视化防污涂料中防污剂动态释放的浓度变化。
本实施方式步骤一中防污剂追踪峰的选取标准也可通过分子模拟软件(Gaussian)确定。
本实施方式步骤二中选取化学标准物中独有的化学键拉曼特征谱峰波数作为追踪峰，即所选取的追踪峰是防污涂料中其它组分不含的拉曼谱峰。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一所述的防污剂为氧化亚铜、硫氰酸亚铜、吡啶硫酮锌或者吡啶硫酮铜。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤三中相邻标定点的间距为1～5μm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是相邻标定点的间距为1～2μm。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤四中在海水环境中浸泡带有标定点的防污涂料的时间为8～24h。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤四中在海水环境中浸泡带有标定点的防污涂料的时间为12h。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤五中追踪峰强度越高，转化的颜色越深。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤五中颜色浓度信息由光学灰度或单色颜色浓度呈现。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤五中建立拉曼信号强度-浓度关联模型以可视化其动态释放前后浓度变化，该关联模型如公式(1)所示：
I为光学系统所收集到的样品表面拉曼信号强度，K为分子的拉曼散射截面积，Φ为样品表面的激光入射功率，C代表防污剂的浓度，k、k’分别是入射光和散射光的吸收系数，Z是入射光和散射光通过的距离，h(z)光学系统的传输函数，B样品池的厚度。
本实施方式样品池是指拉曼光谱打入样品中的作用范围。
实施例：本实施例利用拉曼光谱检测防污涂料防污剂动态释放的方法按照以下步骤实施：
一、以船舶用功能涂料中的防污剂吡啶硫酮锌作为化学标准物；
二、采用Horiba Lab RAM HR Evolution拉曼光谱仪对防污剂吡啶硫酮锌标准物进行拉曼测定，拉曼测试参数设置为：采用532nm激光源，测试激光强度采用1％，扫描时长为30s，叠加次数1次；选定防污涂料中的1143±15cm-1作为防污剂追踪峰；
三、采用拉曼光谱仪对防污涂料进行检测，在防污涂料表面选取多个标定点，相邻标定点的间距为2μm，图2为防污涂料腐蚀前后拉曼光谱标记点位置及坐标，对标定点进行拉曼单窗口测试，扫描中心为1143cm-1，得到带有标定点的防污涂料；
四、在海水环境中浸泡带有标定点的防污涂料12h，腐蚀处理防污涂料，对腐蚀后相同位置的标定点进行拉曼单窗口测试，然后将追踪峰强度进行高斯拟合以获得更显著的峰型并进行峰值统计；
五、将腐蚀前后测得的追踪峰强度转化为光学灰度信息，追踪峰强度越高，转化的颜色越深，从而可视化防污涂料中防污剂动态释放的浓度变化。
本实施例中防污剂化学标准物拉曼测试条件与防污涂料的拉曼测试条件相同。
本实施例中吡啶硫酮锌标准物及防污涂料拉曼测试结果如图1所示，选定防污涂料1143±15cm-1作为追踪峰。选取标定点时为方便定位，分别在标定点左侧及下侧进行划痕定位，如图2所示。
本实施例中未经海水浸泡的标定点拉曼追踪峰强度为图3上侧曲线，经海水浸泡12h，测得标定点拉曼追踪峰强度为图3下侧曲线。根据拉曼光谱定量分析据，特征峰强度越高，吡啶硫酮锌浓度越大。将腐蚀前后追踪峰强度利用光学原理进行可视化灰度分配，图4和图5为腐蚀前后可视化结果，腐蚀后浓度降低且各点浓度更趋向于均匀，及吡啶硫酮锌在防止生物污损过程中向外界发生了缓慢扩散并在防污涂料内部发生了转移。
本实施例结合手持拉曼仪器可快速对生产现场进行分析，将测得的数据与图4进行比较，可快速定位吡啶硫酮锌浓度大小。
Claims (9)
1.船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于该防污剂动态释放可视化检测方法按照以下步骤实现：
一、以船舶用功能涂料中的防污剂作为化学标准物；
二、采用拉曼光谱仪对化学标准物进行拉曼测定，选取化学标准物中独有的化学键拉曼特征谱峰波数作为追踪峰；
三、利用拉曼光谱仪对船舶用功能涂料进行检测，在船舶用功能涂料表面选取多个标定点，相邻标定点的间距相同，对标定点进行拉曼单窗口测试，获得不同标定点的追踪峰强度；
四、在海水环境中浸泡带有标定点的船舶用功能涂料进行腐蚀处理，对腐蚀后相同位置的标定点进行拉曼单窗口测试，然后将追踪峰强度进行高斯拟合，获得更显著峰型并进行峰值统计；
五、基于光学原理，通过调整光学三原色RGB数值调整浓度范围，将步骤三腐蚀前和步骤四腐蚀后测得的追踪峰强度转化为颜色浓度信息，从而可视化防污涂料中防污剂动态释放的浓度变化。
2.根据权利要求1所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于步骤一所述的防污剂为氧化亚铜、硫氰酸亚铜、吡啶硫酮锌或者吡啶硫酮铜。
3.根据权利要求1所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于步骤三中相邻标定点的间距为1～5μm。
4.根据权利要求3所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于相邻标定点的间距为1～2μm。
5.根据权利要求1所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于步骤四中在海水环境中浸泡带有标定点的防污涂料的时间为8～24h。
6.根据权利要求5所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于步骤四中在海水环境中浸泡带有标定点的防污涂料的时间为12h。
7.根据权利要求1所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于步骤五中追踪峰强度越高，转化的颜色越深。
8.根据权利要求7所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于步骤五中颜色浓度信息由光学灰度或单色颜色浓度呈现。
9.根据权利要求1所述的船舶用功能涂料中防污剂动态释放可视化检测方法，其特征在于步骤五中建立拉曼信号强度-浓度关联模型以可视化其动态释放前后浓度变化，该关联模型如公式(1)所示：
其中I为光学系统所收集到的样品表面拉曼信号强度，K为分子的拉曼散射截面积，Φ为样品表面的激光入射功率，C代表防污剂的浓度，k、k’分别是入射光和散射光的吸收系数，Z是入射光和散射光通过的距离，h(z)光学系统的传输函数，B样品池的厚度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116678840A (zh) * | 2023-08-03 | 2023-09-01 | 腾强科技(北京)有限责任公司 | 一种水性低温耐腐蚀性涂料成分分析方法 |
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2022
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| CN116678840A (zh) * | 2023-08-03 | 2023-09-01 | 腾强科技(北京)有限责任公司 | 一种水性低温耐腐蚀性涂料成分分析方法 |
| CN116678840B (zh) * | 2023-08-03 | 2023-10-10 | 腾强科技(北京)有限责任公司 | 一种水性低温耐腐蚀性涂料成分分析方法 |
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