Материал: Разработка и изучение на основе научных исследований усовершенствованного антиадгезионного покрытия, обладающего повышенными термическими и механическими свойствами, повышенной адгезией к подложке и отсутствием токсичности

Для характеристики поглощающей способности вещества используют такие величины, как оптическая плотность, светопропускание и светопоглощение [13].

Оптическая плотность (D) - это десятичный логарифм отношения интенсивности света, падающего на образец, к интенсивности света, выходящего из образца (I):

                                                   (18)

Оптическая плотность является безразмерной величиной [13].

Светопропускание (коэффициент пропускания) (t) - отношение интенсивности света, вышедшего из образца, к интенсивности света, падающего на него:

(18)

Значения t могут меняться от 0 (весь свет поглощается) до 1 (весь свет проходит). Величину t обычно выражают в процентах.

Иногда вместо t используют cветопоглощение (коэффициент поглощения) - величина, равная 1-t [13].

                                                 (19)

где I_п - интенсивность поглощенного света. Светопоглощение принято измерять в долях или в процентах [13].

Важнейшим следствием из закона Бугера-Ламберта-Бера является следующее положение: оптическая плотность прямо пропорциональна концентрации данного вещества:

                                                    (20)

Спектр поглощения - это зависимость молярного коэффициента поглощения ε_λ от длины волны l. Спектры поглощения веществ определяются разностью энергий между энергетическими уровнями молекул, составляющими вещество, а также вероятностями перехода между ними. Разность энергий определяет длину волны, на которой происходит поглощение света, вероятность перехода - коэффициент поглощения вещества. Для биологически важных молекул характерны широкие полосы поглощения, обусловленные электронными, колебательными и вращательными уровнями [13].

Для автомобильного стекла важным качеством является светопропускание. Оно по ГОСТ 5727-88 «Стекло безопасное для наземного транспорта» должно составлять не менее 0,75. Разрабатываемое покрытие должно попадать под это условие [12].

антиодгезивный покрытие полимерный оптический

Вывод по главе 1

Как видно из аналитического обзора, в отечественной и зарубежной хлебопекарной промышленности делались и делаются довольно успешные попытки использования антиадгезионных покрытий, основу которых представляют фторорганические и кремнийорганические полимеры различного строения и состава. Однако, довольно низкие термические и механические свойства этих покрытий по сравнению с покрытиями из металлов, а также сравнительно высокая стоимость некоторых приведенных покрытий не позволяют предприятиям перерабатывающей отрасли успешно внедрять и осуществлять их долгосрочную эксплуатацию.

Также видно, что в производстве автомобильных стёкол главное качество для покрытия это светопропускание и толщина покрытия. Необходимо создать неорганическое покрытие с антиадгезионными свойствами и с высокой светопропускной способностью.

В производстве керамической плитки с керамической глазури не было попыток создать покрытие с высокими антиадгезионными свойствами. Для него главным критерием являются светопропускающие и антиадгезионные свойства. Свойства указанные выше совпадают со свойствами необходимыми для покрытия автомобильного стёкла.

На поверхности керамической глазурованной плитки накапливается статический ток, что приводит к прилипанию под действием электростатических сил к поверхности различных мелкодисперсных частиц (пыль, мелкодисперсный мусор, волосы). Данное свойство у глазури керамической плитки увеличивает загрязняющую способность поверхности. Такая поверхность имеет свойство разряжаться в незаземленные элементы. Это приводит к ухудшению работы оборудования или поломкам, а также к несчастным случаям для человека.

Итак, основными недостатками применяемых в настоящее время антиадгезионных покрытий хлебопекарных форм, автомобильных стёкол и керамической плитки с глазурью являются:

1. Низкая термоустойчивость. В результате этого полимерные покрытия полностью разрушаются даже при однократном «холостом пробеге» формы через печь. Еще более распространенным их недостатком является разрушение покрытия верхней части форм. Это происходит как при выпечке хлеба массой, меньшей, чем допускает данная форма, так и в результате того, что в начальный период выпечки эта часть формы не защищена тестом-хлебом от внешнего теплового воздействия. Такое разрушение покрытия возможно также при выпечке тестовых заготовок, которые аномально медленно или плохо увеличиваются в объеме;

2. Низкая механическая прочность. В результате чистки форм твердыми предметами покрытие разрушается;

. Низкая адгезия покрытий к основному материалу формы. Она обусловлена только наличием микронеровностей поверхности подложки (формы). Долговечность полимерного покрытия уменьшается вследствие того, что оно со временем вспучивается и отслаивается. Этому способствуют любые механические повреждения его наружной поверхности;

. Взаимодействие многих полимерных покрытий с растительным маслом. В результате, при выпечке хлеба, случайное попадание на поверхность покрытия растительного масла вызывает его разрушение;

. Низкое светопропускание покрытия (плёнки);

. Накопление статического электричества на поверхности глазури, что приводит к загрязнению.

Разработка антиадгезионного покрытия лишенного указанных недостатков явилась целью данной работы, которая сформулирована нами следующим образом: разработка на основе научных исследований усовершенствованного антиадгезионного покрытия, обладающего повышенными термическими и механическими свойствами, и повышенной адгезией к подложке, высокой светопропускной способностью и электропроводностью.

Проблемными вопросами в достижении поставленной цели являются:

. Необходимость замены материала покрытия для увеличения его тепловой и механической прочности и увеличения адгезии к подложке;

. Выбор оптимальных параметров нового покрытия;

. Разработка технологии его нанесения, включающая обоснование выбора показателей для всесторонних оценок качества и методов этих оценок;

. Производственные проверки разработанного покрытия.

Основными требованиями к работоспособности антиадгезионных покрытий, используемых в промышленности, являются:

низкая адгезия теста-хлеба к покрытиям;

высокая адгезия покрытий к термообрабатываемым поверхностям (поверхность хлебных форм и листов);

механическая прочность антиадгезионных покрытий;

термостойкость антиадгезионных покрытий;

химическая инертность антиадгезионных покрытий (покрытие не должно взаимодействовать с пищевым продуктом);

наличие экономического эффекта при использовании антиадгезионных покрытий на производственных мощностях;

высокая светопропускная способность;

электропроводность покрытия.

Исходя из анализа недостатков существующих полимерных покрытий, можно сделать вывод о том, что их совершенствование для достижения поставленной цели не перспективно. Необходима разработка нового покрытия и оптимизация его параметров.

Как правило, при разработке нового покрытия возникают проблемы оценки его качества. Для этого необходим выбор показателей, всесторонне (комплексно) оценивающих его качество, и методик их определения. В результате этих исследований должна быть разработана и апробирована на практике технология нанесения нового покрытия.

Глава 2. Объекты и методы исследования

.1 Объекты и схема исследования

Объектом исследования данной курсовой работы являются следующие реактивы и материалы:

CuCl₂×2H₂O - по ГОСТ 4167-74;₂×2,5H₂O - по ГОСТ 4330-76;₂×2H₂O - по ГОСТ 4210-77;₄ - по ГОСТ 20490-75;₂×4H₂O - по ГОСТ 612-75;₂×2H₂O - по ГОСТ 4529-78;₃ - по ГОСТ 1277-75;₄ - по ТУ 2623-02-40897595-99;

Спирт этиловый 96 % - по ГОСТ Р 51999-2002;

Чашки Петри - по ГОСТ 25336-82;

Предметные стекла - по ГОСТ 9284-75;

Натрий хлористый - по ГОСТ 4233-77;

Гидроксид натрия - по ГОСТ 11078-78;

Гидроортофосфат калия - по ГОСТ 2493-75;

Глицерин дистиллированный - по ГОСТ 6824-96;

Дистиллированная вода - по ГОСТ 6709-72.

Схема проведения исследования дона на рис 2.1

Рисунок 2.1 - схема проведения исследований

2.2 Методы исследования

.2.1 Методы очистки поверхности

2.2.1.1 Мойка водой

Мойку часто применяют для предварительной очистки поверхности изделий. Происходит удаление физически адсорбированных веществ, слабо связанных с поверхностью. Смываются различного рода загрязнения неорганического происхождения. Жировые вещества, как животного, так и минерального происхождения при промывке практически не устраняются из-за слабой растворимости в воде. Промывка водой иногда используется как завершающая стадия очистки поверхности. Например, если обработка поверхностей заканчивается обезжириванием или травлением. Мойка водой осуществляется либо в специальных ваннах, либо струйным способом. Промывочная вода может служить источником загрязнений. В связи с этим промывочную воду пропускают через специальные фильтры. Для удаления растворенных в воде солей применяют дистилляцию с двойной и даже тройной перегонкой. Особенно ответственные изделия микроэлектронной аппаратуры промывают дистиллированной деионизированной (очищенной с помощью ионообменных смол) водой. Удельное электрическое сопротивление такой воды (5-10)×10⁶ Ом×см, для бидистиллята (5-6)×10⁶ Ом×см [9].

2.2.1.2 Обезжиривание поверхностей

Обезжиривание предназначается для удаления с поверхности изделий жировых загрязнений. Обычно эту операцию проводят после мойки водой или совмещая мойку с обезжириванием. В результате предварительной мойки, обезжиривании и последующей промывки горячей и холодной водой с поверхности удаляется большинство химически несвязанных веществ (загрязнений). Такой обработке подвергают практически все изделия при нанесении на них покрытий. Технологический процесс осуществляют в специальных ваннах или применяют местное обезжиривание, например посредством протирки хлопчатобумажными салфетками. Удаление жировых загрязнений производят в основном в щелочных растворах или органических растворителях. Под действием щелочи животные жиры разлагаются (омыливаются), образуя мыла - растворимые в воде соли жирных кислот и глицерин. Реакция стеарина (составная часть животного сала) с едким натром имеет вид:

(С₁₇Н₃₅СОО)₃С₃Н₅ + 3NaOH = 3C₁₇H₃₅COONa + C₃H₅(OH)₃

Натриевая соль стеариновой кислоты (мыло) растворяется в воде, образуя коллоидный раствор. Растительные масла или неомыливаемые жиры со щелочами в химическое взаимодействие не вступают; при определенных условиях они могут образовывать со щелочами эмульсии и, таким образом отделяться от поверхности. Для активации этого процесса в раствор вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ), обладающие моющими и эмульгирующими свойствами. Температуру щелочных обезжиривающих растворов выбирают от 60 до 80 °С. При увеличении температуры и при перемешивании раствора процесс очистки ускоряется. Продолжительность обезжиривания составляет от 3 до 20 мин в зависимости от материала изделия, количества и рода загрязнений. Состав щелочных растворов и режим обезжиривания для различных материалов и видов жировых загрязнений применительно к покрытиям регламентированы производственными инструкциями или стандартами. Например, для многих металлов и сплавов может быть использован следующий состав раствора (г/л) и режим химического обезжиривания: 15-35 Na₃PO₄×12Н₂О; 15-35 Na₂CO₃; температура ванны 60-80 °С; продолжительность 5-20 мин. Затем следует промывка горячей (70-90 °С) и холодной (10-20 °С) водой с последующей сушкой сжатым воздухом, подогретым до температуры 45-60 °С [9].

Обезжиривание в органических растворителях сводится к обычному процессу растворения жиров и масел. Для этих целей применяют керосин, бензин, толуол и хлорированные углеводороды (трихлорэтилен; тетрахлорэтилен и др.), последние не воспламеняются и позволяют обезжиривать при повышенных температурах. Существенным недостатком большинства органических растворителей, особенно хлорированных, является их ядовитость и высокая стоимость.

Для повышения эффективности обезжиривания в ваннах используют высокочастотные колебания (10-20 кГц). Благодаря этому происходит ультразвуковая очистка поверхности. При наложении ультразвуковых колебаний наблюдается сильное возбуждение жидкости, приводящее к кавитации - возникновению мгновенных высоких гидростатических давлений на поверхности и отрыву частиц жировых загрязнений. При массовом производстве обезжиривание проводят в специальных ваннах с применением специализированной оснастки. Ванны оборудованы вытяжными устройствами для улучшения условий труда и при необходимости противопожарными средствами. Для обезжиривания единичных изделий обычно применяют протирку поверхности ветошью и хлопчатобумажными салфетками [8].

2.2.1.3 Обезвоживание поверхностей изделий

На практике при нанесении покрытий для удаления следов влаги применяют процесс обезвоживания. Операцию проводят обычно в этиловом спирте, возможно применение и других спиртов, что связано с условиями техники безопасности и производственной санитарии. Обезвоживание мелких изделий производят окунанием, более крупных протиркой хлопчатобумажными салфетками. Данный вид заключительной подготовки поверхности проводят для особо ответственных изделий таких как, нанесение пленок в изделиях микроэлектронной техники, на лопатки турбины [8]. Кроме того выдержка в сушильных шкафах при 100-130 °С, с последующим хранением полуфабрикатов в эксикаторах с силикагелем.

2.2.2 Метод распыления пульверизатором из спиртовых растворов

Метод предназначен для распыления нетоксичных и нелетучих соединений.

Распыление происходит по следующим пунктам:

. Заливаем в пульверизатор 2-3 мл раствора;

. Открываем дверцу муфельной печи;

. Выдвигаем, с помощью захвата, шамот на 10 см из рабочей зоны муфельной печи;

. Наклоняем шамот в сторону пульверизатора;

. Пульверизатор на вытянутой руке;

. Делаем 6 «качков».

Процесс напыления должен проходить под вытяжкой и при соблюдении всех правил безопасности.

2.2.3 Метод растекающейся капли (сидячая капля)

Данный метод основан на измерении краевого угла жидкости и пересчете по формуле. Так как краевой угол смачивания является характеристикой гидрофильности и гидрофобности то данный метод подходит для поставленной задачи.

В методе сидячая капли измеряется угол между твердой поверхностью и жидкостью в точке контакта трех фаз. Соотношение сил межфазного и поверхностного натяжения в точке контакта трех фаз может описываться уравнением Юнга, на базе которого можно определить краевой угол. Далее измеряется высота капли (h) и длина растекания капли. Рассчитывается по следующей формуле:

 (21)

где d  ̶ длина капли, мм;

h  ̶ высота капли, мм.

По данной формуле можно построить техническую схему метода.

Рисунок 2.2  ̶ Метод построения сидячая капли

Для реализации данного метода используем фотоаппарат на штативе (столик) и столик с изменяющейся высотой.

Метод лежачей капли выполняется по следующим пунктам:

1. Фиксируем на столике подложку (предметное стекло);

. Капаем с помощью автоматической пипетки вещество (вода, глицерин). Количество вещества фиксированно  ̶ 20 мкл и фиксирована высота 5 мм над стеклом;

. Фотографируем. Центр объектива должен быть направлен на раздел жидкой и твердой фаз;

. Обрабатываем информацию с помощью формулы (21).

2.2.4 Метод прикреплённого пузыря (висячая капля)

Данный метод похож на метод растекающейся капли (лежачей). Имеет отличие: поверхность после нанесения переворачивается в обратную сторону (вниз).