СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2007 года по МПК G01N5/04 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего контроля скорости испарения жидкостей и времени их удаления с поверхности электропроводящих твердых тел. Данное изобретение может найти применение для контроля времени удаления растворителей, моющих составов, смывок и других очищающих жидкостей в процессе подготовки металлических поверхностей к нанесению лакокрасочных, гальванических, клеевых и других видов покрытий, а также при контроле, стойкости духов, различных ароматизирующих жидкостей и жидких токсичных веществ.

В настоящее время контроль скорости испарения жидкостей и времени окончательного их удаления с поверхностей твердых тел оценивается по уносу массы жидкости, а также органолептическим методом (по времени до исчезновения запаха). Аналогично оценивается и время стойкости ароматических жидкостей, а токсичных веществ - только по Δm. Наиболее близким к предлагаемому методу является количественный метод контроля скорости испарения жидкости по уносу массы, измеряемому на лабораторных аналитических или электронных весах.

Недостатки существующих методов:

- органолептический метод не дает количественной оценки, имеет низкую точность, зависящую от субъективных факторов оператора;

- метод определения скорости испарения по уносу массы жидкости также имеет низкую точность, зависящую от точности измерения используемых весов, обычно не превосходящей долей миллиграмма, а также большую продолжительность и трудоемкость.

Цель изобретения:

Предложить высокопроизводительный, количественный метод неразрушающего определения скорости испарения жидкостей, обеспечивающий высокую точность измерения скорости и времени испарения жидкостей вплоть до остатка, не превышающего долей мономолекулярного слоя адсорбата.

Данная цель достигается путем измерения изменения работы выхода электрона (ϕ) неразрушающим и бесконтактным методом контактной разности потенциала (КРП) системы, состоящей из измерительного электрода прибора, измеряющего КРП и токопроводящей подложки (адсорбента), изготовленной из материала, аналогичного материалу измерительного электрода, с нанесенным на нее дозированным количеством исследуемой жидкости (адсорбата). После нанесения на токопроводящую подложку массы исследуемой жидкости (m_д) фиксируется время контакта ее с подложкой (τ₀), затем проводится ряд измерений U_к с фиксированием времени окончания испарения (τ_к) при достижении U_к=0 и определяется скорость испарения исследуемой жидкости по формуле

V=m_д/(τ_к-τ₀)

Контактная разность потенциалов возникает между токопроводящими телами с разными ϕ в условиях термодинамического равновесия [1]. Если два твердых проводника привести в соприкосновение по внешним их сторонам, то между их внутренними сторонами происходит обмен электронами, причем вначале электроны переходят преимущественно из проводника с меньшей работой выхода (ϕ₁) в проводник с большей работой выхода (ϕ₂). В результате этого процесса проводники приобретают электрические заряды противоположных знаков, что приводит к появлению электрического поля, препятствующего дальнейшему перетеканию электронов. В конечном счете достигается динамическое равновесие, при котором потоки электронов в обоих направлениях становятся одинаковыми, и между проводниками устанавливается КРП (U_k), равная разности работ выхода обоих проводников [1]

В нашем случае предлагается измерительный электрод и подложку (адсорбент) изготавливать из одного материала, тогда ϕ_эп=ϕ_подл и при^{отсутствии на поверхности адсорбата (жидкости)}

При наличии же на подложке адсорбата энергетическая картина изменяется, так как все металлы электроположительны (легко отдают электроны), то молекулы адсорбата (жидкости), обладающей дипольным моментом μ, отрицательным зарядом диполя притягиваются к металлу, образуя двойной электрический слой (ДЭС), увеличивающий потенциальный барьер Е_а и, следовательно, ϕ. Даже неполярные молекулы, поляризуясь под действием электростатического поля металла, тоже притягиваясь, увеличивают ϕ [2].

Образование ДЭС на межфазной границе жидкость-металл происходит самопроизвольно в результате стремления системы уменьшить энергию Гиббса поверхностного слоя (ПС). Уменьшение поверхностной энергии должно приводить к увеличению электрической энергии, [3]

где S - площадь межфазной поверхности;

γ_т - межфазное поверхностное натяжение твердого тела (металла);

q - заряд.

Если q_s=q/S - заряд единицы поверхности (плотность заряда на поверхности), тогда

Таким образом, наличие жидкости на поверхности металла приводит к увеличению работы выхода ϕ и уменьшению поверхностного потенциала. Тогда по Де Буру [4] удаление слоя жидкости (посредством естественного испарения) приведет к уменьшению ϕ на величину

где е - заряд электрона;

N - число мест на 1 см² поверхности;

Θ - доля занятых мест;

μ - дипольный момент адсорбата.

Отсюда следует, что до тех пор, пока не произойдет окончательного удаления жидкости с поверхности, т.е. устанавливается равенство Θ=0 (в рассматриваемом случае путем естественного испарения) Δϕ будет постоянно уменьшаться и достижение Δϕ=0 будет свидетельствовать об окончательном испарении жидкости с контрольной поверхности, измерительный электрод и подложка изготовлены из одинакового материала, то КРП между ними равна нулю (см. формулу 2).

Измерение работы выхода электрона, а следовательно, и наличия молекул жидкости на поверхности предлагается проводить с помощью приборов типа "Поверхность" [5, 6, 7]. На фигуре 1 изображена принципиальная схема прибора "Поверхность", где: 1 - генератор фиксированной частоты; 2 - электродинамический вибратор; 3 - измерительный датчик; 4 предварительный усилитель; 5 - АЦП-1; 6 - табло индикатора "нуля"; 7 - блок компенсации КРП; 8 - АЦП-2; 9 - табло индикации "КРП"; 10 - кремальера компенсатора; ИЭ - измерительный электрод; Д - подложка.

Порядок работы

Определение скорости испарения и жидкости производится в следующей последовательности (см. фигуру 1). В качестве подложки (адсорбента) Д выбирают металлическую пластину из стабильноокисленного материала, аналогичного материалу измерительного электрода ИЭ прибора типа "Поверхность" [5]. Подложка и измерительный электрод очищаются легкоиспаряемым растворителем (петролейный эфир, ацетон) и выдерживаются до полного испарения растворителя (для ацетона ≥4 мин, петролейный эфир ≥15 сек). Исходное состояние поверхностей подложки и измерительного электрода проверяется измерением КРП, величина которого на табло 9 при выключенном блоке компенсации КРП 7 должна равняться 0, что указывает на одинаковое физико-химическое состояние поверхностей электрода и подложки.

Так как измерительный электрод и подложка изготавливаются из стабильноокисленного сплава, то они не являются адсорбционно-активными к исследуемой жидкости, что обеспечивает полное испарение жидкости. Кроме того, т.к. электрод и подложка выполнены из одного материала, то изменения их ϕ под влиянием колебаний атмосферных условий в процессе продолжительного испарения контролируемой жидкости будут одинаковыми как на электрод, так и на подложку и не вносят ошибки в измеряемую между ними КРП [5]. Затем на подложку Д с помощью объемного дозатора в виде тонкого шприца наносится дозированная масса исследуемой жидкости (m_д) и фиксируется время ее контакта (τ₀) с подложкой. Далее через выбранные интервалы времени измерительным датчиком 3 на 1...2 секунды контактируют с краями подложки Д, не касаясь жидкости, фиксируя U_k≠0. Повторяя процедуру до полного испарения жидкости с поверхности подложки, которое определяется при U_k=0, фиксируют время окончательного испарения жидкости (τ_к). Скорость испарения жидкости определяется по формуле

На фигуре 2 приведен пример кривых испарения жидкостей, где: 1 - петролейный эфир; 2 - ацетон.

Применение предлагаемого изобретения позволяет по сравнению с методом взвешивания снизить трудоемкость измерения скорости испарения на 50...70% и повысить на порядок точность фиксации окончательного времени испарения. Указанное позволяет оптимизировать технологические процессы очистки поверхностей перед нанесением лакокрасочных, гальванических и др. покрытий, обеспечивающие высокую адгезионную прочность покрытий к подложке, что очень важно в таких областях, как микроэлектроника и машиностроение.

Литература

1. Царев Б.М. Контактная разность потенциалов и ее влияние на работу электровакуумных приборов. М. Гостехтеориздат, 1955 г.

2. Кочаров Э.А. Прогнозирование и пути обеспечения адгезионной прочности адгезионных и диффузионных соединений и покрытий. Вопросы оборонной техники, сер.15. Вып.1 (120) - 2(121). 1999, с.48-59.

3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсионные системы. - М., Химия, 1982.

4. Де Бур. Электронная эмиссия и явление адсорбции. М. - Л., ОНТИ, 1936.

5. Кочаров Э.А. Способ измерения работы выхода электрона. АС СССР № 316000, 1970.

6. Осепян Р.И., Кочаров Э.А., Санников А.А. Конденсаторный способ измерения контактной разности потенциалов Осепяна Р.И. и Кочарова Э.А. и устройство Осепяна Р.И. и Кочарова Э.А. для его осуществления. АС СССР № 1157022, 1982 г.

7. ГОСТ 9.402-2004. Подготовка металлических поверхностей к окрашиванию. п.6 (контроль качества подготовки поверхности).

Изобретение относится к области неразрушающего контроля скорости испарения жидкостей (растворители, моющие составы, смывки и др.) и времени их окончательного удаления с поверхности электропроводящих твердых тел. На токопроводящую подложку, изготовленную из материала, аналогичного материалу измерительного электрода прибора, измеряющего контактную разность потенциалов U_к, наносится дозированная масса (m_д) исследуемой жидкости и фиксируется время контакта ее с подложкой (τ₀). Проводится ряд измерений U_к, фиксируют время окончания испарения (τ_к) при достижении U_к=0. Определяют скорость испарения исследуемой жидкости как частное от деления m_д на разность τ_к и τ₀. Изобретение обеспечивает высокую точность измерения скорости и времени испарения жидкостей вплоть до долей мономолекулярного слоя адсорбата. 2 ил.

Способ определения скорости испарения жидкостей, состоящий в измерении массы подложки (m_д), а затем массы системы, состоящей из подложки с нанесенной на нее исследуемой жидкостью (τ_c) и фиксации времени первого измерения массы системы (τ₀), затем последующих во времени измерений массы системы подложки с исследуемой жидкостью (m_c) с фиксацией времени последнего измерения (τ_к), когда масса системы станет равной массе подложки (m_с=m_д), отличающийся тем, что на токопроводящую подложку, изготовленную из материала, аналогичного материалу измерительного электрода прибора, измеряющего контактную разность потенциалов (U_к), наносится дозированная масса (m_д) исследуемой жидкости и фиксируется время контакта ее с подложкой (τ₀), затем проводится ряд измерений U_к, фиксируется время окончания испарения (τ_к) при достижении U_к=0 и определяется скорость испарения исследуемой жидкости по формуле

V=m_д/(τ_к-τ₀).