PL232279B1 - Sposób nieinwazyjnego pomiaru grubości powłok powierzchniowych - Google Patents

Abstract

Zgłoszenie dotyczy sposobu nieinwazyjnego pomiaru grubości powłok powierzchniowych. Sposób ten polega na tym, że do pokrycia dowolnej powierzchni stosuje się materiał powłokowy zawierający jako dodatek znaczniki wykazujące fotoluminescencję, a następnie naniesioną powłokę poddaje się naświetleniu promieniowaniem o długości fali dobranej odpowiednio do zastosowanego znacznika fotoluminescencyjnego, po czym dokonuje się zliczania znaczników fotoluminescencyjnych widocznych w powłoce na określonej powierzchni, przy czym pomiar realizuje się za pomocą detektora wyposażonego w układ optyczny o odpowiednim powiększeniu oraz źródło wzbudzenia o odpowiednim zakresie, a grubość powłoki powierzchniowej wyznacza się w oparciu o dane kalibracyjne, ponieważ grubość powłoki powierzchniowej jest proporcjonalna do ilości znaczników fotoluminescencyjnych widocznych w naniesionej powłoce, przy założeniu stałego stężenia znaczników w materiale powłokowym. Korzystnie zawartość znaczników w materiale powłokowym stanowi 0,001 - 5% wagowych, korzystnie 0,01 - 1% wagowych. Znaczniki fotoluminescencyjne wzbudzane są promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 250 - 700 nm, korzystnie 300 - 600 nm i wykazują fotoluminescencję w zakresie 300 - 800 nm, korzystnie w zakresie 350 - 700 nm. Stosowane znaczniki fotoluminescencyjne są nierozpuszczalne w materiale powłokowym i/lub nierozpuszczalna jest w nim matryca, do której znaczniki są wprowadzone. Odpowiednie zdyspergowanie znaczników w powłoce powierzchniowej, niewielkie rozmiary cząstek znaczników oraz ich niskie stężenie w materiale powłokowym powodują, że znaczniki są niewidzialne dla oka ludzkiego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób nieinwazyjnego pomiaru grubości powłok powierzchniowych, wykonanych za pomocą ciekłych lub stałych materiałów powłokotwórczych, takich jak wyroby lakiernicze (alkidowe, ftalowe, chlorokauczukowe, poliwinylowe, epoksydowe, poliestrowe, poliuretanowe, akrylowe, silikonowe itp.), emalie, farby, emulsje, bejce, lakierobejce, impregnaty, żywice chemoutwardzalne i termo-utwardzalne, podkłady, grunty itp. Wynalazek znajduje zastosowanie przy aplikacji barwnych lub bezbarwnych materiałów powłokotwórczych na podłoża wykonane z dowolnych materiałów o różnorodnych właściwościach.

Grubość nałożonej powłoki powierzchniowej ma istotne znaczenie przy planowaniu kosztów inwestycji i określeniu trwałości całego systemu malarskiego. Zbyt cienka powłoka nie posiada wystarczającej trwałości oraz nie zapewnia skutecznej ochrony malowanej powierzchni przed korozją. Z drugiej strony nałożenie zbyt grubej powłoki, nie tylko niepotrzebnie podnosi koszty procesu malowania, ale również powoduje pogorszenie jakości powłoki poprzez np. powstawanie pęcherzy i zacieków.

Pożądaną grubość warstwy powłoki powierzchniowej uzyskuje się poprzez odpowiednie dozowanie materiału powłokotwórczego np. poprzez ustawienie parametrów dysz nanoszących lakier (ilość farby, wielkość kropel itp.), zastosowanie farby o odpowiedniej lepkości (rozcieńczanie). Kontrolę grubości otrzymywanych powłok zapewnia także dobór innych parametrów procesu lakierowania np. siły oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy lakierowaną powierzchnią i cząsteczkami farby, w przypadku lakierowania proszkowego lub prędkości transportu podłoża w trakcie nanoszenia powłoki.

W przypadku lakierowania powierzchni metalowych w celu ich zabezpieczenia przed korozją optymalna grubość powłoki lakierniczej mieści się w zakresie 20-100 μm. Podczas procesu lakierowania zdarza się, że niepoprawnie prowadzona aplikacja lakieru powoduje zbyt duże zużycie surowca, w przypadku uzyskania powłoki grubszej niż zakładana. Dodatkowo, naniesiona w ten sposób powłoka często wykazuje defekty spowodowane powstawaniem pęcherzy i zacieków. Niejednokrotnie też, źle prowadzona aplikacja lakieru prowadzi do otrzymania powłok o mniejszej grubości niż zakładana.

Znane są nieinwazyjne sposoby pomiaru grubości powłok powierzchniowych. Metody te są jednak ograniczone do pomiaru grubości powłok na podłożach metalicznych, takich jak stal, stal ocynkowana, miedź, niektóre stopy aluminium itp. Działanie handlowo dostępnych, nieinwazyjnych grubościomierzy oparte jest na pomiarze odpowiednich własności fizycznych (np. magnetycznych, elektrycznych, przewodnictwa cieplnego lub pochłaniania promieniowania jonizującego), których wartości są uzależnione od odległości sondy pomiarowej od powierzchni pokrytej powłoką. Duża różnorodność materiałów powłokotwórczych przy uwzględnieniu wielu rodzajów podłoża sprawia, że pomiar grubości naniesionych powłok wymaga stosowania rożnych metod. Właściwości fizyczne powłoki oraz podłoża decydują o wyborze typu przyrządu do pomiaru grubości powłoki. Wśród podstawowych metod nieniszczącego pomiaru grubości powłok należy wymienić metodę magnetyczną, metodę elektromagnetyczną, metodę prądów wirowych, metodę ultradźwiękową i metody radiometryczne (β-odbiciowa, fluorescencji promieniowania X). Wszystkie powyższe metody pomiaru to metody porównawcze, a same pomiary mają charakter względny. Niezależnie od rodzaju metody i typu warstwomierza, przed przystąpieniem do pomiarów należy dokonać kalibracji przyrządu. Początek obranego zakresu pomiarowego wzorcuje się stosując płytkę o powierzchni niepokrytej powłoką, a koniec zakresu pomiarowego stosując wzorzec o zdefiniowanej grubości powłoki (np. płytka z powłoką wzorcową lub płytka pokryta folią wzorcową).

Pomiar grubości powłok metodą magnetyczną ma zastosowanie tylko do powłok niemagnetycznych naniesionych na podłoża o charakterze magnetycznym. Metoda prądów wirowych ma zastosowanie do pomiarów grubości powłok nieprzewodzących naniesionych na podłoża wykonane z materiałów przewodzących i niemagnetycznych. Metodę radiometryczną stosuje się do pomiaru średniej lub miejscowej grubości powłok wykonanych z materiałów o znanym składzie chemicznym. Pomiar grubości powłok metodą β-odbiciową polega na wykorzystaniu zmiany intensywności odbijania promieni β przez rożne materiały. Pomiar grubości powłok z wykorzystaniem mierników ultradźwiękowych oparty jest na wyznaczeniu czasu niezbędnego do przejścia krótkotrwałego impulsu ultradźwiękowego emitowanego z przetwornika przez grubość powłoki, następnie jego odbiciu od podłoża i powrotu do sondy pomiarowej. Grubość powłoki obliczana jest na podstawie prędkości fali dźwiękowej w badanym materiale powłoki, czasu przejścia impulsu oraz ilości impulsów. Wyżej wymienione metody posiadają ograniczenia w zakresie minimalnej grubości podłoża, minimalnej wielkości, kształtu, a także chropowatości powierzchni obiektów, na których przeprowadza się pomiar. Metody te umożliwiają pomiar sumarycznej grubości całej powłoki, nie ma możliwości pomiaru tylko jednej warstwy w powłokach wielowarstwowych.

PL 232 279 B1

Znane są również niszczące metody pomiaru grubości warstw lakierniczych. Wśród nich należy wymienić metody elektrochemiczne (kulometryczne), metody chemiczne (całkowitego rozpuszczania, kroplowe, strumieniowe) oraz metody mechaniczne (mikroskopowe, profilometryczne). Metody niszczące nie są brane pod uwagę podczas prowadzenia pomiarów kontrolnych na gotowym produkcie. Metody te mają destrukcyjny charakter i nie są możliwe do zastosowania w trybie ciągłym.

Niszcząca metoda pomiaru grubości powłoki z zastosowaniem nacięcia klinowego znajduje zastosowanie we wszystkich układach powłoka-podłoże. Szczególnie popularna jest w przypadku powłok wielowarstwowych, pod warunkiem, że warstwy w znaczny sposób różnią się od siebie. Metoda nacięcia klinowego wymaga użycia odpowiedniego przecinaka i mikroskopu optycznego o powiększeniu około 50x z urządzeniem oświetleniowym. Pomiar polega na wykonaniu nacięcia warstwy powłoki aż do materiału podłoża. Za pomocą mikroskopu należy dokonać pomiaru rzutu połowy wysokości wykonanego nacięcia i w oparciu o wzory matematyczne obliczyć grubość poszczególnych warstw.

Znana jest metoda pomiaru aplikacji lakieru zapachowego polegająca na zastosowaniu dodatków do lakieru, które są widzialne w świetle UV (PL 225091 B1). Zawartość dodatku w lakierze wynosi 40 000-500 000 szt./mm³, co odpowiada stężeniu w zakresie 0,5-10%. Stosuje się ziarna znacznika o różnym kształcie i wielkości 0,1-50 μm. Lakier ze znacznikami poddaje się homogenizowaniu, a następnie odbija się wydruki wzorcowe. Wydruki poddaje naświetleniu i badaniu przy pomocy mikroskopu o powiększeniu 100-500 krotnym, przy pomocy którego prowadzi się zliczenia widocznych świecących cząstek pigmentu. Sposób ten zapewnia bezinwazyjny sposób prowadzenia pomiaru, jednak może prowadzić do błędnych odczytów ze względu na zastosowanie cząstek znacznika o różnym kształcie i rozmiarze.

Zastosowanie klasycznych metod pomiaru grubości powłok powierzchniowych, opisanych powyżej pozwala jedynie na przeprowadzenie wyrywkowej kontroli aplikacji lakieru. Nie jest znana nieinwazyjna metoda pomiaru grubości powłok powierzchniowych, umożliwiająca prowadzenie pomiarów w trybie ciągłym, w sposób bezkontaktowy oraz na tyle uniwersalna, że ma zastosowanie do wszystkich rodzajów materiałów powłokotwórczych i wszystkich rodzajów podłoża.

Ponadto, z publikacji patentowej nr US 2010/019170 A1 znany jest sposób nieinwazyjnego trójwymiarowego obrazowania z wykorzystaniem medium, którego naświetlanie wywołuje emisję promieniowania fluorescencyjnego. W wyniku pomiaru wartości tego promieniowania za pomocą detektora i przetwarzania otrzymanych danych można określić odległość obrazowanej powierzchni od detektora w różnych kontekstach obrazowania, tj. określić grubość warstwy tego medium między detektorem a tą powierzchnią i na tej podstawie odtworzyć jej kształt. Jednocześnie, w publikacji nr WO 2007/106512 A2 ujawniono możliwość uwierzytelnienia autentyczności wyrobu na podstawie analizy rejestrowanych sygnałów pochodzących od mikrocząstek z zakodowaną informacją uwierzytelniającą równomiernie rozproszonych w co najmniej jednej warstwie pokrywającej wyrób. Jednakże, zastosowanie opisanej wyżej metody trójwymiarowego obrazowania do badania powłoki nałożonej w sposób trwały na wyrób o znanym ukształtowaniu powierzchni, jest nazbyt skomplikowane i długotrwałe, a zatem również zbyt kosztowne, aby mogło być wykorzystane do prowadzenia pomiarów w sposób bezkontaktowy i w trybie ciągłym, nawet jeśli rejestrowane i przetwarzane promieniowanie pochodziłoby od mikrocząstek rozproszonych w badanym ośrodku.

Sposób pomiaru grubości powłok powierzchniowych według wynalazku rozwiązuje niedogodności znane ze stanu techniki.

Istota wynalazku

Sposób nieinwazyjnego pomiaru grubości powłok powierzchniowych, polegający na analizie fluorescencyjnej odpowiedzi powłoki powierzchniowej z materiału zawierającego dodatek znaczników fotoluminescencyjnych, po jej naświetleniu promieniowaniem o długości fali dobranej do zastosowanego znacznika fotoluminescencyjnego, obejmujący zliczenie znaczników fotoluminescencyjnych, widocznych w powłoce na określonej powierzchni, przy czym pomiar realizuje się za pomocą detektora wyposażonego w układ optyczny o odpowiednim powiększeniu oraz w źródło wzbudzenia o odpowiednim zakresie, według wynalazku polega na tym, że stosuje się stałe stężenie znaczników fotoluminescencyjnych w materiale powłokowym i wyznacza się grubość powłoki powierzchniowej w oparciu o dane kalibracyjne i proporcjonalną zależność grubości powłoki powierzchniowej do ilości znaczników fotoluminescencyjnych, widocznych na powierzchni poddawanej analizie w naniesionej powłoce, zaś zastosowane znaczniki fotoluminescencyjne:

PL 232 279 B1

- są nierozpuszczalne w materiale powłokowym,

- mają zdefiniowany rozmiar, który zawiera się, w zależności od potrzeb i rodzaju, w zakresie 0,1-100 gm, korzystnie 0,5-50 gm, najkorzystniej 1-20 gm i korzystnie charakteryzują się wysoką sferycznością oraz monodyspersyjnością,

- są równomiernie rozproszone w całej objętości materiału powłokowego w procesie dyspergowania,

- mają postać organicznych lub nieorganicznych związków fotoluminescencyjnych wprowadzonych do matrycy nierozpuszczalnej w materiale powłokowym, przy czym matryca ta wykonana jest z materiału nieorganicznego lub polimerowego, pochodzenia naturalnego lub syntetycznego.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku, matryca wykonana jest z dowolnego tworzywa sztucznego, najkorzystniej polietylenu, polipropylenu, poli(tetrafluoroetylenu), poli(chlorku winylu), poliakrylonitrylu, polimetakrylanu metylu), polistyrenu, polieterów, w tym polioksometylenu, poliestrów, w tym m.in. poli(tereftalanu etylenu), poli(tereftalanu butylenu), poliwęglanów, poliamidów, w tym m.in. PA 6, PA 66, PA 11, PA 12 itp., poliuretanów, polilaktydów, a także kopolimerów wyżej wymienionych tworzyw, korzystnie poli(styren-co-akrylonitrylu), poli(akrylonitryl-co-butadien-co-styrenu), lub żywic, korzystnie epoksydowych, poliestrowych, mocznikowo-formaldehydowych, melaminowo-formaldehydowych, fenolowo-formaldehydowych.

Alternatywnie, matryca wykonana jest z polimerów pochodzenia naturalnego, korzystnie celulozy, hemicelulozy, ligniny, chityny, skrobi, pektyny, kauczuków naturalnych lub polimerów białkowych, występujących m.in. w wełnie i jedwabiu, a także zmodyfikowanych chemicznie wyżej wymienionych polimerów, korzystnie z wiskozy, bądź z surowców nieorganicznych lub mineralnych, korzystnie ze szkła, metali oraz ich stopów, tlenków, węglików, krzemianów, glinokrzemianów, korundu, węgla, grafitu, boru oraz bazaltu.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku zawartość znaczników fotoluminescencyjnych w materiale powłokowym wynosi 0,001-5% wagowych, korzystnie 0,01-1% wagowych.

W sposobie według wynalazku znaczniki fotoluminescencyjne wzbudzane są promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 250-700 nm, korzystnie 300-600 nm i wykazują fotoluminescencję w zakresie 300-800 nm, korzystnie w zakresie 350-700 nm.

Zgodnie z wynalazkiem, kalibrację detektora prowadzi się poprzez wstępne zbadanie odpowiedzi fotoluminescencyjnej reprezentatywnej ilości próbek powierzchni pokrytych powłoką, po czym próbki poddaje się pomiarom grubości poszczególnych warstw z wykorzystaniem metody nacięcia klinowego, a uzyskane w ten sposób dane służą do wyznaczenia ilościowej zależności pomiędzy ilością zarejestrowanych przez detektor znaczników fotoluminescencyjnych, a grubością warstwy powierzchniowej.

Sposób nieinwazyjnego pomiaru grubości powłok powierzchniowych według wynalazku został szczegółowo opisany poniżej, z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia powierzchnię stalową pokrytą materiałem powłokowym z przykładu 1. Zdjęcie wykonano przy użyciu mikroskopu optycznego z przystawką do epifluorescencji; filtr B (exc. 460-490 nm, trans. 520 nm); x200.

Fig. 2 przedstawia powierzchnię tworzywa sztucznego ABS pokrytego materiałem powłokowym z przykładu 5. Zdjęcie wykonano przy użyciu mikroskopu optycznego z przystawką do epifluorescencji; filtr UV (exc. 320-380 nm, trans. 420 nm); x200.

Szczegółowy opis wynalazku

Obecny sposób nieinwazyjnego pomiaru grubości powłok powierzchniowych, pozwala na prowadzenie pomiaru grubości warstwy powierzchniowej, nałożonej na podłoża wykonane z dowolnych materiałów o różnych właściwościach (metaliczne, niemetaliczne, magnetyczne i niemagnetyczne, przewodzące i nieprzewodzące, naturalne i syntetyczne, itp.), ponieważ nie wykorzystuje oddziaływania detektora z podłożem, a jedynie właściwości odpowiednio przygotowanej powłoki powierzchniowej. Zgodnie z wynalazkiem mierzy się grubość powłok powierzchniowych, wykonanych za pomocą ciekłych lub stałych materiałów powłokotwórczych, takich jak wyroby lakiernicze (alkidowe, ftalowe, chlorokauczukowe, poliwinylowe, epoksydowe, poliestrowe, poliuretanowe, akrylowe, silikonowe itp.), emalie, farby, emulsje, bejce, lakierobejce, impregnaty, żywice chemoutwardzalne i termoutwardzalne, podkłady, grunty itp. Pomiar sposobem według wynalazku jest szybki, nieinwazyjny i bezkontaktowy oraz nie pozostawia żadnych śladów na badanej powierzchni. Sposób według wynalazku może być wykorzystywany do badania grubości powłok powierzchniowych, np. warstw ochronnych na gotowych produktach.

PL 232 279 B1

Sposób według wynalazku pozwala na prowadzenie pomiarów w trybie ciągłym na linii przemysłowej nawet w przypadku powłok wielowarstwowych, z możliwością określenia grubości sumarycznej wszystkich powłok oraz grubości każdej powłoki osobno. Sposób według wynalazku pozwala na optymalizację procesu nanoszenia powłok i weryfikację grubości warstwy powierzchniowej na linii produkcyjnej, a tym samym umożliwia automatyczny dobór parametrów procesu nanoszenia powłoki w celu uzyskania pożądanej jej grubości. Czynnik ten może wpłynąć na poprawę jakości nanoszonych powłok powierzchniowych oraz pozwoli zredukować koszty wynikające ze zbyt dużego zużycia materiału powłokotwórczego.

Sposób według wynalazku polega na wykorzystaniu znaczników fotoluminescencyjnych stanowiących domieszkę do materiału powłokotwórczego, które to znaczniki wykazują fotoluminescencję po wzbudzeniu światłem o odpowiedniej długości fali. Odpowiednie zdyspergowanie znaczników w powłoce powierzchniowej, niewielkie rozmiary cząstek znaczników oraz ich niskie stężenie w materiale powłokowym powodują, że znaczniki są niewidzialne dla oka ludzkiego. Fotoluminescencja znaczników obserwowana jest w zakresie światła widzialnego, w zakresie 300-800 nm, korzystnie w zakresie 350-700 nm, po wzbudzeniu światłem o długości fali 250-700 nm, korzystnie 300-600 nm.

Odpowiednio dobrane znaczniki fotoluminescencyjne oraz zoptymalizowana metoda ich zliczania umożliwiają nieinwazyjny pomiar grubości nakładanych powłok, takich jak kleje, lakiery, farby, tworzywa sztuczne itp. Technologia tego typu znajduje zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie niemożliwe jest zastosowanie tradycyjnych grubościomierzy (powierzchniowe warstwy ochronne na podłożach niemetalicznych) lub kiedy pomiar grubości powłoki jest czasochłonny albo wymaga drogiej i skomplikowanej aparatury.

Pomiar grubości warstwy powierzchniowej, zgodnie ze sposobem według wynalazku, polega na analizie jakościowej oraz ilościowej znaczników fotoluminescencyjnych wprowadzonych do materiału powłokowego przed jego aplikacją. Znaczniki stosowane w technologii są bezpieczne pod względem toksykologicznym i ekologicznym oraz łatwo dyspergują się w materiałach powłokotwórczych różnego rodzaju. Znaczniki dodawane są do powłok w niewielkim stężeniu, w zakresie 0,001-5,000% wagowych, korzystnie 0,01-1,00% wagowych i nie wpływają na parametry fizykochemiczne materiałów powłokowych oraz powłok po ich naniesieniu na podłoże.

Znaczniki wprowadzone do materiału powłokowego, przykładowo lakieru, zostają równomiernie rozprowadzone w całej jego objętości w procesie dyspergowania. Wprowadzanie znaczników zachodzi podczas procesu produkcji materiału powłokowego lub w trakcie oddzielnej operacji poprzez dodanie odmierzonej ilości znacznika do odpowiedniej objętości materiału powłokowego, a następnie dokładną homogenizację uzyskanej mieszaniny przy użyciu np. mieszadeł, homogenizatorów mechanicznych lub ultradźwiękowych.

Naniesioną powłokę powierzchniową poddaje się naświetleniu promieniowaniem o długości fali, odpowiednio dobranej do zastosowanego znacznika fotoluminescencyjnego, po czym dokonuje się zliczania znaczników fotoluminescencyjnych widocznych w powłoce na określonej powierzchni. Pomiar realizuje się za pomocą detektora wyposażonego w układ optyczny o odpowiednim powiększeniu oraz źródło wzbudzenia o odpowiednim zakresie. Opcjonalnie detektor może być wyposażony w zestaw filtrów optycznych i kamerę. Detektor wraz z oprogramowaniem analizującym obraz umożliwia zliczanie widocznych w układzie optycznym znaczników fotoluminescencyjnych. W oparciu o dane kalibracyjne detektor dostarcza informacji o grubości badanej powłoki. Przy założeniu stałego stężenia znaczników w materiale powłokowym, grubość powłoki powierzchniowej jest proporcjonalna do ilości znaczników fotoluminescencyjnych widocznych w naniesionej powłoce.

Pomiar grubości powłok wielowarstwowych z wyznaczeniem grubości każdej z powłok osobno jest możliwy wyłącznie przy zastosowaniu różnych znaczników, wykazujących różne właściwości fotoluminescencyjne, w różnych nakładanych kolejno na daną powierzchnię materiałach powłokowych. Wówczas prowadzi się kolejno detekcję poszczególnych powłok, uzyskując dane cząstkowe i dane sumaryczne.

Kalibrację detektora prowadzi się poprzez wstępne zbadanie reprezentatywnej ilości próbek (np. 5-10) powierzchni pokrytej daną powłoką, zgodnie z ustalonymi parametrami. Próbki poddaje się pomiarom grubości poszczególnych warstw z wykorzystaniem metody nacięcia klinowego. Uzyskane w ten sposób dane służą do wyznaczenia ilościowej zależności pomiędzy ilością zarejestrowanych przez detektor znaczników fotoluminescencyjnych, a grubością warstwy powierzchniowej.

PL 232 279 B1

Jako znaczniki fotoluminescencyjne stosuje się związki organiczne lub nieorganiczne, nierozpuszczalne w materiale powłokowym i/lub związki organiczne lub nieorganiczne, wprowadzone do odpowiedniej matrycy, nierozpuszczalnej w materiale powłokowym. Istotna jest nierozpuszczalność znaczników fotoluminescencyjnych oraz nierozpuszczalność użytej matrycy w materiale powłokotwórczym, ponieważ tylko wówczas możliwe jest zliczanie ilości znaczników fotoluminescencyjnych wzbudzonych promieniowaniem o odpowiedniej długości fali.

Zgodnie z wynalazkiem, znaczniki fotoluminescencyjne mają postać czystych związków fotoluminescencyjnych, organicznych lub nieorganicznych, nierozpuszczalnych w materiale powłokowym i/ lub tychże związków fotoluminescencyjnych, wprowadzonych do matrycy nierozpuszczalnej w materiale powłokowym. Matryca może być wykonana z materiałów nieorganicznych lub polimerowych, zarówno pochodzenia naturalnego, jak i syntetycznego.

Materiał polimerowy matrycy wykonany jest z dowolnego tworzywa sztucznego, korzystnie polietylenu, polipropylenu, poli(tetrafluoroetylenu), poli(chlorku winylu), poliakrylonitrylu, polimetakrylanu metylu), polistyrenu, polieterów, w tym polioksometylenu, poliestrów, w tym m.in. poli(tereftalanu etylenu), poli(tereftalanu butylenu), poliwęglanów, poliamidów, w tym m.in. PA 6, PA 66, PA 11, PA 12 itp., poliuretanów, polilaktydów, a także kopolimerów wyżej wymienionych tworzyw, np. poli(styren-co-akrylonitrylu), poli(akrylonitryl-co-butadien-co-styrenu) oraz żywic epoksydowych, poliestrowych, mocznikowo-formaldehydowych, melaminowo-formaldehydowych, fenolowo-formaldehydowych. Materiał polimerowy może być także wykonany z polimerów pochodzenia naturalnego, korzystnie celulozy, hemicelulozy, ligniny, chityny, skrobi, pektyny, kauczuków naturalnych lub polimerów białkowych, występujących m.in. w wełnie i jedwabiu, a także zmodyfikowanych chemicznie wyżej wymienionych polimerów np. wiskozy. Materiał nieorganiczny wytwarzany jest z surowców nieorganicznych lub mineralnych, korzystnie ze szkła, metali oraz ich stopów, tlenków, węglików, krzemianów, glinokrzemianów, korundu, węgla, grafitu, boru oraz bazaltu. Możliwe jest wykorzystanie monodyspersyjnych fluorescencyjnych mikrosfer polimerowych znanych z krajowego zgłoszenia patentowego P.414596, charakteryzujących się idealną sferycznością oraz wysoką monodyspersyjnością, co pozwala na rzetelne prowadzenie pomiarów aplikacji różnego rodzaju powłok powierzchniowych oraz na optymalizację procesu nakładania powłok w różnych gałęziach przemysłu.

Rozmiar znaczników fotoluminescencyjnych zawiera się, w zależności od potrzeb i rodzaju, w zakresie 0,1-100 μm, korzystnie 0,5-50 μm, najkorzystniej 1-20 μm. Jest to zakres optymalny, ponieważ jest mniejszy od grubości stosowanych powłok powierzchniowych. Znaczniki wykazują wysoką temperaturę rozkładu, co umożliwia stosowanie znaczników bez obawy o ich rozkład w przypadku suszenia naniesionych powłok w wysokiej temperaturze.

Przykłady wykonania

Sposób nieinwazyjnego pomiaru grubości powłoki powierzchniowej został opisany poniżej w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1. Do barwnego, wodorozcieńczalnego lakieru akrylowego wprowadzono 0,01% wagowego znacznika fluorescencyjnego w postaci monodyspersyjnych, fluorescencyjnych mikrosfer polimerowych, zawierających 60% akrylonitrylu, 40% styrenu i zawierających immobilizowaną chemicznie diallilofluoresceinę (otrzymanych zgodnie ze zgłoszeniem patentowym P.414596). Temperatura topnienia mikrosfer wynosiła: 153-171°C, a średni rozmiar ziaren wynosił 1,69 μm. Znacznik zdyspergowano w materiale powłokowym przy użyciu homogenizatora ultradźwiękowego.

P r z y k ł a d 2. Znacznik fluorescencyjny w postaci 4,4'-bis(benzoksazol-2-ylo)stilbenu (CAS 1533-45-5) o średnim rozmiarze cząstek wynoszącym 3,0 μm wprowadzono do barwnego, wodorozcieńczalnego lakieru akrylowego w stężeniu wynoszącym 0,05% wagowego. Znacznik zdyspergowano w materiale powłokowym przy użyciu homogenizatora ultradźwiękowego.

P r z y k ł a d 3. Znacznik fluorescencyjny w postaci siarczku cynku domieszkowanego miedzią ZnS:Cu, o średnim rozmiarze cząstek wynoszącym 4,5 μm wprowadzono do barwnej, rozpuszczalnikowej lakierobejcy w stężeniu wynoszącym 0,025% wagowego. Znacznik zdyspergowano w materiale powłokowym za pomocą mieszadła wysokoobrotowego.

P r z y k ł a d 4. Znacznik fluorescencyjny w postaci chemoutwardzalnej żywicy epoksydowej EPIDIAN 5 o średnim rozmiarze cząstek wynoszącym 12,0 μm, zawierającej 20% dodatek siarczku cynku domieszkowanego manganem ZnS:Mn wprowadzono do barwnego, wodorozcieńczalnego lakieru poliuretanowego w stężeniu wynoszącym 0,1% wagowego. Znacznik zdyspergowano w materiale powłokowym za pomocą mieszadła wysokoobrotowego.

PL 232 279 B1

P r z y k ł a d 5. Znacznik fluorescencyjny w postaci siarczku cynku domieszkowanego srebrem ZnS:Ag, o średnim rozmiarze cząstek wynoszącym 6,0 μm wprowadzono do dwuskładnikowego, bezbarwnego lakieru akrylowego w stężeniu wynoszącym 0,01% wagowego. Znacznik zdyspergowano w materiale powłokowym za pomocą mieszadła wysokoobrotowego.

P r z y k ł a d 6. Materiały powłokowe otrzymane w przykładach 1-5 przebadano spektrofotometrycznie. Potwierdzono wysoką wydajność kwantową zastosowanych znaczników fotoluminescencyjnych w badanych materiałach powłokowych. Dodatkowo przeprowadzono badania starzeniowe materiałów powłokowych z przykładów 1-5 podczas ekspozycji na promieniowanie UV-VIS. Uzyskane wyniki potwierdziły wysoką fotostabilność przygotowanych materiałów powłokowych zawierających znaczniki fotoluminescencyjne.

P r z y k ł a d 7. Otrzymane w przykładach 1-5 materiały powłokowe zawierające znaczniki fotoluminescencyjne naniesiono metodą natryskową, zgodnie z zaleceniami producentów tych materiałów powłokowych, na odpowiednio oczyszczone i przygotowane podłoża, według poniższego schematu:

A. materiał powłokowy z przykładu 1 naniesiono na odtłuszczone podłoże stalowe,

B. materiał powłokowy z przykładu 2 naniesiono na odtłuszczone podłoże aluminiowe,

C. materiał powłokowy z przykładu 3 naniesiono na zagruntowane podłoże drewniane,

D. materiał powłokowy z przykładu 4 naniesiono na zagruntowane podłoże drewniane,

E. materiał powłokowy z przykładu 5 naniesiono na podłoże wykonane z ABS.

Dla każdej z powłok z przykładów 1-5 i dla każdego z podłoży A-E przygotowano 10 próbek o różnej grubości powłoki powierzchniowej.

Dla każdej serii powłok powierzchniowych A-E przeprowadzono kalibrację detektora. W pierwszej kolejności przeprowadzono detekcję i zliczanie znaczników fotoluminescencyjnych przy użyciu mikroskopu optycznego z przystawką do epifluorescencji, wyposażonego w filtr optyczny UV (exc. 320-380 nm, trans. 420 nm) lub B (exc. 460-490 nm, trans. 520 nm), kamerę CCD oraz lampę rtęciową jako źródło wzbudzenia. Badania prowadzono przy powiększeniu x200. Następnie dla każdej z powłok wyznaczono jej grubość metodą nacięcia klinowego i skorelowano ją z odpowiedzią fluorymetryczną powłoki, tj. z ilością znaczników fotoluminescencyjnych zarejestrowanych przez detektor.

Następnie, przeprowadzono badania kontrolne nieznanych próbek przygotowanych zgodnie ze schematem A-E. Podczas nanoszenia materiałów powłokowych zastosowano inne ustawienia dysz rozpyłowych niż podczas tworzenia próbek przygotowanych do kalibracji detektora. Grubość naniesionych powłok zmierzono po ich wyschnięciu za pomocą wcześniej skalibrowanego detektora.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (7)

1. Sposób nieinwazyjnego pomiaru grubości powłok powierzchniowych, polegający na analizie fluorescencyjnej odpowiedzi powłoki powierzchniowej z materiału zawierającego dodatek znaczników fotoluminescencyjnych, po jej naświetleniu promieniowaniem o długości fali dobranej do zastosowanego znacznika fotoluminescencyjnego, obejmujący zliczenie znaczników fotoluminescencyjnych widocznych na określonej powierzchni w powłoce, przy czym pomiar realizuje się za pomocą detektora wyposażonego w układ optyczny o odpowiednim powiększeniu oraz w źródło wzbudzenia o odpowiednim zakresie, znamienny tym, że stosuje się stałe stężenie znaczników fotoluminescencyjnych w materiale powłokowym oraz wyznacza się grubość powłoki powierzchniowej w oparciu o dane kalibracyjne i proporcjonalną zależność grubości powłoki powierzchniowej do ilości znaczników fotoluminescencyjnych, widocznych na powierzchni poddawanej analizie w naniesionej powłoce, zaś zastosowane znaczniki fotoluminescencyjne

- są nierozpuszczalne w materiale powłokowym,

- mają zdefiniowany rozmiar, który zawiera się w zakresie 0,1-100 μm, korzystnie 0,5-50 μm, najkorzystniej 1-20 μm i korzystnie charakteryzują się wysoką sferycznością oraz monodyspersyjnością,

- są równomiernie rozproszone w całej objętości materiału powłokowego w procesie dyspergowania,

PL 232 279 B1

- mają postać organicznych lub nieorganicznych związków fotoluminescencyjnych wprowadzonych do matrycy nierozpuszczalnej w materiale powłokowym, przy czym matryca ta wykonana jest z materiału nieorganicznego lub polimerowego, pochodzenia naturalnego lub syntetycznego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że matryca wykonana jest z dowolnego tworzywa sztucznego, najkorzystniej polietylenu, polipropylenu, poli(tetrafluoroetylenu), poli(chlorku winylu), poliakrylonitrylu, polimetakrylanu metylu), polistyrenu, polieterów, w tym polioksometylenu, poliestrów, w tym m.in. poli(tereftalanu etylenu), poli(tereftalanu butylenu), poliwęglanów, poliamidów, w tym m.in. PA 6, PA 66, PA 11, PA 12 itp., poliuretanów, polilaktydów, a także kopolimerów wyżej wymienionych tworzyw, korzystnie poli(styren-co-akrylonitrylu), poli(akrylonitryl-co-butadien-co-styrenu), lub żywic, korzystnie epoksydowych, poliestrowych, mocznikowo-formaldehydowych, melaminowo-formaldehydowych, fenolowo-formaldehydowych.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że matryca wykonana jest z polimerów pochodzenia naturalnego, korzystnie celulozy, hemicelulozy, ligniny, chityny, skrobi, pektyny, kauczuków naturalnych lub polimerów białkowych, występujących m.in. w wełnie i jedwabiu, a także zmodyfikowanych chemicznie wyżej wymienionych polimerów, korzystnie wiskozy.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że matryca wykonana jest z surowców nieorganicznych lub mineralnych, korzystnie ze szkła, metali oraz ich stopów, tlenków, węglików, krzemianów, glinokrzemianów, korundu, węgla, grafitu, boru oraz bazaltu.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość znaczników fotoluminescencyjnych w materiale powłokowym wynosi 0,001-5% wagowych, korzystnie 0,01-1% wagowych.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że znaczniki fotoluminescencyjne wzbudzane są promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 250-700 nm, korzystnie 300-600 nm i wykazują fotoluminescencję w zakresie 300-800 nm, korzystnie w zakresie 350-700 nm.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kalibrację detektora prowadzi się poprzez wstępne zbadanie odpowiedzi fotoluminescencyjnej reprezentatywnej ilości próbek powierzchni pokrytych powłoką, po czym próbki poddaje się pomiarom grubości poszczególnych warstw z wykorzystaniem metody nacięcia klinowego, a uzyskane w ten sposób dane służą do wyznaczenia ilościowej zależności pomiędzy ilością zarejestrowanych przez detektor znaczników fotoluminescencyjnych, a grubością warstwy powierzchniowej.