КОНТАКТНЫЙ ГЕЛЬ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ
CONTACT GEL FOR ULTRASONIC TESTING

Изобретение относится к контактным средам для проведения ультразвукового неразрушающего контроля, обеспечивающих надежный и равномерный контакт между ультразвуковым преобразователем и контролируемой поверхностью металлических конструкций и сооружений,   на промышленных объектах в широком диапазоне температур. Также описан способ получения контактного геля, модифицированного углеродными наноструктурами. Предлагаемый контактный гель обладает улучшенными физико-химическими характеристиками, а также антикоррозийными, антибактериальной и противогрибковыми свойствами.
Детали, подверженные циклическим нагрузкам, 90-97% времени срока службы работают при наличии и развитии дефектов. Постепенное накопление повреждений в материале детали позволяет контролировать ее состояние, используя неразрушающие методы контроля. Контактные среды обеспечивают в неразрушающем контроле передачу ультразвука с  преобразователя в объект контроля. В зависимости от объекта исследования, к контактным средам предъявляют ряд требований: рабочий температурный диапазон; вязкость; антикоррозийные, бактерицидные, противогрибковые свойства; экологическая безопасность для человека и окружающей среды.
Известен состав низкотемпературной контактирующей жидкости, предназначенной для обеспечения акустического контакта при ультразвуковом неразрушающем контроле рельсов, стрелочных переводов и сварных стыков при отрицательной (ниже минус 50°С) температуре атмосферного воздуха [патент RU 2753897, МПК G01N29/28, опубликовано: 24.08.2021]. Эффект снижения температуры застывания достигается за счет использования сбалансированного комплекса неорганических и органических соединений, дающих синергетический эффект, мас. %: этиленгликоль или пропиленгликоль 20-40; в качестве вспомогательных веществ в виде ингибиторов коррозии используется нитрит натрия 0,2-0,5 и формиат натрия 0,2-0,5; неионогенное поверхностно-активное вещество неонол или синтанол 0,1-0,5; в качестве агента, понижающего температуру кристаллизации использовали этилцеллозольв (моноэтиловый эфир этиленгликоля) 5-10; вода до 100. Недостатком является ограниченность его применения: используется только при пониженных температурах окружающей среды и не является пригодным для оборудования, работающего при повышенных температурах.
Известен состав контактной жидкости для ультразвуковой дефектоскопии, которая содержит хлорид металла или смесь хлоридов металлов с низкой температурой замерзания в водном растворе, жидкое стекло, полиакриламид, антикоррозионные добавки и воду, при этом она дополнительно содержит формиат металла или смесь формиатов металлов, имеющих низкую температуру замерзания в водном растворе, пропиленгликоль и глицерин [патент RU 2366940, МПК G01N29/28, опубликовано: 10.09.2009]. Описанный состав имеет следующее соотношение компонентов, мас. %: смесь хлоридов металлов,   имеющих низкую температуру застывания в водном растворе (например, хлористый магний и/или хлористый кальций) - 5÷40; жидкое стекло - 3÷9; синтерол АМФ-10 - 1÷3; карбамид - 0÷11; полиакриламид - 0÷0.5; нитрит натрия - 0÷5; вода - остальное. Недостатки: состав не предназначен для проведения работ при повышенной температуре, также содержит достаточно высокое содержание неорганических солей, что делает состав небезопасным по отношению к объектам окружающей среды.
Известен состав промышленной контактной среды [патент RU 2739714, МПК G01N29/28, опубликовано: 28.12.2020] является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, так как ее можно использовать для проведения исследования различных объектов методами неразрушающего контроля в лабораторных и полевых условиях при температуре окружающей среды от -60°C до +150°C. При этом заявленная промышленная контактная среда не оказывает коррозионного воздействия на ультразвуковой преобразователь или на исследуемый объект, малотоксична для человека, экологически безопасна для окружающей среды и может использоваться для исследований в любых ситуациях, так как не является токсичной по отношению к окружающей среде.
Результат достигается за счет компонентов состава, вводимых в следующем соотношении, мас. %: глицерин или пропиленгликоль - 5,0-80,0; этиловый эфир моноэтиленгликоля или диэтиленгликоля - 1,0-10,0, в качестве реологического модификатора могут быть использованы водорастворимые полимеры, такие как карбомеры, полиакриламид, эфиры целлюлозы, полиэтиленоксид и др. - 0,01-1,0; хлорид или ацетат натрия - 0,05-10,0; ингибитор коррозии (хроматы, нитриты, бензоаты, фосфаты щелочных металлов или 2-бутиндиол-1,4) - 0,1-1,0; консерванты - 0,05-0,5; очищенная вода - 8,0-93,84. Данный состав, хотя и обладает всеми необходимыми эксплуатационными свойствами для контактной среды для неразрушающего контроля, не является универсальным, то есть требует корректировки составов в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации, что может вызвать технологические затруднения при промышленном производстве составов.
Задачей изобретения является создание универсального контактного геля для неразрушающего контроля, обладающего высокой и стабильной скоростью распространения ультразвука, высокой акустической проницаемостью, и одновременно высокой вязкость, который может быть использован в широком температурном диапазоне, обладающий бактерицидными, противогрибковыми и антикоррозийными свойствами и высокой адгезией к различным материалам, безопасен для человека и окружающей среды и удобен в использовании.
Поставленная задача достигается тем, состав контактной среды входят модификатор реологии, в качестве которого выбран редко сшитый полимер акриловой кислоты – карбомер;  в качестве нейтрализатора используется третичный амин и триол - триэтаноламин, в состав комплексной присадки, улучшающая ряд эксплуатационных свойств, входит многоатомные спирты – глицерин и пропиленгликоль, соли щелочного метала – фосфаты и силикаты. Инновационным компонентом в заявленном изобретении является углеродный водорастворимый нанокомпонент - фуллеренол на основе смеси фуллеренолов С60 и С70, вода – остальное до 100. В патенте [RU 2 445 121 C2, МПК A61K 49/22, A61K 33/44, A61K 47/44, A61K 47/30, A61B 8/00, опубликовано: 20.03.2012] авторами была осуществлена идея модификации медицинского геля для ультразвуковой диагностики и также получен продукт с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Способ получения контактного геля, модифицированного углеродными наноструктурами, заключается в последовательном смешивании компонентов. На начальном этапе в воду, составляющую 1/10 часть от общей воды в составе, добавляют загуститель, интенсивно перемешивают при комнатной температуре. Стадия набухания модификатора реологии составляет от 15 до 30 минут. На этом этапе идет равновесное и обратимое набухание в полимерной основы в воде, поэтому добавление прочих компонентов состава на данном этапе приводит к значительному пролонгированию процесса и может повлиять на устойчивость и сроки хранения конечного продукта.
Затем полученную суспензию добавляют в реактор, в котором последовательно были растворены многоатомные спирты, фуллеренол, ингибитор коррозии, степень растворения контролируется визуально по отсутствию осадка.
Следующая стадия – нейтрализация, заключается в постепенном добавлении водного раствора триэтаноламина до получения рН 7-8. Полученную смесь перемешивают до получения однородной консистенции, в течение 30 минут.
При вышеописанном способе изготовления контактный гель отличается высокой стабильностью и возможностью длительного хранения без потери рабочих характеристик. Выход за пределы указанных параметров процесса, приводит в конечном итоге либо к росту энергозатрат.  Связано в основном это с увеличением времени перемешивания, либо к ухудшению эксплуатационных характеристик продукта.
Все компоненты предлагаемой контактной среды хорошо растворимы в воде, совместимы  и позволяют добиться существенного улучшения заявленных акустических и эксплуатационных свойств за счет синергетического эффекта, который обеспечивает добавление фуллеренола, что хорошо отражено в таблице 1.
Таблица 1. Эксплуатационные характеристики примеров контактной среды для ультразвукового неразрушающего исследования.
Номер примера  геля
Эксплуатационные характеристики
Плотн., г/см<sup>3</sup>
Дин. вязк. при 20<sup>0</sup>С, Па*с
Ак.сопрот-ние среды,г/см<sup>2</sup>*с
Падение ампл. эхо-сигнала, dB
Рабочий диапазон температур, <sup>0</sup>С
Антикорроз. свойства на стали Ст-3 и алюминииА-5 по ГОСТ 6321
Пример 1
1,015
11,8
1,56
не более 0,5
от+15 до +40
не выдерживает
Пример 2
1,020
13,1
1,63
не более 0,5
от -15 до +80
выдерживает
Пример 3
1,032
15,6
1,81
не более 0,5
от-30 до +130
выдерживает
Пример 1
Для приготовления контактного геля были использованы, мас. %: редкосшитый полимер акриловой кислоты (карбопол) – 1,0; трехатомный спирт – глицерин -10,0; нейтрализующий агент – триэтаноамин -0,7.
Данный контактный гель обладает хорошими вязкостными свойствами и акустическими свойствами и имеет очень низкое затухание ультразвуковых волн. Однако имеет целый ряд эксплуатационных ограничений, в том числе меньший срок эксплуатации и ограниченый температурный диапазон использования.
Пример 2
5
3
10,
2
3,
3
4
Для приготовления контактного геля были использованы, мас. %: до 20,0  глицерин и пропиленгликоль; до 1,0 триэтаноламина; до 1,0 карбомера  (редко сшитый полимер акриловой кислоты); до 10  фосфатов и силикатов натрия (NaРО NaSiO NaPO); вода – остальное до 100.
Данные состав обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками, также обладает антикоррозионными свойствами и расширенным температурным диапазоном работы, однако требует добавления консервантов и антибактериальных присадок, обеспечивающих надежную защиту от роста патогенных микроорганизмов на поверхности исследуемого материала и в процессе хранения контактного геля.
Пример 3
5
3
10,
2
3,
3
4
60
70
Для приготовления контактного геля были использованы, мас. %: до 20,0  глицерин и пропиленгликоль; до 1,0 триэтаноламина; до 1,0 карбомера  (редко сшитый полимер акриловой кислоты); до 10  фосфатов и силикатов натрия (NaРО NaSiO NaPO); до 0,1 фуллеренолов на основе смеси фуллеренолов С и С; вода – остальное до 100.
Как видно из характеристик, указанных в таблице 1, добавление углеродного нанокластера – фуллеренола-d, существенно улучшает эксплуатационные характеристики  контактного геля, это достигается за счет:
- использованию водорастворимых нанокластеров, которые не окисляются на воздухе, стимулируют рост корневой системы растений и увеличивают стрессоустойчивость последних [RU 2541405, C05G 1/00, опубликовано 10.02.2015];
- дополнительные эксплуатационные свойства – бактерицидность, противогрибковые и противовирусные свойства, проявляются за счетналичия в рецептуре наногеля водорастворимых нанокластеров [K.N. Semenov, N.A. Charykov, V.N. Postnov, V.V. Sharoyko, I.V. Vorotyntsev, M.M. Galagudza, I.V. Murin. Fullerenols: Physicochemical properties and applications. Progress in Solid State Chemistry 2016. V. 44 (2). P. 59-74];
- высокая адгезия к различным поверхностям достигается, с одной стороны использованием составов на основе редко сшитого акрилового полимера, а с другой стороны, использованием водорастворимых нанокластеров – фуллеренолов.
- на усиление антикоррозийных свойств модифицированного фуллеренолами контактного геля являлся тот факт, что в результате обработки алюминия и стали водным раствором фуллеренолов скорость электрохимической коррозии (в 0,25 N растворе серной кислоты) уменьшалась практически в 10 раз. Одновременно удельная поверхностная электропроводность алюминия и стали также понижалась на 10 порядков – и, таким образом, металлическая поверхность становилась изолирующей [М.Ю. Матузенко, К.Н. Семенов, Л.В. Цветкова, В.А. Кескинов, Д.Г. Летенко, В.А. Никитин. Синтез и защитное действие фуллеренола-d. Физико-химия поверхности и защита металлов. 2011. Т. 47. №3. C. 253-259].
Способ получения промышленной контактной среды во всех примерах включает в себя следующие последовательного смешивания компонентов:
1) На начальном этапе в воду, составляющую 1/10 часть от общей воды в составе, добавляют загуститель, интенсивно перемешивают при комнатной температуре.
2) Стадия набухания модификатора реологии составляет от 15 до 30 минут.
3) Затем полученную суспензию добавляют в реактор.
Способ для примера 1 отличается тем, что набухший полимер добавляют в водно-глицериновый раствор.
Способ для примера 2 отличается тем, что набухший полимер добавляют в раствор, в котором последовательно были растворены многоатомные спирты, ингибитор коррозии. Степень растворения контролируется визуально по отсутствию осадка.
Способ для примера 3 отличается тем, что набухший полимер добавляют в раствор, в котором последовательно были растворены многоатомные спирты, ингибитор коррозии, фуллеренол. Степень растворения контролируется визуально по отсутствию осадка.
4) Заключительная – нейтрализация, заключается в постепенном добавлении водного раствора триэтаноламина до получения рН 7-8. Полученную смесь перемешивают до получения однородной консистенции, в течение 30 минут.