Способ определения состояния лакокрасочных покрытий по диэлектрическим характеристикам
METHOD FOR DETERMINING THE STATE OF PAINT AND VARNISH COATINGS BASED ON DIELECTRIC CHARACTERISTICS

Изобретение относится к области физики, а именно определению диэлектрических характеристик лакокрасочных покрытий и установлению взаимосвязи изменения этих характеристик с физико-механическими свойствами покрытия в процессе его старения.
Лакокрасочные покрытия, в зависимости от условий эксплуатации, обладают определенным набором свойств: адгезия, твердость, прочность при ударе, атмосферостойкость и др. В результате процессов старения покрытий изменяются показатели их свойств, повышается хрупкость.
Изменение свойств лакокрасочных покрытий в процессе старения вызывается изменением их строения, в результате чего происходит: постепенное увеличение коэффициента полимеризации, увеличение размеров кристаллических образований, продолжение процесса сшивки цепей и образование пространственных сеток, окисление и другие химические взаимодействия со средой.
Таким образом, в результате старения и постепенного снижения показателей свойств покрытий защищаемая поверхность подвергается воздействию разрушающих факторов. В связи с этим, важно своевременно определять состояние лакокрасочного покрытия и в случае необходимости его ремонтировать.
Для определения характеристик и свойств лакокрасочных покрытий существуют различные методы. Однако большинство методов, с помощью которых эффективно возможно определить физико-механические и защитные свойства покрытий, являются разрушающими методами контроля, и в связи с этим, носят исключительно экспериментальный характер и на практике не применимы.
Известно, что у лакокрасочных покрытий в процессе старения изменяются их диэлектрические характеристики. Для различных материалов существует взаимосвязь изменения диэлектрических характеристик с физико-механическими свойствами.
Диэлектрические характеристики покрытий возможно определять неразрушающими методами, поэтому определение закономерностей изменения диэлектрических характеристик в процессе старения покрытий, а также определение зависимостей изменения диэлектрических характеристик от физико-механических и других свойств, является ценным и практически значимым.
Одними из основных диэлектрических характеристик для различных объектов являются добротность (Q), диэлектрическая проницаемость (ε) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ).
Существующие способы определения диэлектрических характеристик, как правило, неприменимы для работы с лакокрасочными покрытиями. А известные способы оценки защитных покрытий, в том числе лакокрасочных, направлены либо на применение на экспериментальном этапе, либо не позволяют оценить их диэлектрические характеристики.
Известен способ прогнозирования долговечности промышленных противокоррозионных лакокрасочных покрытий для металлических поверхностей (патент РФ №2520164). Способ применяют для прогнозирования долговечности (срока службы) лакокрасочных покрытий, предназначенных для защиты металлических поверхностей промышленных объектов от коррозии. Способ предусматривает проведение ускоренных электрохимических испытаний металлических образцов с покрытиями во времени при наложении заданных частот переменного тока в среде электролита с последующим определением частотного коэффициента изменения электрической емкости образцов, по величине которого оценивают защитные свойства указанных покрытий.
Однако, данный способ является применимым на экспериментальном этапе, при оценке коррозионной стойкости различных покрытий, и не предназначен для определения текущего состояния покрытия.
Известен способ определения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрической структуры (патент РФ №2716600). Способ применяют для определения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь устройств СВЧ-электроники.
Основным недостатком данного способа является то, что он не предназначен для определения диэлектрических характеристик лакокрасочных покрытий.
Известен метод определения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь с помощью куметра, принятый за прототип (Ю.А. Гусев. Основы диэлектрической спектроскопии / уч. пособие. Казанский гос. ун-т. Казань, 2008. с. 67).
Метод основан на определении диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь по формулам, в результате определения показателя добротности (Q) и емкости объекта (С) с помощью куметра. Метод отличается высокой точностью получения результатов.
Основным недостатком данного метода является его неприспособленность для определения диэлектрических характеристик лакокрасочных покрытий.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА заключается в определении состояния лакокрасочных покрытий путем установления закономерностей изменения его диэлектрических характеристик в процессе старения и их сопоставлении с физико-механическими свойствами покрытия.
В результате решения указанной задачи разработан способ определения состояния лакокрасочных покрытий по диэлектрическим характеристикам. Этот способ позволяет установить текущее состояние лакокрасочного покрытия, предварительно определить его срок службы, а также служит вспомогательным фактором при принятии решения о целесообразности ремонта покрытия.
Предлагаемый способ определения состояния лакокрасочных покрытий по диэлектрическим характеристикам осуществляют на базе известного способа, предусматривающего определение изменения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь с помощью куметра, через определение параметра добротности и емкости объекта. Установленные таким образом зависимости изменения диэлектрических характеристик в процессе старения покрытия и сопоставление этих значений с известными значениями физико-механических свойств позволяют сделать выводы о текущем состоянии покрытия.
Для определения добротности лакокрасочного покрытия методом куметра разработана измерительная ячейка, в которую помещается образец с лакокрасочным покрытием (фиг. 1 - вид сверху (разложенное состояние), фиг. 2 - вид сбоку (сложенное состояние)).
Измерительная ячейка состоит из нижней крышки 1, соединенной с верхней крышкой 2 шарнирным соединением. На нижней и верхней крышках 1 и 2 с внутренней стороны изолирующими пластинами 3 закреплены плоские электроды 4. В центре изолирующих пластин 3 выполнено отверстие, которое образует площадку под образец 5, на которой базируется один край плоского электрода 4. Другой край плоского электрода 4 размещен за краем верхней и нижней крышек 1 и 2, на котором смонтированы контакты измерительной ячейки 6 для соединения измерительной ячейки с куметром.
Порядок работы с измерительной ячейкой следующий: исследуемый образец устанавливается на площадку под образец 5, измерительную ячейку закрывают, смыкая верхнюю и нижнюю крышки 1 и 2, тем самым обеспечивает плотный контакт между плоскими электродами 4 и исследуемым образцом. Контакты измерительной ячейки 6 присоединяются к куметру посредством проводников, после чего проводят испытания исследуемого образца.
Кроме измерительной ячейки для определения диэлектрических характеристик лакокрасочных покрытий необходим куметр (напр. измеритель добротности Е4-11, TeslaBM 560 и др.) и магнитный толщиномер покрытий с погрешностью не более 3%.
Подготовка к испытаниям, их проведение и оценка результатов.
- Для испытаний готовят не менее 3 одинаковых образцов исследуемого покрытия (ГОСТ 8832). Толщина испытываемого покрытия должна соответствовать рекомендациям в технической документации к материалу;
- Измеряют толщину испытываемых покрытий при помощи толщиномера с погрешностью не более 3%;
- Куметр готовят к эксплуатации в соответствии инструкцией;
1
1
0
- Подключают катушку индуктивности, и проводят измерения добротности Q и емкости C катушки при резонансе на выбранной частоте f и определяют собственную емкость катушки С;
2
2
- Подключают измерительную ячейку с исследуемым образцом к клеммам куметра и проводят измерения добротности Q и емкости С катушки при резонансе на выбранной частоте f;
1
2
1
2
- После считывания показателей добротности (Q, Q) и емкостей (С, С) по шкалам куметра расчитывают тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) и диэлектрическую проницаемость (ε) исследуемого образца:
где С - резонансная емкость образца при частоте f;
где  - емкость катушки при резонансе на частоте 2f.
Таким образом, возможно осуществлять измерение диэлектрических характеристик различных лакокрасочных покрытий, применяемых в различных отраслях промышленности.
Проведенные исследования лакокрасочных покрытий, на примере акриловых лакокрасочных материалов, по описанной выше методике, позволили установить закономерности изменения диэлектрических характеристик (добротность, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь) лакокрасочных покрытий в процессе их старения, а также установить взаимосвязь изменения диэлектрических характеристик с адгезией (ГОСТ 31149), твердостью (ГОСТ 54586) покрытий, а также с площадью микротрещин на покрытии. Результаты представлены в таблице: изменение свойств и характеристик лакокрасочных покрытий в процессе старения. Полученные значения являются усредненными по результатам испытаний.
В результате проведенных испытаний построен график зависимостей изменения добротности и площади микротрещин на лакокрасочном покрытии от срока его эксплуатации (фиг. 3). Полученные зависимости позволяют установить изменение указанных параметров в процессе старения лакокрасочного покрытия на основе акриловых лакокрасочных материалов.
Сопоставление значений диэлектрических характеристик с твердостью, адгезией и площадью микротрещин на лакокрасочном покрытии позволяет установить текущее состояние покрытия, способствует определению его срока службы, а также может послужить вспомогательным фактором при принятии решения о целесообразности ремонта покрытия.