Способ производства колеровочной пасты Российский патент 2022 года по МПК B01F23/53 B01F35/213 G05B19/04 

Изобретение относится к способам производства пигментных паст для смешивания в красках с автоматическим контролем цвета колеровочной композиции с помощью последовательных сравнений изображения пасты, получаемого с помощью устройства фотовидеофиксации, с множеством заранее подготовленных цветовых эталонов. Способ может быть полезен для колеровки водно-дисперсионных красок или получения лакокрасочных материалов с высокой степенью чистоты цветового фона.

Из уровня техники известен способ получения универсальной пигментной колеровочной пасты (RU 2320691 C1, МПК C09D 17/00, C09D 167/08, опубл. 27.03.2008). Основой колеровочной пасты, получаемой по способу, является специально синтезированная алкидная глифталевая смола на основе льняного масла, глицерина, фталевого ангидрида. Для получения определенного цвета и блеска пигментной пасты в ее состав вводится диспергирующий агент, в качестве которого применяется агент фирмы TROY, обеспечивающий хорошее смачивание и стабильность пасты.

Недостатком известного способа получения колеровочной пасты является его низкая технологичность, связанная с относительной сложностью технологического процесса синтеза алкидной глифталевой смолы.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан способ приготовления колеровочной композиции для окрасочных продуктов (RU 2157395 C2, МПК C09D 17/00, опубл. 10.10.2000). По способу составы могут быть приготовлены на основе оксида железа (желтые или красные), на основе хинакридона или углеродной сажи. Для приготовления композиции компоненты дисперсионной среды помещают в химический реактор, снабженный электромеханической мешалкой и смешивают в растворителе со скоростью вращения мешалки 550 об./мин. Далее осуществляют предиспергирование состава при скорости вращения мешалки 1220 об./мин., добавляя при этом в раствор пигмент. На последнем этапе осуществляют диспергирование композиции в бисерной мельнице на скорости 3500 об./мин.

Недостатком технического решения является то, что по способу-прототипу не предусмотрено при диспергировании раствора выполнение дополнительных операций контроля цвета колеровочной композиции. Кроме того, применяемый в композиции компонент-пленкообразующее, а именно кетональдегидная, кетонная и/или альдегидная смола низкой молекулярной массы является не безопасным для здоровья человека компонентом, что ограничивает возможность применения композиции для окраски изделий, контактирующих с пищей.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка способа производства безопасной для здоровья человека колеровочной пасты, позволяющей на стадии диспергирования композиции осуществлять автоматический контроль цвета и однородности получаемого раствора.

Указанная задача решена тем, что способ производства колеровочной пасты включает в себя загрузку компонентов пасты в химический реактор, снабженный электромеханической мешалкой, смешивание их с полимерной основой и осуществление диспергирования полученного состава. После чего осуществляют гомогенизацию композиции в бисерной мельнице для получения ультрадисперсных продуктов, содержащей цилиндрический корпус с перемешивающим ротором, связанным механической передачей с валом электродвигателя, внутри корпуса установлен узел фотовидеофиксации, выход которого подключен к информационному входу блока управления мельницей, снабженного модулем индикации и выполненного на основе микроконтроллера, а его силовой выход подключен к электродвигателю. Во время гомогенизации композиции с помощью узла фотовидеофиксации контролируют цвет перемешиваемого раствора, выполняя его макросъемку и передачу полученного изображения раствора блоку управления, последний на основе управляющей программы осуществляет уменьшение размерности изображения, сравнение изображения уменьшенной размерности с заранее подготовленным эталонным изображением колеровочной пасты требуемого цвета путем вычисления среднеквадратической разности для каждой пары изображений, первое из которых является изображением уменьшенной размерности, а второе - эталонным изображением, по формуле:

где s - среднеквадратическая разность; n - количество пикселов сравниваемых изображений (для размерности 32×32 пикселей это значение составит 3072); x_i, y_i - значения яркости пикселей изображения, полученного от узла фотовидеофиксации, и пикселей эталона.

Далее выполняют сравнение полученной среднеквадратической разности с 5% порогом, в случае если этот порог не превышен, считают изображения идентичными, а композицию однородной, и с помощью блока управления останавливают процесс ее гомогенизации.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков способа, является возможность контроля цвета и однородности колеровочной пасты при ее изготовлении с возможностью автоматического определения окончания технологического процесса гомогенизации, за счет применения специализированной бисерной мельницы, снабженной узлом фотовидеофиксации, позволяющим осуществлять макросъемку раствора, и блока управления мельницей, обеспечивающего возможность сравнения полученного изображения поверхности раствора с эталонным изображением колеровочной пасты требуемого цвета и определения их идентичности.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена упрощенная схема специализированной бисерной мельницы; на фиг. 2 показана структурная схема блока управления мельницей.

Бисерная мельница для получения ультрадисперсных продуктов, необходимая для осуществления способа, имеет следующую конструкцию.

Основой мельницы является цилиндрический корпус 1 с перемешивающим ротором 2, связанным механической передачей с валом электродвигателя 3, внутри корпуса установлен узел фотовидеофиксации 4, выход которого подключен к информационному входу 5 блока управления мельницей, снабженного модулем индикации 6 и выполненного на основе микроконтроллера 7, а его силовой выход 8 подключен к электродвигателю 3.

Микроконтроллер 7 содержит микропроцессорное ядро 9, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 10, SRAM-памятью данных 11, USB-контроллером 12, Ethernet-контроллером 13, модулем LCD-интерфейса 14, интерфейсом ввода/вывода общего назначения, сгруппированного, по крайней мере, в два восьмиразрядных GPIO-порта ввода-вывода 15, 16, и модулем подключения SD-карты 17. Ethernet-контроллер 13 выполнен с возможностью подключения к персональному компьютеру с помощью стандартизированного физического сетевого интерфейса RJ-45, к модулю LCD-интерфейса 14 электрически подключен модуль индикации 6, выполненный в виде LCD-дисплея. К USB-контроллеру 13 подключен информационный вход 5 блока управления, к первому восьмиразрядному GPIO-порту ввода-вывода 15 электрически подключена кнопочная клавиатура 18, второй GPIO-порт ввода-вывода 16 подключен к силовому выходу 8 блока управления, а в слот модуля подключения SD-карты 17 вставлена и электрически соединена с модулем 17 SD-карта 19.

Дополнительно корпус мельницы может быть оборудован системой контроля температуры и плотности раствора, включающей в себя резистивный датчик температуры 20, датчик измерения плотности жидкости 21 и систему нагрева-охлаждения раствора, состоящей из рубашки охлаждения 22, в которую включен контур циркулирующей по трубопроводу 23 текучей среды, например воды, при этом на входе и выходе трубопровода могут быть установлены датчики температуры 24 и 25. Трубопровод также может быть снабжен датчиком скорости тока жидкости 26, насосом 27, охлаждающим радиатором 28 и нагревательным элементом 29, выполненным в виде ТЭНа. Упомянутые датчики системы могут быть подключены посредством операционных усилителей к линиям 0÷4 многоканального аналого-цифрового преобразователя 30 микроконтроллера, являющихся измерительными входами, а исполнительные узлы (электродвигатели радиатора, насоса и ТЭН) могут управляться через дополнительные силовые выходы 31, 32 и 33 блока управления с помощью подключенных к ним незадействованных линий 0÷2 третьего 34 порта GPIO-интерфейса микроконтроллера 7.

В качестве силовых выходов блока управления могут применяться транзисторные или триристорные ключи. В качестве микроконтроллера 7 может быть применена микросхема LPC2478, основанная на микропроцессорном ядре ARM7TDMI-S, работающем на частоте 72 МГц. Модуль индикации 6 (LCD-дисплей) может быть выполнен в виде специализированной TFT-панели с диагональю 8,9 см (3,5 дюйма) (3.5'' TFT Touch Screen, 3.5'' TFT LCD Screen 320×240. WINSTAR. URL: https://www.winstar.com.tw/ products/tft-lcd/module/3_5-touch-screen.html (Дата обращения: 16.10.2018)), разрешением 320×240 точек с глубиной цветности 24 бита, снабженную подсветкой и тачскрином (Тачскрин. Энциклопедия «Викисловарь». URL: https://ru.wiktionary.org/wiki/тачскрин (Дата обращения: 16.10.2018)) (устройством ввода информации, представляющим собой экран, реагирующий на прикосновения к нему). LCD-дисплей целесообразно закрепить на внешней поверхности корпуса устройства, а кнопочная клавиатура 18 может быть выполнена мембранной (Модуль клавиатуры мембранной 16-клавишной (4×4). Умная электроника.рф. URL: https://umnaya-elektronika.ru/moduli/klaviatura-i-knopki-ru/modulklaviaturymembrannoy16klavishnoy/ (Дата обращения: 16.10.2018)), содержать шестнадцать клавиш и подключаться к GPIO-порту ввода-вывода 15 посредством восьмипроводного шлейфа с разъемом. В качестве узла фотовидеофиксации 4 для осуществления макросъемки раствора может быть применена видеокамера, выполненная с возможностью получения видеопотока сверхвысокой четкости, в качестве которой может быть использована «экшн камера» модели YI 4К+ (Экшн камера YI 4К+ // YI. URL: http://www.yitechnology.ru/yi-4k-plus-action-camera-specs (дата обращения: 12.12.2019)).

Способ производства колеровочной пасты осуществляют следующим образом.

Первоначально с помощью электронных мобильных весов осуществляют взвешивание и комплектацию компонентов композиции, к которым относится полимерная основа в объеме до 78%, в качестве которой может применяться растворитель, каучук или диоктилфталат, пигмент в объеме до 20% и реологические добавки в объеме до 2% с целью улучшения показателей вязкости и тиксотропности композиции. В качестве реологических добавок могут использоваться, например, полиакрилат натрия или полиуретановые загустители.

Подготовленные компоненты пасты загружают в химический реактор, снабженный электромеханической мешалкой, и смешивают их с полимерной основой при скорости вращения мешалки 500 об./мин. Далее осуществляют диспергирование состава при скорости вращения мешалки 1300 об./мин.

На последнем этапе полученный диспергированный состав заливают в специализированную бисерную мельницу вертикального типа, конструкция которой рассмотрена выше, предварительно заполняя ее бисером на 70÷80% объема, при этом в качестве бисера используют твердые шарики или промытую гальку. Далее над поверхностью раствора на гибком штативе устанавливают узел фотовидеофиксации 4 и ориентируют его объектив, выбирая точку съемки. Выход узла фотовидеофиксации 4 подключают к информационному входу 5 блока управления. После чего устанавливают сетевое подключение между блоком управления посредством Ethernet-контроллера 13 и персональным компьютером. В случае применения в составе блока управления Wi-Fi-адаптера, подключенного к Ethernet-контроллеру 13, соединение может быть беспроводным. Далее в блок управления загружают эталонные изображения колеровочной пасты требуемого цвета, которые сохраняются на SD-карте 19 для их дальнейшего использования при работе мельницы. После выполнения указанных операций с помощью силового выхода 8 через GPIO-порт 15 активируют электродвигатель 3 мельницы, разгоняя ее перемешивающий ротор 2 до скорости в 3600 об./мин., обеспечивая гомогенизацию композиции. При этом может быть реализован частотный способ управления электродвигателем 3, в этом случае GPIO-порт 15 выполняет свою альтернативную функцию и работает в качестве аппаратно-программного ШИМ-модулятора.

Во время работы мельницы узел фотовидеофиксации 4 осуществляет непрерывную съемку поверхности раствора и передает полученные изображения блоку управления, при этом микроконтроллер 7 блока управления на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти программ 10 с использованием для буферизации данных SRAM-память данных, реализует алгоритм сравнения полученных изображений раствора с эталонным изображением колеровочной пасты требуемого цвета.

В общем случае алгоритмы, позволяющие производить быстрое сравнение изображений, известны и включают, как правило, следующие основные этапы (Алгоритм быстрого нахождения похожих изображений // Хабрахабр URL: http://habrahabr.ru/post/122372/ (дата обращения: 16.10.2021)).

1. Приведение изображений к одному размеру.

2. Совмещение цветовых каналов изображения.

3. Нахождение среднеквадратической разности для каждой пары уменьшенных изображений.

4. Сравнение полученной среднеквадратической разности с некоторым порогом, в случае если порог не превышен, изображения считают идентичными.

Анализ цвета композиции включает в себя цифровую фильтрацию растрового изображения, включающую в себя приведение изображения, полученного от узла фотовидеофиксации к размеру 32×32 точки, что позволяет в дальнейшем сократить количество итераций алгоритма сравнения изображений и совмещение цветовых каналов изображения. Далее микроконтроллером 7 выполняется вычисление среднеквадратической разности пикселов сравниваемых изображений на основании приведенной выше формулы (1). Полученное значение среднеквадратической разности сравнивается с 5% порогом, в случае если этот порог не превышен, блоком управления принимается автоматическое решение об идентичности изображений и однородности гомогенизируемой композиции, после чего блок управления останавливает процесс гомогенизации, выключая электродвигатель 3 мельницы.

Во время процесса гомогенизации блок управления может также автоматически поддерживать оптимальную температуру и плотность гомогенизируемого раствора, выполняя для этого итерационный опрос датчиков 20 и 21. В случае превышения измеренных температуры и/или плотности их критических значений, предварительно установленных оператором мельницы с помощью клавиатуры 18 и сохраненных на SD-карте 19, блок управления может автоматически приостановить процесс гомогенизации или, управляя электродвигателями насоса 27, вентилятора 28 или ТЭНом, инициировать алгоритм автоматического регулирования, охлаждая раствор с помощью интенсификации тока по трубопроводу 23 текучей среды или нагревая его с помощью ТЭНа.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке способ позволяет реализовать технологический процесс производства колеровочной пасты заданного цвета с автоматическим контролем ее гомогенизации. Полученные таким образом пасты могут применяться для колерования полиуретановых, пентафталевых, эпоксидных, меламинных, кремнийорганических и других лакокрасочных и формовочных материалов, а также полиэтиленовых, поливинилхлоридных и других пластмасс при переработке их в литьевых машинах и в виде пластизолей.

Изобретение может быть использовано для колеровки водно-дисперсионных красок. Способ производства колеровочной пасты включает загрузку компонентов пасты в химический реактор, снабженный электромеханической мешалкой, смешивание их с полимерной основой и последующее диспергирование. Затем осуществляют гомогенизацию композиции в бисерной мельнице для получения ультрадисперсной пасты. Внутри корпуса 1 бисерной мельницы установлен узел фотовидеофиксации 4, подключенный к информационному входу 5 блока управления мельницей, снабженного модулем индикации 6 и выполненного на основе микроконтроллера 7. Во время гомогенизации композиции с помощью узла фотовидеофиксации 4 контролируют цвет перемешиваемой композиции, выполняя его макросъемку и передачу полученного изображения блоку управления. На основе управляющей программы осуществляют уменьшение размерности полученного изображения и его сравнение с заранее подготовленным эталонным изображением колеровочной пасты. Сравнение проводят путем вычисления среднеквадратической разности для каждой пары изображений, первое из которых является изображением уменьшенной размерности, а второе - эталонным изображением. При достижении порогового значения среднеквадратической разности 5% пасту считают однородной и процесс гомогенизации останавливают. Технический результат заключается в обеспечении автоматического контроля цвета и однородности колеровочной пасты. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ производства колеровочной пасты, включающий загрузку компонентов пасты в химический реактор, снабженный электромеханической мешалкой, смешивание их с полимерной основой и осуществление диспергирования полученного состава, отличающийся тем, что далее осуществляют гомогенизацию композиции в бисерной мельнице для получения ультрадисперсных продуктов, содержащей цилиндрический корпус с перемешивающим ротором, связанным механической передачей с валом электродвигателя, внутри корпуса установлен узел фотовидеофиксации, выход которого подключен к информационному входу блока управления мельницей, снабженного модулем индикации и выполненного на основе микроконтроллера, а его силовой выход подключен к электродвигателю; во время гомогенизации композиции с помощью узла фотовидеофиксации контролируют цвет перемешиваемой композиции, выполняя его макросъемку и передачу полученного изображения композиции блоку управления; последний на основе управляющей программы осуществляет уменьшение размерности изображения, сравнение изображения уменьшенной размерности с заранее подготовленным эталонным изображением колеровочной пасты требуемого цвета путем совмещения цветовых каналов изображений и вычисления среднеквадратической разности для каждой пары изображений, первое из которых является изображением уменьшенной размерности, а второе - эталонным изображением, по формуле

где s - среднеквадратическая разность; n - количество пикселей сравниваемых изображений; х_i, y_i - значения яркости пикселей изображения, полученного от узла фотовидеофиксации, и пикселей эталона;

далее выполняют сравнение полученной среднеквадратической разности с 5% порогом, в случае если этот порог не превышен, считают изображения идентичными, а композицию однородной, и с помощью блока управления останавливают процесс ее гомогенизации.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в блоке управления используют микроконтроллер, содержащий микропроцессорное ядро, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, USB-контроллером, Ethernet-контроллером, модулем LCD-интерфейса, интерфейсом ввода/вывода общего назначения, сгруппированного в два восьмиразрядных GPIO-порта ввода-вывода, и модулем подключения SD-карты; при этом Ethernet-контроллер выполнен с возможностью подключения к персональному компьютеру с помощью стандартизированного физического сетевого интерфейса RJ-45, к модулю LCD-интерфейса электрически подключен модуль индикации, выполненный в виде LCD-дисплея; к USB-контроллеру подключен информационный вход блока управления, к первому восьмиразрядному GPIO-порту ввода-вывода электрически подключена кнопочная клавиатура, второй GPIO-порт ввода-вывода подключен к силовому выходу блока управления, а в слот модуля подключения SD-карты вставлена и электрически соединена с модулем SD-карта.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для осуществления макросъемки композиции в качестве узла фотовидеофиксации применяют видеокамеру, выполненную с возможностью получения видеопотока сверхвысокой четкости.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве микроконтроллера применяют микросхему LPC2478, основанную на микропроцессорном ядре ARM7TDMI-S, работающем на частоте 72 МГц.