КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ КРАСИТЕЛЬ, И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГИ В ОБЪЕКТАХ
COATING COMPOSITION COMPRISING DYE AND METHOD OF DETECTING MOISTURE IN OBJECTS

Настоящее изобретение относится к определению влаги в объектах, имеющих покрытие. В частности, настоящее изобретение относится к композиции для нанесения покрытия, содержащей краситель, и к способу определения влаги в объектах с применением сигнального слоя, содержащего краситель. Такие покрытия могут подходить, например, для обнаружения влаги, скапливающейся на деревянных или металлических поверхностях.
В широком смысле настоящее изобретение относится к области чувствительных покрытий. Согласно общему определению, такие покрытия способны обеспечивать обнаружение изменений в окружающей среде, например, в расположенной под покрытием поверхности, и делать данные изменения «видимыми» посредством сигнальной функции. Сигнальная функция может значительно различаться по природе, но предпочтительно она позволяет «считывать» изменения на расстоянии. Сигнальная функция может, например, представлять собой изменение характеристик поглощения покрытия (например, цвета).
Однако изменение цвета под влиянием окружающей среды нежелательно для покрытий, используемых в декоративных целях, таких как краски для деревянных или других поверхностей. Вследствие этого, чувствительные покрытия предпочтительно не должны поглощать в видимой области спектра, т.е. не должны иметь цвета. (Ближние) инфракрасные (ИК) и ультрафиолетовые (УФ) красители, т.е. красители, поглощающие в (ближней) инфракрасной области или ультрафиолетовой области, соответственно, удовлетворяют данному требованию и особенно подходят для покрытий с сигнальной функцией. В общем, в качестве источника света может быть использован спектр солнечного излучения, обеспечивающий сигнальную функцию.
Покрытия, содержащие микрочастицы с БИК красителями, известны, например, из патента США №8367193. В указанном патенте описаны нанокомпозитные дисперсии, используемые для обеспечения прозрачных покрытий с улучшенными барьерными свойствами, характеризующиеся наличием невидимого маркерного красителя в дисперсии для улучшения контроля качества, безопасности и разработки технологии производства. Маркерный краситель представляет собой водорастворимый инфракрасный (ИК) или ближний инфракрасный (БИК) краситель. Указанные покрытия обеспечивают прозрачные покрытия толщиной 1-10 микрометров с высокими барьерными свойствами, содержащие ИК или БИК краситель, который обеспечивает быстрое измерение толщины и равномерности покрытия. Однако описанное покрытие не подходит для обнаружения каких-либо изменений в окружающей среде, так как описанная система полимер-краситель стабильна и нечувствительна к изменению. Таким образом, описанное покрытие не является чувствительным покрытием.
Одной из важных функций чувствительных покрытий является обнаружение влаги, скапливающейся на поверхностях под покрытиями, таких как деревянные поверхности, металлические поверхности или другие поверхности.
Для деревянных поверхностей существующие способы обнаружения влаги большей частью являются разрушающими, например, способ, согласно которому две иголки вставляют в деревянный объект для измерения влагоустойчивости дерева. Неразрушающие способы, основанные, например, на применении одностороннего портативного ЯМР и инфракрасной термографии, не всегда достаточно точны или применимы. При этом для других типов поверхностей неразрушающие способы неизвестны.
Кроме того, существующие способы обеспечивают только локальное измерение содержания влаги на поверхности под покрытием, а не на всей поверхности одновременно.
С учетом вышесказанного, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении покрытия для различных типов поверхностей, подходящего для обнаружения влаги в объектах. Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа обнаружения влаги в объектах, который является неразрушающим, точным и позволяет анализировать весь объект одновременно. Также желательно, чтобы указанный способ был простым в использовании и не требовал применения дорогостоящего детектирующего оборудования.
С целью лучшего соответствия одному или более из вышеупомянутых требований в одном аспекте настоящего изобретения предложена композиция для нанесения покрытия, содержащая систему, содержащую краситель, инкапсулированный в матрицу полимера, причем указанный краситель демонстрирует поглощение только за пределами видимой части спектра, при этом указанная инкапсулированная система способна претерпевать детектируемое изменение характеристик поглощения под влиянием растворителя, предпочтительно влаги.
Настоящее изобретение основано на рациональном подходе, состоящем в том, что быстрое, неразрушающее и простое обнаружение влаги на больших поверхностях может быть реализовано за счет применения сигнального слоя с инкапсулированными системами, содержащими краситель и полимер, причем краситель не поглощает в видимой части спектра и вместе с тем демонстрирует поглощение за пределами видимой части спектра, и при этом комбинация красителя и полимера способна изменять характеристики поглощения под влиянием растворителя (влаги) в окружающей среде. Также можно сказать, что краситель демонстрирует поглощение (выше пределов детектирования) только за пределами видимой части спектра. Система также может применяться для обнаружения присутствия других растворителей, отличных от влаги.
Система, содержащая краситель в матрице полимера, предпочтительно реализована в форме микрочастиц. Как подробнее описано ниже, в предпочтительном варианте реализации микрочастицы имеют структуру ядро-оболочка, при этом ядро содержит краситель, а оболочка содержит полимер. Данный вариант реализации имеет преимущество, заключающееся в том, что инкапсулированная система демонстрирует высокую химическую стабильность, а также проста в обращении. В альтернативном варианте реализации система реализована в форме (полу)непрерывной матрицы полимера, в которой диспергированы частицы красителя.
В таком сигнальном покрытии характеристики поглощения красителя могут быть изменены с наличия поглощения на отсутствие поглощения, или наоборот, благодаря инициирующему фактору. Таким образом, система может претерпевать детектируемое изменение характеристик поглощения на определенной длине волны. Указанное изменение должно быть детектируемым с помощью традиционных средств, таких как модифицированная камера. В частности, изменение поглощения на определенной длине волны должно составлять по меньшей мере 10% в единицах поглощения (AU; англ.: absorption units), предпочтительно по меньшей мере 20%, более предпочтительно по меньшей мере 50%. Инициирующий фактор может быть термическим, механическим или химическим, таким как рН, присутствие влаги, коррозии и т.д. Изменение состояния красителя может быть инициировано, например, изменением полярности под действием растворителей, перераспределением по покрытию или перераспределением размеров частиц диспергированного красителя.
В некоторых вариантах реализации инициирующий фактор может представлять собой механический инициирующий фактор. Примеры таких инициирующих факторов в различных областях применения описаны в следующих источниках. "Interaction between microcapsules and cementitious matrix after cracking in a self-healing system", Wang, X., Xing, F., Zhang, M., Han, N., Qian, Z., ICSHM 2013: Proceedings of the 4th International Conference on Self-Healing Materials, Ghent, Belgium, 16-20 June 2013. "Mechanical Properties of Microcapsules Used in a Self-Healing Polymer" M.W. Keller and N.R. Sottos, Department of Theoretical and Applied Mechanics and Beckman Institute for Advanced Science and Technology University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL 61801, September 6, 2005.
В некоторых вариантах реализации инициирующий фактор может быть термическим. Примеры таких инициирующих факторов в других областях применения описаны в следующих источниках. "Temperature-triggered on-demand drug release enabled by hydrogen-bonded multilayers of block copolymer micelles", Zhichen Zhu, Ning Gao, Hongjun Wang, Svetlana A. Sukhishvili, Department of Chemistry, Chemical Biology and Biomedical Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken 07030, USA, Journal of Controlled Release. "Thermo-stimulable wax-SiO2 core shell particles", Mathieu Destribats, Veronique Schmitt et Renal Backov. Langmuir, 2 February 2010. "Triggered Release from Polymer Capsules", Aaron P. Esser-Kahn, Susan A. Odom, Nancy R. Sottos, Scott R. White and Jeffrey S. Moore, Beckman Institute for Advanced Science and Technology, Department of Chemistry, Department of Materials Science and Engineering, and Department of Aerospace Engineering, University of Illinois at Urbana Champaign, Urbana, Illinois 61801, United States, Macromolecules.
В частности, в одном варианте реализации таким инициирующим фактором может быть рН или протонная активность на поверхности, которая находится в непосредственном контакте с покрытием, содержащим краситель. В связи с вышесказанным, в одном варианте реализации композиция содержит полимер, чувствительный к рН. Присутствие влаги в объекте вблизи покрытия с определенной протонной активностью или рН, при которых полимер, чувствительный к рН, проявляет гидрофильные свойства, приводит к разрыву или разрушению капсул с красителем в покрытии вследствие набухания или гидролиза полимера. Другими примерами инициирующих факторов являются растворители, отличные от воды. В других вариантах реализации полимер способен распадаться под действием рН. Такой полимер не набухает при воздействии инициирующего фактора, а подвергается распаду, что приводит к проницаемости полимерной оболочки.
Если инкапсулированная система также содержит растворитель, и краситель растворен в этом растворителе, то разрушение приводит к диффузии растворителя из капсул и изменению состояния красителя. Это изменение может представлять собой, например, изменение с сольватированного на несольватированное состояние. Изменение также может заключаться в изменении концентрации красителя или различном распределении красителя в матрице и т.д.
Также возможно инкапсулирование растворителя в полимерную матрицу отдельно от красителя, и после разрушения капсулы растворитель диффундирует к красителю и по меньшей мере частично его растворяет. Во всех указанных вариантах реализации краситель меняет свои характеристики поглощения, например, он перестает поглощать в ИК или УФ областях. Изменения в поглощении можно детектировать с помощью подходящей камеры.
Предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения представляет собой покрытие, содержащее микрочастицы, нанесенное на деревянную поверхность, и рН в качестве инициирующего фактора для обеспечения перехода ИК-красителя из одного состояния в другое. Однако это не ограничивает применение настоящего изобретения, которое может применяться к другим поверхностям, таким как металлические поверхности, а также с другими инициирующими факторами, такими как изменение полярности под действием растворителей и т.д.
В предпочтительном варианте реализации микрокапсулы, содержащие краситель, растворенный в растворителе внутри оболочки микрокапсулы, равномерно распределены в матрице покрытия, например, краске. Вода из окружающей среды приходит в контакт с деревом и образует кислоты, такие как дубильные кислоты. Итоговое снижение рН под покрытием служит инициирующим фактором для разложения оболочки микрокапсулы. Это позволяет инкапсулированному растворителю диффундировать в матрицу покрытия. Если краситель имеет очень низкую растворимость в матрице покрытия, то он не будет диффундировать в матрицу покрытия и осаждаться, что приводит к уменьшению сигнала поглощения. В качестве альтернативы, краситель диспергирован в матрице покрытия в своем нерастворенном состоянии, и диффузия растворителя в покрытие обеспечивает растворение активного ингредиента, что приводит к увеличению сигнала поглощения. Уменьшение (или возможное увеличение) поглощения является показателем того, что влага вступает в контакт с деревом.
Система, применяемая в покрытии согласно настоящему изобретению, содержит краситель в матрице полимера. Предпочтительно, система представлена в форме микрочастиц, которые предпочтительно содержат ядро и оболочку, окружающую ядро. Следует понимать, что микрочастица также может иметь несколько ядер; аналогично, также возможны и несколько оболочек. Предпочтительно, размер микрочастиц составляет менее 30 мкм, предпочтительно менее 10 мкм, более предпочтительно менее 1 мкм. Возможны также другие структуры микрочастиц, например, твердые частицы красителя, диспергированные или включенные в полимерную матрицу. В этом случае размер твердых частиц красителя предпочтительно составляет менее 30 мкм, предпочтительно менее 10 мкм, более предпочтительно менее 1 мкм. В контексте настоящего описания размер частицы относится к самому большому диаметру частицы, измеренному по репрезентативному числу фотографий, полученных с помощью микроскопа (такому как 20).
В одном варианте реализации инкапсулированная система дополнительно содержит растворитель. Это может быть растворитель, в котором растворим краситель, вследствие чего краситель присутствует в сольватированной форме. Также растворитель может не растворять краситель. Растворитель также может присутствовать в инкапсулированной системе (микрочастице) в инкапсулированной форме сам по себе, так что между растворителем и красителем не происходит никакого взаимодействия до тех пор, пока полимерная матрица не разрушается под влиянием инициирующего фактора. В этом случае краситель первоначально присутствует в системе в несольватированной форме и становится сольватированным после разрушения. Инкапсулированная система может также содержать пластификатор, который также может выступать в качестве растворителя для красителя. Специалист способен выбрать подходящий пластификатор для конкретной системы. В одном варианте реализации в качестве пластификатора применяют алифатические сложные эфиры, предпочтительно диизонониловый эфир 1,2-циклогександикарбоновой кислоты (DINCH, Hexamoll).
Предпочтительно, изменение в свойствах красителя под влиянием инициирующего фактора представляет собой изменение в характеристиках поглощения для сольватированного и несольватированного состояний. Например, одно из этих состояний должно демонстрировать поглощение в некоторой (ИК или УФ) области, в то время как другое состояние по существу не должно демонстрировать поглощения в этой же области или по меньшей мере должно демонстрировать поглощение в меньшей степени. "По существу отсутствие поглощения" в настоящем описании означает по меньшей мере в 10 раз более низкое поглощение, чем в поглощающем состоянии. В одном из таких вариантов реализации краситель в сольватированной форме предпочтительно поглощает в ИК области, в то время как в несольватированной форме он не поглощает в данной области. В другом варианте реализации краситель в сольватированной форме не поглощает в ИК области, в то время как в несольватированной форме он поглощает в данной области. В частности, краситель в сольватированной форме предпочтительно поглощает излучение с длиной волны в диапазоне 700-2400 нм, а в несольватированной форме он не поглощает излучение в данной области, или наоборот.
Предпочтительно краситель представляет собой ИК или УФ краситель, это означает, что краситель демонстрирует поглощение в ИК или УФ части спектра, соответственно. Более предпочтительно, краситель демонстрирует поглощение только за пределами видимой части спектра. В некоторых вариантах реализации краситель представляет собой ИК краситель.
Предпочтительно, чтобы краситель демонстрировал единственный интенсивный пик поглощения в ИК или УФ области. Предпочтительно, чтобы в наиболее поглощающем состоянии (например, в сольватированной форме) краситель имел пик поглощения в области длин волн 700-2400 нм или 10-400 нм, более предпочтительно 750-1200 нм. В другом состоянии (например, в несольватированной форме) краситель не должен поглощать излучение в той же области или должен поглощать в меньшей степени. Предпочтительно, в менее поглощающем состоянии (например, несольватированном) краситель должен поглощать менее 50%, предпочтительно менее 30%, более предпочтительно менее 10% по сравнению с наиболее поглощающим состоянием (например, сольватированным) при измерении по соотношению интенсивностей на одной и той же длине волны. То же применимо в случае, когда несольватированная форма является наиболее поглощающей за пределами видимой области спектра (ИК или УФ области).
Сольватированное состояние относится к ситуации, при которой краситель может взаимодействовать на молекулярном уровне с присутствующими матрицей и/или растворителем таким образом, что это изменит характеристики поглощения молекул красителя по сравнению с несольватированным состоянием. Несольватированное состояние относится к ситуации, в которой большинство молекул красителя не взаимодействуют с матрицей и/или растворителем.
Без привязки к конкретной теории, полагают, что с целью получения оптических эффектов важно распределение частиц в покрытии, поскольку только поверхностные молекулы высоко диспергированного порошка имеют оптические эффекты. Также полагают, что только указанные поверхностные молекулы, взаимодействующие с матрицей и/или растворителем, а не молекулы в объеме, обеспечивают оптические эффекты. Поскольку для указанных красителей характерно такое молекулярное взаимодействие, их поведение может быть "включено" и "выключено" посредством изменения совместимости с окружающей средой, например, путем применения вещества, не являющегося растворителем для красителя, или растворителя. Это позволяет красителям изменять состояние с поглощающего на непоглощающее, и наоборот.
Краситель, применяемый согласно настоящему изобретению, предпочтительно по существу не поглощает свет в видимой области (длины волн в диапазоне 400-700 нм) и, вследствие этого, не имеет цвета для невооруженного глаза. То, что краситель не поглощает в видимой области спектра, позволяет использовать его в декоративных покрытиях без изменения цвета покрытия (например, красок).
Подходящие красители могут представлять собой, например, органические красители, полимерные красители, комплексы металлов и плазменные частицы. Некоторые конкретные примеры особенно подходящих БИК красителей представляют собой NIR1002 и NIR1047 от компании QCR. Примеры УФ красителей включают кумарин и его производные, такие как 7-гидрокси-4-метилкумарин или 7-гидрокси-3-метилкумарин, а также бензофеноны, иара-аминобензойную кислоту, камфору, дибензоилметан, гомосалат, эфиры коричной кислоты, крилены и их производные. В конкретном варианте реализации применяют нефлуоресцирующие красители. Специалист способен определить, какие красители не обладают флуоресценцией. Более того, флуоресценция в видимой области спектра нежелательна, например, в декоративных покрытиях она будет влиять на цвет покрытия (краски).
Группа предпочтительных органических красителей включает кватеррилены, хинофталоны, антрахиноны, диоксазины, цианины. Подходящие красители представляют собой, например, Люмоген (LUMOGEN) от компании BASF, такой как Люмоген 765 (LUMOGEN 765), кватерриленовый краситель с максимум поглощения при 765 нм, БИК красители от компаний QCR Solutions, ADS и FEW Chemicals.
Некоторые подходящие поглощающие органические БИК красители представлены ниже в Таблице 1 настоящего описания вместе с их химической формулой (если таковая известна) и длиной волны максимума поглощения.
Другая группа подходящих красителей представляет собой хелаты металлов, предпочтительно хелаты никеля. Подходящие красители из этой группы включают ADS845MC, ADS920MC, ADS870MC (от компании ADS dyes), бис(дитиобензил)никель, бис(4,4'-диметоксидитиобензил)никель, бис(4-диметиламинодитиобензил)никель. Указанные красители представлены ниже в Таблице 2 вместе с их химической структурой и длиной волны максимума поглощения.
В предпочтительном варианте реализации инкапсулированная система дополнительно содержит растворитель. Краситель может быть растворен в растворителе, или он может быть инкапсулирован отдельно с целью предотвращения контакта. Таким образом, изначально краситель может присутствовать в микрочастице в сольватированной форме или в несольватированной форме. Может быть использован любой подходящий растворитель, в котором растворим краситель. В некоторых вариантах реализации применяют растворители, в которых краситель нерастворим, например, в комбинации с другими растворителями, в которых краситель растворим - таким образом можно влиять на растворимость красителя. Специалист способен найти подходящий растворитель для конкретного красителя.
В некоторых вариантах реализации растворитель предпочтительно не является водой, и раствор, таким образом, является неводным. Предпочтительно, используют органический растворитель. Соответственно, в данных вариантах реализации краситель представляет собой водонерастворимый краситель. Как правило, подходящими являются органические растворители, такие как кетоны, сложные эфиры и спирты. Например, наиболее подходящий растворитель для красителей NIR1002 и NIR1047 представляет собой метилизобутилкетон (MIBK).
Краситель предпочтительно присутствует в растворе в количестве, составляющем менее 1 масс. %, предпочтительно менее 0,1 масс. %, более предпочтительно в количестве не более 0,01 масс. %, таком как 0,00001-0,01 масс. %, предпочтительно 0,0001-0,005 масс. %.
Композиция согласно настоящему изобретению дополнительно содержит полимер. В одном варианте реализации полимер представляет собой полимер, чувствительный к рН, и предпочтительно характеризуется критическим рН набухания ниже 7, более предпочтительно в диапазоне 2,5-6,0, еще более предпочтительно 2,6-5,8, наиболее предпочтительно 3,0-5,0. В частности, такой диапазон рН пригоден для деревянных поверхностей, так как авторами настоящего изобретения было обнаружено, что он соответствует рН в древесине, которая подвергалась воздействию влаги. Такое значение рН применимо ко всем химически не обработанным породам древесины. Предпочтительно, породы древесины включают лиственницу, ель, сосну, дугласовую пихту, клен, березу, бук, ясень, красное дерево, тик. Для других применений может быть желательным щелочной критический рН набухания (который составляет больше 7, предпочтительно по меньшей мере 8).
Критический рН набухания полимера представляет собой рН, при котором имеет место «переключение» гидрофобных/гидрофильных свойств. В частности, в одном варианте реализации полимер обладает гидрофильными свойствами при рН ниже рН набухания и существует в набухшей форме с гидратированными полимерными цепями. При рН выше критического рН набухания он обладает гидрофобными свойствами и находится в сжатой форме. Предпочтительно, сополимеры (или гидрогели), содержащие фрагменты, которые способны протонироваться и в результате становиться катионными (катионные сополимеры), применяют в качестве полимеров, чувствительных к рН, согласно настоящему изобретению. Такие сополимеры содержат катионные (положительно заряженные) фрагменты в своих остовах, т.е. фрагменты, которые способны протонироваться. В зависимости от рН окружающей среды сополимер демонстрирует либо гидрофильные, либо гидрофобные свойства. При значениях рН выше рКа катионных фрагментов сополимер является гидрофобным (вытесняет воду из системы) и находится в сжатом состоянии, тогда как при значениях рН ниже рКа сополимер становится гидрофильным и абсорбирует воду, что приводит к набухшему состоянию. рН переключения гидрофобных-гидрофильных свойств можно назвать критическим рН набухания. При этом рН происходит переход между набухшим и сжатым состояниями.
Сополимеры, способные протонироваться, могут быть получены путем сополимеризации мономеров, способных протонироваться, на полимерном остове. Следовательно, такой сополимер предпочтительно представляет собой полимер, сополимеризованный по меньшей мере с одним мономером, способным протонироваться. Мономер, способный протонироваться, предпочтительно выбран из группы, состоящей из акрилатов, метакрилатов, виниловых соединений, содержащих по меньшей мере одну первичную, вторичную или третичную амино- или сульфидную группу, и их производных.
Предпочтительно, полимерный остов содержит по меньшей мере одну третичную аминогруппу, так как она протонируется при низком рН. При уменынениии рН ниже рКа ионизируемых групп происходит протонирование аминогрупп, что приводит к образованию положительных зарядов вдоль цепи остова.
Подходящие сополимеры могут быть получены из диметиламиноэтилметакрилата (DMAEM) или диэтиламиноэтилметакрилата (DEAEM) и метилметакрилата (ММА). Другой пример представляет собой сополимер диметиламиноэтилметакрилата, бутилметакрилата и метилметакрилата. Например, подходящим полимером является Эудрагит Е РО.
В другом варианте реализации в качестве полимера, чувствительного к рН, применяют гидролизуемые сложные полиэфиры. Их примерами являются полимолочная кислота (PLA), полигликолевая кислота (PGA), сополимер молочной и гликолевой кислот (PLGA), поликапролактоны. В данном варианте реализации полимер представляет собой полимер, распадающийся под действием определенного рН. Предпочтительно, критическая точка представляет собой рН ниже 7, более предпочтительно 2,5-6,0, еще более предпочтительно 2,6-5,8, наиболее предпочтительно 3,0-5,0. Наиболее подходящими полимерами, распадающимися под действием рН, являются гидролизуемые под действием кислот сложные полиэфиры, предпочтительно алифатические и ароматические сложные полиэфиры, такие как Экофлекс (Ecoflex) от компании BASF.
Инкапсулированная система может дополнительно содержать другие компоненты, такие как по меньшей мере одно из поверхностно-активных веществ, диспергирующих добавок, смачивающих агентов, загустителей, пеногасителей, стабилизаторов.
В одном из вариантов реализации поверхность, имеющая покрытие, представляет собой деревянную поверхность. Предпочтительно, породы древесины включают лиственницу, ель, сосну, дугласовую пихту, клен, березу, бук, ясень, красное дерево, тик.
Инкапсулированная система, такая как микрочастицы, описанные выше, может быть получена способом, включающим инкапсулирование красителя в матрицу, содержащую полимер. Может применяться любой подходящий способ инкапсулирования, известный специалисту в данной области техники, например, метод испарения растворителя. В процессе инкапсулирования для уменьшения агломерации при необходимости могут быть использованы поверхностно-активные вещества. Подходящие поверхностно-активные вещества известны специалисту в данной области техники. Если микрочастицы также содержат растворитель, в котором растворен краситель, краситель может быть растворен в этом растворителе перед инкапсулированием.
Инкапсулированную систему согласно настоящему изобретению предпочтительно применяют в виде дисперсии микрочастиц в подходящем органическом или неорганическом растворителе, например, в покрытиях для деревянных или других поверхностей. Композиция для нанесения покрытия может дополнительно содержать традиционные компоненты, такие как жидкая фаза (органические растворители или водная), связующие вещества и т.д.
Композицию для нанесения покрытия согласно настоящему изобретению в общем случае наносят на подложку (например, деревянную или металлическую поверхность) и высушивают с получением покрытия. После нанесения покрытия можно определить содержание влаги в поверхности, имеющей покрытие, благодаря наличию, изменению или отсутствию поглощения красителя, присутствующего в покрытии.
В другом аспекте настоящего изобретения предложен способ определения влаги в объектах, включающий этапы:
(a) обеспечения объекта с сигнальным слоем, причем указанный сигнальный слой демонстрирует поглощение излучения за пределами видимой части спектра и изменение этого поглощения излучения под влиянием влаги, и
(b) измерения поглощения или отражения излучения объектом с покрытием за пределами видимой части спектра.
В предпочтительном варианте реализации сигнальный слой содержит описанную выше инкапсулированную систему, которая содержит краситель в матрице полимера, причем краситель демонстрирует поглощение за пределами видимой части спектра, и при этом инкапсулированная система красителя и полимера претерпевает изменение поглощения излучения под влиянием влаги.
В другом предпочтительном варианте реализации этап измерения отражения или поглощения излучения осуществляют по меньшей мере два раза, причем способ дополнительно включает этап определения различий в отражении или поглощении объектом излучения за пределами видимой части спектра.
Такие различия могут быть определены различными способами. Например, определение может быть проведено с течением времени, при этом осуществляют по меньшей мере два измерения отражения или поглощения излучения с временным интервалом, таким как недели, месяцы, годы. В этом случае необходимо анализировать только части спектра за пределами видимой его части.
В другом варианте реализации определяют различия во всем спектре, например, возможно проведение измерений одновременно (однако нестрого обязательно) для всего спектра и за пределами видимой части. Этот вариант реализации также можно комбинировать с измерениями с временными интервалами, например, для того чтобы осуществлять двойную проверку, следить за различиями в видимой части спектра и за ее пределами с течением времени. В этом варианте реализации также может применяться анализ изображения, например, если визуально гладкое покрытие имеет нерегулярный характер в УФ или ИК, наличие неоднородностей (точечных дефектов) может указывать на участки присутствия влаги. Это делает возможным также определение точного места скопления влаги.
Настоящее изобретение дополнительно относится к программному продукту, предпочтительно содержащему материальный носитель информации, при этом программный продукт содержит инструкции для осуществления этапа обнаружения различий в поглощении или отражении, необязательно различий в зависимости от времени или положения. Носитель информации может представлять собой, например, DVD, USB-накопитель или другой подходящий носитель.
Предпочтительно, в описанном способе краситель меняет свое состояние с поглощающего на непоглощающее или наоборот под влиянием инициирующего фактора, предпочтительно термического, механического или химического, такого как рН, присутствие влаги или коррозии.
Согласно настоящему изобретению присутствие влаги обнаруживают путем детектирования отражения или поглощения (и то, и другое зависит от характеристик поглощения материалов) излучения с длиной волны за пределами видимой части (ИК или УФ области) спектра поверхностью с покрытием. Точный диапазон длин волн, в котором необходимо детектировать поглощение, предпочтительно соответствует пику поглощения применяемого красителя.
В предпочтительном варианте реализации отражение излучения в ИК области может подходящим образом быть определено с применением видеокамеры на основе устройства с зарядовой связью (CCD-камеры; англ.: charged coupled device). Современные технологии CCD-интегральных микросхем применяют в повседневных зеркальных фотокамерах. CCD-интегральные микросхемы, применяемые в данных камерах, имеют область чувствительности вплоть до 1200 нм в инфракрасной (ИК) области. Однако при регистрации изображений значимой обычно является только информация, полученная из видимой области спектра, и вследствие этого для отсеивания информации из ИК области в эти камеры помещают фильтры, отсекающие ИК излучение. Однако посредством удаления данных фильтров и применения альтернативных фильтров могут быть зарегистрированы специфические сигналы в инфракрасной области.
Например, посредством получения двух изображений - одного для всего спектра (ИК-фильтр включен или присутствует) и одного - только для видимой части (ИК фильтр выключен или удален) анализ изображений может быть использован только для ИК составляющей изображения. Таким образом, можно определить область, в которой поглощение или отражение излучения значительно изменились. Для анализа изображений может быть применено специально разработанное программное обеспечение, которое в дальнейшем используют для «оценивания» необходимости во вмешательстве, таком как техническое обслуживание, например, для предотвращения дальнейшего повреждения.
Следовательно, в предпочтительном варианте реализации детектирование осуществляют посредством получения по меньшей мере двух изображений объекта с покрытием, более предпочтительно первого изображения с применением фильтра и второго изображения без применения фильтра, причем первое и второе изображение получают по существу в один и тот же момент времени или по существу в разные моменты времени.
В качестве примера может быть использовано покрытие, в котором краситель растворен в растворителе, и оба они инкапсулированы в чувствительной к рН полимерной матрице. В случае, когда применяют краситель, который демонстрирует поглощение в сольватированном состоянии и отсутствие поглощения в несольватированном состоянии, объект, не содержащий влаги, будет демонстрировать поглощение (например, темные или черные области) на БИК изображении. Однако, если объект содержит влагу, это будет визуализировано на БИК изображении в виде отсутствия поглощения.
В предпочтительном варианте реализации указанный способ применяют к поверхности объекта с покрытием, которая представляет собой деревянную или металлическую поверхность, и предпочтительно представляет собой деревянную поверхность. Порода дерева выбрана предпочтительно из лиственницы, ели, сосны, дугласовой пихты, клена, березы, бука, ясеня, красного дерева или тика.
Посредством детектирования поглощения или отражения излучения покрытием в разные временные точки можно следить за присутствием влаги в материале под покрытием, например, древесине, в любых погодных условиях. Предпочтительно, указанный способ применяют к объектам с деревянными и металлическими поверхностями, однако также возможны другие применения.
Для ясности и краткого описания признаки настоящего изобретения описаны в настоящем документе как часть одного и того же или отдельных вариантов реализации; однако следует понимать, что предмет настоящего изобретения может включать варианты реализации, содержащие комбинации всех или некоторых из описанных признаков. Далее настоящее изобретение будет проиллюстрировано с помощью следующих неограничивающих примеров. Доли и проценты, указанные в примерах и в тексте настоящего описания, рассчитаны по массе, если не указано иное.
Пример 1: Инициирующий фактор на основе растворителя
Органический БИК краситель NIR1002A был выбран в качестве сигнального агента из-за высокого коэффициента поглощения в БИК области. Спектры пропускания красителя в растворенном состоянии, 0,001 масс. % в MIBK, измеренные в кювете с длиной оптического пути 1 см, представлены на фигуре 1. Фигура 1 также содержит спектр пропускания растворителя MIBK.
Краситель диспергировали в виде твердых частиц в полиакрилатном прозрачном покрытии, полученном из дисперсии полиакрилатного латекса, в форме пленок покрытия толщиной 15 микрометров. На фигуре 2 показан спектр поглощения пленки покрытия с NIR1002A (верхняя кривая) и без красителя (нижняя кривая) в области длин волн 400-1100 нм.
Как можно видеть на фигуре 2, если краситель не сольватирован, то поглощения пленок покрытия в БИК области не наблюдается.
Краситель NIR1002A помещали в состав полиакрилатного покрытия, нанесенного на стеклянную подложку, и высушивали. Для инициирования изменения характеристик поглощения нижнюю половину поверхности покрытия смачивали растворителем MIBK. Это приводило к растворению красителя и переходу от непоглощающего в поглощающее состояние.
На фигуре 3 показано изображение, полученное с помощью камеры как в видимой (верх), так и БИК (низ) области. Для получения изображения в БИК области использовали фильтр, отсекающий 850 нм. Смоченная растворителем область была хорошо видна на расстоянии примерно 2 метра. Однако в видимом свете не наблюдалось видимых изменений цвета. Это также показывает, что даже низкой концентрации красителя достаточно для создания эффекта «переключения ».
Пример 2: Инкапсулирование БИК красителя с применением полимера, распадающегося под действием рН
Гидрофобный БИК краситель, растворенный в гидрофобном пластификаторе Гексамолл (Hexamoll), инкапсулировали гидролизуемым под действием кислот сложным полиэфиром (Экофлекс) с применением метода испарения растворителя, который обеспечивал микрокапсулы со структурой ядро/оболочка. В процессе инкапсулирования для уменьшения агрегации использовали поверхностно-активное вещество Тамол (TAMOL) (конденсированная нафталинсульфокислота)/ПВС. Полученные микрокапсулы показаны на изображениях, полученных с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), представленных на фигуре 4.
На изображениях, представленных на фигуре 4, четко показано образование капсул со структурой ядро/оболочка. На вставке изображения СЭМ показана капсула с вмятиной, что свидетельствует о том, что полученные частицы были полыми. Причина наличия вмятины заключается в том, что окружающая среда в методе СЭМ представляет собой высокий вакуум. Даже несмотря на высокую температуру кипения пластификатора, при таких низких давлениях он испаряется. Испарение ядра приводит к схлопыванию внутрь полимерной оболочки.
Далее полученные микрокапсулы включали в покрытие. Характеристики поглощения покрытия измеряли с помощью спектрофотометра, а полученные спектры представлены на фигуре 5. Нижняя кривая соответствует покрытию с включенными микрокапсулами, верхняя кривая соответствует водной дисперсии микрокапсул.
Измерения для водной дисперсии проводили в кювете, в то время как покрытие наносили на стеклянное предметное стекло и помещали в таком виде в спектрофотометр. Поглощение также измеряли для капсул, не содержащих БИК красителя, и были сделаны выводы, что поглощение, показанное на фигуре 6, было обусловлено присутствием БИК красителя.
На фигуре 5 показано, что характеристическое поглощение БИК красителя присутствовало как в покрытии, так и в дисперсии, хотя и в разной степени. Разница в поглощении БИК красителя в покрытии и в водной дисперсии объясняется толщиной измеряемого слоя - толщина покрытия составляла всего лишь 75 мкм, тогда как кювета имела внутреннюю ширину 5 мм. Данное различие представляет собой порядок величины, что объясняет значительное различие в поглощении.
Пример 3: БИК красители в виде частиц в системах покрытия
Передачу сигнала о присутствии влаги можно также обеспечить посредством постепенного растворения твердых частиц БИК красителя и перераспределения красителя внутри покрытия. В результате растворения и перераспределения покрытие меняло оптические свойства с непоглощающих на поглощающие, соответственно.
Было получено покрытие из органорастворимого алкида, содержащее водорастворимый БИК краситель S2161 (FEW Chemicals). На фигуре 6 представлено оптическое изображение, полученное с помощью камеры, снабженной БИК фильтром (отсекающий фильтр: 652 нм). На изображении показано два покрытия: на левой половине представлено покрытие, содержащее БИК краситель, а на правой половине - покрытие без БИК красителя. На фигуре показано отсутствие различий в поглощении. Оба покрытия, как содержащее БИК краситель покрытие, так и эталонное покрытие, не демонстрировали поглощения в БИК области спектра.
На фигуре 7 представлено оптическое изображение покрытия из водорастворимого акрилата, содержащего тот же БИК краситель S2161. Благодаря схожей растворимости БИК красителя и материала покрытия, краситель более тонко диспергирован (возможно, даже близко к молекулярному распределению в покрытии). Четко видно отличие в поглощении между покрытием, содержащим краситель (слева), и эталонным покрытием (справа). Покрытие, содержащее краситель и имеющее молекулярное распределение, демонстрировало сильное поглощение, детектируемое с помощью обычной цифровой камеры.
Различие в степени диспергирования может быть инициировано присутствием воды в покрытии и, вероятно, ускорено кислотами. Данный принцип используют для разработки покрытия, сигнализирующего о присутствии влаги. В принципе, на процесс растворения в материале покрытия можно влиять путем добавления на частицу оболочки, чувствительной к рН.