СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕТОДАМИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТИТРОВАНИЯ СТАДИИ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛКИДНЫХ ЛАКОВ
METHOD FOR CONTROL BY HIGH-FREQUENCY TITRATION OF THE POLYCONDENSATION STAGE IN THE PRODUCTION OF ALKYD LACQUERS

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.
a
Примем, что все активные потери, существующие в катушке индуктивности L и в конденсаторе С параллельного контура, сосредоточены в проводимости контура G(фиг. 1). Резонансная частота контура не зависит от потерь и определяется выражением:
0
0
Если к клеммам а и б параллельного контура (фиг. 1) приложить напряжение Е с частотой ω, то через контур потечет ток I, минимум которого будет наблюдаться в том случае, когда собственная (резонансная) частота колебаний контура ω 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:
a
Из выражений видно, что добротность параллельного колебательного контура увеличивается с уменьшением проводимости G.
a
Поскольку проводимость G 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.
a
a
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. 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) 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.
a
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 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.
a
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 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.