СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕТОДАМИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТИТРОВАНИЯ СТАДИИ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛКИДНЫХ ЛАКОВ Российский патент 2021 года по МПК G01N27/06 

Изобретение относится к области исследования свойств и характеристик органических и неорганических веществ и жидкостей электрофизическими методами, в частности к оперативным методам контроля стадии поликонденсации в производстве алкидных лаков.

В настоящее время синтез алкидных смол для производства полуфабрикатных лаков марок ПФ-060, ПФ-053 и других проводится следующим образом: после завершения стадии переэтерификации реакционную массу охлаждают до температуры 180-200°С и производят загрузку рецептурного количества фталевого и малеинового ангидридов. После загрузки включают нагрев реактора со скоростью 15-20°С/час и при интенсивном перемешивании реакционной массы доводят температуру до 240-245°С. Выдерживают реакционную массу при этой температуре до завершения процесса поликонденсации, при этом образуется конечный продукт - алкидная смола.

Технологический процесс контролируют по вязкости реакционной массы. Для контроля вязкости первую пробу берут через 1 час выдержки, далее через каждые 0,5 часа. Температура отобранной пробы равна 240-245°С, поэтому пробу необходимо вначале охладить до температуры 20°С, что занимает достаточно много времени. Подготовленную пробу анализируют на условную вязкость. В лакокрасочной промышленности условная вязкость материалов, в том числе алкидных смол, определяется периодическим способом, с помощью вискозиметра ВЗ-4, который представляет собой коническую емкость объемом 100 мл, вершиной вниз, в нижней части емкости имеется калиброванное отверстие диаметром 4 мм, через которое под действием силы тяжести истекает жидкость, залитая в вискозиметр. Вязкость определяется в секундах, по времени истечения жидкости из емкости. Недостатками этого способа являются:

1. Требуется длительное время для охлаждения пробы от 245°С до 20°С и для самого измерения, особенно при высокой вязкости жидкости, каковой является алкидная смола;

2. Не оперативность проводимых анализов, поскольку требуются большие затраты времени для охлаждения проб до температуры 20°С и на сам анализ - из-за высокой вязкости продукта, а за это время по ходу реакции свойства продукта сильно меняются.

Процесс синтеза алкидных смол для производства алкидных лаков является сложным технологическим процессом, в котором из смеси различных веществ: растительного масла - жидкость, фталевого и малеинового ангидридов - порошок, либо хлопья, синтезируется новое вещество - алкидная смола, которое по существу является полимером. Реакционная смесь претерпевает глубокие изменения свойств и фазовых состояний веществ. По окончанию синтеза из жидкой смеси получается полимер, по своим свойствам приближающийся к твердому телу. Особенностью контроля является тот факт, что измеряют изменение параметров не каждого вещества в отдельности, а изменение параметров всей реакционной массы, которая под действием температуры и катализатора претерпевает химические и фазовые изменения и синтезируется в конечный продукт - алкидную смолу. В ходе синтеза серьезно изменяются электрофизические свойства реакционной массы: на начальном этапе стадии поликонденсации свойства реакционной массы соответствуют характеристикам проводников, на конечном этапе поликонденсации свойства продукта близки к свойствам диэлектриков. Поэтому возникает необходимость разработки новых способов и методов контроля за ходом технологических процессов производства алкидных лаков, при которых не требуется длительная подготовка их к анализу.

Для этой цели наиболее подходят электрофизические методы исследований. В технике известны патенты РФ №2668365 от 24.10.2017 г., №2695956 от 25.01.2018 г., №2697032 от 29.12.2017 г., в которых для контроля технологического процесса измеряют активное сопротивление реакционной массы, величину комплексного сопротивления реакционной массы, тангенс угла диэлектрических потерь реакционной массы и другие электрофизические параметры, затем находят зависимость этих параметров от вязкости реакционной массы и в дальнейшем предлагают использовать эти зависимости для контроля технологического процесса.

Нашей задачей является создание быстро действующего, точного способа контроля технологического процесса поликонденсации в производстве алкидных лаков и смол, используя тот факт, что значения электрофизических параметров реакционной массы находятся в прямой зависимости от значений ее вязкости.

Q-метрические методы широко применяются для высокочастотного титрования. В Q-метрических приборах могут применяться как С-ячейки, так и L-ячейки, которые включаются в параллельный (фиг. 1) или последовательный (фиг. 2) колебательный контур. При изменении электропроводности исследуемой жидкости меняется величина рассеиваемой мощности в колебательном контуре, что приводит к изменению добротности контура (Q). Изменение добротности контура определяется по изменениям величины тока, протекающего через контур, или по изменениям напряжения на колебательном контуре.

Примем, что все активные потери, существующие в катушке индуктивности L и в конденсаторе С параллельного контура, сосредоточены в проводимости контура G_a (фиг. 1). Резонансная частота контура не зависит от потерь и определяется выражением:

Если к клеммам а и б параллельного контура (фиг. 1) приложить напряжение Е₀ с частотой ω, то через контур потечет ток I, минимум которого будет наблюдаться в том случае, когда собственная (резонансная) частота колебаний контура ω₀ совпадет с частотой напряжения ω, приложенного к контуру внешнего источника.

Степень уменьшения тока или напряжения при резонансе зависит от добротности Q колебательного контура, которая определяется как отношение реактивного сопротивления к активному сопротивлению контура.

Когда измерения проводятся с L-ячейкой, которая включается вместо катушки индуктивности L, то изменения добротности контура обуславливаются изменениями добротности L-ячейки, так как потери в конденсаторе С контура малы и остаются постоянными в процессе измерения.

Если применяется С-ячейка, которая включается вместо конденсатора С, то изменения добротности контура связаны с изменениями потерь емкости в С-ячейке, так как потери в катушке индуктивности малы и неизменны.

Добротность параллельного колебательного контура для случая L- и С-ячейки определяется из выражений:

Из выражений видно, что добротность параллельного колебательного контура увеличивается с уменьшением проводимости G_a.

Поскольку проводимость G_a реакционной массы по ходу реакции уменьшается (увеличивается сопротивление реакционной массы), то для наших измерений наиболее подходящим, с точки зрения точности, является параллельный колебательный контур.

Расчеты показывают, что для параллельного контура при измерениях с С-ячейкой сохраняется общая закономерность: при исследовании хорошо проводящих растворов для сохранения оптимальной чувствительности необходимо повышать рабочую частоту.

Применение колебательных контуров имеет следующие преимущества:

1. Высокая частотная чувствительность;

2. Возможность работы как с большими объемами, так и с микрообъемами;

3. Возможность производить дифференциальные измерения, проводить измерения в автоматическом режиме с использованием для обработки результатов измерений вычислительные устройства;

4. Возможность просто осуществить температурную компенсацию, проводить измерения электрофизических параметров без охлаждения пробы, что позволяет значительно сократить время анализа и повысить точность измерений.

Сущность способа заключается в том, что в процессе синтеза алкидных смол при производстве алкидных лаков замеряют во времени добротность Q параллельного колебательного контура (фиг. 1), в котором исследуемая жидкость используется в качестве нагрузки G_a. Измерение проводилось по ходу синтеза смолы алкидного лака ПФ-060. Источником высокочастотного питания и измерительным прибором является «Измеритель иммитанса Е7-30», характеристическая частота равна 35 KHz. При изменении электропроводности исследуемой жидкости (G_a) меняется величина рассеиваемой мощности в колебательном контуре, что приводит к изменению добротности контура Q. Изменение добротности Q определяется по изменениям величины тока, протекающего через контур.

На фиг. 3 представлено изменение добротности Q контура в ходе процесса поликонденсации производства алкидного лака ПФ-060, где на вертикальной оси показана величина добротности Q, а на горизонтальной оси - время протекания реакции в часах - t. Рост величины добротности объясняется тем, что в начале синтеза реакционная масса неоднородна, представляет собой смесь жидкостей и твердых составляющих и по своим свойствам близка к проводникам, а затем, в ходе химических реакций, реакционная масса становится более однородной, по структуре приближается к диэлектрикам, проводимость G_a уменьшается, добротность Q растет, что и отражается на графике.

В ходе синтеза, параллельно с измерениями на приборе, отбирают пробы реакционной смеси и проводят лабораторный анализ на вязкость в соответствии с регламентом. В момент отбора проб фиксируют значение Q по прибору «Измеритель иммитанса Е7-30».

На фиг. 4 представлен график зависимости добротности Q от вязкости μ. Как видно на графике, добротность Q растет с ростом вязкости μ.

На графике каждому значению добротности Q соответствует значение вязкости μ реакционной массы, поэтому, используя эту зависимость, можно контролировать процесс стадии поликонденсации в производстве алкидного лака ПФ-060 и определить момент, когда значение вязкости реакционной массы достигнет значения, заданного регламентом, и завершить процесс.

Аналогичные измерения проводились по ходу синтеза алкидной смолы алкидного лака ПФ-053. На фиг. 5 представлен график изменения добротности Q в ходе процесса поликонденсации алкидной смолы алкидного лака ПФ-053, где на вертикальной оси показана величина добротности Q, а на горизонтальной оси - время протекания реакции в часах - t. Рост величины добротности объясняется тем, что в начале синтеза реакционная масса неоднородна, представляет собой смесь жидкостей и твердых составляющих и по своим свойствам близка к проводникам, а затем, в ходе синтеза реакционная масса становится более однородной, по структуре приближается к диэлектрикам, проводимость G_a уменьшается, добротность Q растет, что и отражается на графике.

В ходе синтеза, параллельно с измерениями на приборе, отбирают пробы реакционной смеси и проводят лабораторный анализ на вязкость в соответствии с регламентом. В момент отбора проб фиксируют значение Q по прибору «Измеритель иммитанса Е7-30». На фиг. 6 представлен график зависимости добротности Q от вязкости μ. Как видно на графике, добротность Q растет с ростом вязкости μ.

Используя этот график, можно контролировать процесс синтеза алкидных смол и остановить процесс в нужный момент.

Сопоставляя полученные графики, можно определить, что характер зависимости добротности Q от вязкости μ стадии поликонденсации в производстве алкидного лака ПФ-060 (фиг. 4) соответствует характеру зависимости добротности Q от вязкости μ (фиг. 6) стадии поликонденсации в производстве лака ПФ-053.

На этом основании можно утверждать, что предлагаемый способ контроля стадии поликонденсации в производстве алкидных лаков - используя измерение добротности колебательного контура, можно применять для широкого спектра типов алкидных лаков.

Таким образом, поставленная задача решена.

Изобретение относится к области исследования свойств органических и неорганических жидкостей методами высокочастотного титрования, в частности к оперативным методам контроля стадии поликонденсации в производстве алкидных лаков. Сущность способа заключается в том, что в процессе синтеза алкидных смол при производстве алкидных лаков замеряют во времени добротность параллельного колебательного контура, в котором исследуемая жидкость (реакционная масса) используется в качестве нагрузки. При изменении электропроводности реакционной массы меняется величина рассеиваемой мощности в колебательном контуре, что приводит к изменению добротности колебательного контура, которая определяется как отношение реактивного сопротивления колебательного контура к активному сопротивлению контура. Изменение добротности определяется по изменению величины тока, протекающего через контур. Определено, что величина добротности растет по ходу синтеза, что объясняется тем, что в начале синтеза реакционная масса неоднородна, представляет собой смесь жидкостей и твердых составляющих и по своим свойствам близка к проводникам, а затем, в ходе химических реакций, реакционная масса становится однородной, по структуре приближается к диэлектрикам, проводимость уменьшается, добротность растет. Были проведены измерения добротности параллельного контура, в котором в качестве нагрузки использовались пробы реакционной массы, отбираемые по ходу процесса поликонденсации в производстве алкидных лаков ПФ-060 и ПФ-053. Определено, что по ходу реакции добротность растет. Определено также, что добротность растет с ростом вязкости реакционной массы и найдена зависимость величины добротности от величины вязкости. Предложено использовать зависимость добротности от вязкости для контроля стадии поликонденсации в процессе производства алкидных лаков: при достижении величины добротности, соответствующей величине вязкости, определяемой регламентом, останавливать процесс. Определено, что характер зависимостей добротности от вязкости идентичен для процессов производства алкидных лаков ПФ-060 и ПФ-053, что позволяет утверждать, что предлагаемый способ контроля стадии поликонденсации можно применять для широкого спектра типов алкидных лаков. Техническим результатом при реализации заявленного решения является создание быстро действующего, точного способа контроля технологического процесса поликонденсации в производстве алкидных лаков и смол, используя тот факт, что значения электрофизических параметров реакционной массы находятся в прямой зависимости от значения ее вязкости. 6 ил.

Способ контроля методами высокочастотного титрования стадии поликонденсации в производстве алкидных лаков, включающий использование измерений электрофизических параметров реакционной массы, отличающийся тем, что контроль стадии поликонденсации осуществляют посредством измерения добротности высокочастотного колебательного контура, в котором в качестве нагрузочного сопротивления используется проба реакционной массы, при этом изменение электропроводности исследуемой пробы реакционной массы влияет на изменение величины добротности колебательного контура.