Способ определения дефектов на поверхности полимерных пленок

Авторы патента:

Чернышева Мария Григорьевна (RU)

Бадун Геннадий Александрович (RU)

Разживина Ирина Андреевна (RU)

Коробков Виктор Иванович (RU)

G01N23/18 - обнаружение локальных дефектов или вкраплений (G01N 23/09 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2696354:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) (RU)

Изобретение относится к технике контроля качества изделий и может быть использовано для проверки качества полимеров, использующихся в промышленных целях, и продуктов на их основе. Способ определения дефектов на полимерных пленках включает их выдерживание в газообразном тритии при давлении 2-10 Па в течение 10-25 мин при температуре 325-332 К в присутствии палладия в форме не менее 7 мас.% оксида или гидроксида, нанесенного на углеродную подложку, с последующим определением радиоактивности пленки методом авторадиографии и анализом гистограмм распределения участков пленки по степени почернения. Техническим результатом является разработка способа определения дефектов твердых материалов с применением радиоактивных индикаторов с повышением контрастности распределения трития по поверхности материала. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники

Уровень техники

Полимерные пленки широко применяются в качестве упаковочного материала, электроизоляторов, подложек в различных типах изделий, антикоррозионного покрытия трубопроводов. Как правило, для эффективного использования полимерных пленок к ним предъявляется целый набор требований по механической прочности и химической стойкости. При получении полимерных пленок, при их хранении и эксплуатации на их поверхности могут образовываться микро- и макродефекты (механические царапины, микротрещины, образующиеся вдоль упаковки полимерных молекул, или в слоистых структурах полимеров, или при термических деформациях), которые со временем могут приводить к необратимым изменениям, снижающим их эксплуатационные качества.

Для выявления дефектов на поверхности полимерных пленок используют ультразвуковую [RU 2520950 С1, 27.06.2014], капиллярную (цветовую) [ГОСТ 18442-80; RU 2184366 С1, 27.06.2002], радиационную [RU 2304766 С1, 20.08.2007; Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. М., Атомиздат, 1974, 510 с.] и др. дефектоскопию, а также микроскопию.

Для выявления дефектов можно использовать радиоактивный индикатор - тритий, являющийся универсальным метящим агентом любых органических молекул. Атомарный тритий, получаемый с помощью метода термической активации можно применять для определения структуры сложных молекулярных комплексов. В этом случае после обработки атомарным тритием проводят анализ распределения радиоактивности между составными частями комплексов [Л.А. Баратова, Е.Н. Богачева, В.И. Гольданский, В.А. Колб, А.С. Спирин. Тритиевая планиграфия биологических макромолекул. М.: Наука. 1999. 175 с]. Однако в данном случае требуется применение длительных и дорогостоящих процедур избирательного разложения препарата с разделением его компонентов и определением их радиоактивности.

Возможен технически более простой вариант применения трития как метящего агента для определения следов инородных тел [RU 675648, 23.11.1977] и отпечатков пальцев на предметах и бумаге [RU 947058, 29.02.1980]. Описанные подходы не позволяют определить поверхностные дефекты полимерных пленок.

Известен способ, основанный на термической активации трития на вольфрамовой проволоке, когда образуется атомарный тритий и неселективно взаимодействует со всеми органическими материалами [RU 2499785 С2, 27.11.2013]. В этом случае при обработке пленок полиэтилена (ПЭ), полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полиамида (ПА) атомарным тритием, полученным на вольфрамовой проволоке при температуре 1950 К, давлении газообразного трития 1,4 Па и температуре пленки 298 К в условиях термализации атомов получаются меченные тритием пленки с равномерным распределением радиоактивности на поверхности [Разживина И.А., Бадун Г.А., Чернышева М.Г., Коробков В.И., Жирнов А.Е. Полимерные пленки как индикатор спилловера водорода через газовую фазу. // Радиохимия. 2017. Т. 59, №3. С. 248-254.]. Однако определить наличие дефектов на поверхности этих материалов выявить не удается.

В той же работе обнаружено, что при выдерживании в течение 25 минут полимерных пленок в газообразном тритии в присутствии палладия, нанесенного на активированный уголь в количестве 5 масс. % (5% Pd/C), при температуре 335 К тритий включается в состав полимерных пленок и наблюдалось повышение интенсивности почернения в местах их разрезания, на изгибах и видимых мелких повреждениях, однако с его помощью невидимые глазу дефекты пленок выявить не удавалось. Описанный подход является прототипом этого изобретения.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является разработка нового способа определения дефектов твердых материалов с применением радиоактивных индикаторов.

Техническим результатом является разработка способа определения дефектов твердых материалов с применением радиоактивных индикаторов с повышением контрастности распределения трития по поверхности материала. Заявляемый способ позволяет выявить не только видимые, но и скрытые дефекты, вызванные старением материала при его хранении и другими воздействиями на него. Такие нарушения могут являться предшественниками механических повреждений пленок или покрытий на их основе, особенно при дополнительных нагрузках.

Указанный технический результат достигается способом определения дефектов на полимерных пленках, включающим их выдерживание в газообразном тритии при давлении 2-10 Па в течение 10-25 мин при температуре 325-332 К в присутствии палладия в форме не менее 7 масс. % оксида или гидроксида, нанесенного на углеродную подложку, с последующим определением радиоактивности пленки методом авторадиографии и анализом гистограмм распределения участков пленки по степени почернения. При этом в качестве полимерных пленок используют полимеры твердые при температуре 325-332 К, в том числе капрон, полиэтилен, полиэтилентерефталат.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлено изображение распределения почернения по пленке, полученное с помощью прибора Cyclone Plus Phosphor Imager (а) и гистограмма распределения участков пленки с разной степенью почернения (б) (иллюстрация к примеру 1).

На фиг. 2 представлено изображение распределения почернения по пленке, полученное с помощью прибора Cyclone Plus Phosphor Imager (а) и гистограмма распределения участков пленки с разной степенью почернения (б) (иллюстрация к примеру 2).

На фиг. 3 представлено изображение распределения почернения по пленкам ПЭТФ, полученное с помощью прибора Cyclone Plus Phosphor Imager (а) и гистограмма распределения участков пленки с разной степенью почернения (б) (Иллюстрация к примеру 3).

На фиг. 4 представлено изображение распределения почернения по пленкам капрона с микротрещинами (а) и без дефектов (б), полученные с помощью прибора Cyclone Plus Phosphor Imager, и гистограммы распределения участков с разной степенью почернения для пленок с микротрещинами (в) и без дефектов (г) (иллюстрация к примеру 4).

На фиг. 5 представлено изображение распределения почернения по пленкам капрона с микротрещинами (а) и без дефектов (б), полученные с помощью прибора Cyclone Plus Phosphor Imager, и гистограммы распределения участков с разной степенью почернения для пленок с микротрещинами (в) и без дефектов (г).

Осуществление изобретения

Ниже представлено более подробное описание заявляемого изобретения. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний.

Определение дефектов данным методом можно проводить для любых полимеров в виде пленок, которые являются твердыми при температуре обработки тритием, то есть до 332 К. Примерами таких пленок являются: полиэтилен, полиэтилентерефталат, полиамид. В реакционном сосуде размещают полимерную пленку и катализатор на основе палладия с обязательным присутствием в его составе окисленных форм. Количество используемого катализатора определяет скорость достижения итогового результата. Масса металла и его окисленных форм составляет от 0,2 до 1 мг, а их содержание на углеродной подложке - от 5 до 10 масс. %. Общая масса используемой навески катализатора на углеродной подложке может быть в диапазоне от 1 до 10 мг. Катализатор и пленку располагают на расстоянии от миллиметров до нескольких сантиметров, непосредственный контакт не обязателен.

Сосуд с пленкой и катализатором присоединяют к вакуумной установке, после вакуумирования, заполняют газообразным тритием до давления 2-10 Па и помещают в термостат температурой от 325 до 332 К. Важно поддерживать температуру в указанном диапазоне, так как ее снижение приводит к резкому снижению эффективности введения трития в пленки, а с увеличением температуры снижается контрастность выявления дефектов.

Время выдерживания пленок при этой температуре может варьироваться от 10 до 25 мин. Уменьшение времени контакта с тритием снижает активность пленок, что приводит к увеличению времени экспонирования для получения изображения высокого качества. Увеличения времени выдержки более 25 мин. не приводит к улучшению качества изображения, так как за это время в системе наступает изотопное равновесие. Реакцию останавливают, когда давление газа в системе перестает меняться. Давление можно определять с помощью термопарного вакууметра.

По прошествии 10-25 мин. нагрева систему охлаждают и отсоединяют реакционный сосуд от установки. Пленки очищают от удаляемого с поверхности трития промыванием в ацетоне и воде. Затем определяют распределение радиоактивности на поверхности пленки авторадиографическими методами. Рекомендуется использование цифрового варианта авторадиографии с применением люминесцентного экрана, чувствительного к тритию.

Цифровое изображение, полученное с помощью авторадиографических методов, анализируют с помощью программ для обработки изображений и получают гистограмму распределения участков пленки по яркости (степени почернения), где 0 принимается за белый цвет, 100% - за черный. Пленка, обработанная в указанных условиях и не имеющая дефектов, имеет мономодальное распределение с максимумом почернения в области менее 40%. Наличие мелких механических дефектов, в том числе линии среза, проявляется присутствием участков со степенью почернения более 60%. Если на изображении присутствуют равномерные участки со степенью почернения 60% и более, это говорит о наличии в материале микротрещин, невидимых глазу.

Применение предложенного изобретения описано в Примерах 1-5.

Использовали катализаторы, представляющие собой окисленные формы палладия (доля окисленных форм не менее 7 масс. %) с преобладающим размером частиц от 1,5 до 3,5 нм, нанесенных на углеродные подложки.

Во всех примерах пленки перед обработкой тритием промывали последовательно в толуоле, ацетоне, воде и ацетоне с обработкой ультразвуком в течение 10 мин. Пленки обрабатывали тритием при давлении газа 2-10 Па и температуре 325-332 К в течение 10-25 мин, пока давление не прекращало изменяться. Возможные органические загрязнения удаляли кратковременным промыванием пленки в ацетоне. Для удаления лабильного трития пленки помещали в воду, которую периодически заменяли. Очистку пленок прекращали, когда радиоактивность промывной воды снижалась до фонового уровня. Для детектирования распределения радиоактивности на поверхности обработанной пленки использовали прибор Cyclone Plus Phosphor Imager (PerkinElmer, США) с программным обеспечением OptiQuant и люминесцентным экраном (PerkinElmer, США), чувствительным к тритию. Полученные цифровые изображения анализировали с помощью Python 2.7 с библиотекой SKimage.

Пример 1. Использовали 5 мг катализатора в виде 5 масс. % Pd, нанесенного на активированный уголь. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 7 масс. % палладия находилось в форме оксида и гидроксида (Pd²⁺). Катализатор помещали в чашечку на дно реакционного сосуда, а вдоль оси сосуда располагали полимерную пленку полиэтилена размером 1,5×12 см, толщиной 0,011 см. Взаимодействие с газообразным тритием проводили при температуре 328-332 К, обеспечиваемой водяным термостатом, и начальном давлении трития 4,2 Па. За 15 мин давление снизилось до 4,1 Па и далее не изменялось. Реакцию прекратили, очистку проводили по стандартной методике: промыли пленку в ацетоне, затем выдерживали в воде с периодической заменой. После 20 ч экспонирования пленок на люминесцентном экране получено изображение с равномерно низкой радиоактивностью на поверхности и повышенной степенью потемнения в месте среза пленки и царапин. Авторадиограмма пленки и гистограмма распределения почернения представлены на фиг. 1.

Пример 2. Использовали 5 мг катализатора в виде 5 масс. % Pd, нанесенного на активированный уголь. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 84 масс. % палладия находилось в форме оксида и гидроксида (Pd²⁺). Катализатор помещали в чашечку на дно реакционного сосуда помещали, а вдоль оси сосуда располагали полимерную пленку полиэтилентерефталата размером 2×12, толщиной 0,022 см. Взаимодействие с газообразным тритием проводили при температуре 330-332 К и начальном давлении трития 5,9 Па. Давление снизилось до 4,9 Па за 13 мин и далее не изменялось. Реакцию прекратили, очистку проводили по стандартной методике. После 24 ч экспонирования с люминесцентным экраном получено изображение с равномерно низкой радиоактивностью на поверхности и повышенной степенью потемнения в месте среза пленки и царапин. Авторадиограмма пленки и гистограмма распределения почернения представлены на фиг. 2.

Пример 3. Тритием обрабатывали сборки из трех пленок ПЭТФ размером 2×6 см толщиной 0,02 см, плотно прижатых друг к другу. В двух верхних пленках предварительно сделано отверстие диаметром 10 мм, в которое на нижнюю пленку помещали катализатор в виде 5 масс. % Pd, нанесенного на активированный уголь. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 84 масс. % палладия находилось в форме оксида и гидроксида (Pd²⁺). Эксперимент проводили при температуре 325-332 К при начальном давлении трития 3,3 Па. Давление снизилось до 2,8 Па за 25 мин. Реакцию прекратили, очистку проводили по стандартной методике. После 20 ч экспонирования с люминесцентным экраном на участках пленок, не имеющих непосредственного контакта с катализатором, получено изображение с равномерно меченными участками с низкой степенью почернения (<40%), выраженными повреждениями поверхности и повышением степени потемнения в месте среза. Авторадиограмма пленки и гистограмма распределения почернения представлены на фиг. 3.

Пример 4. На дно реакционного сосуда в чашечку помещали 5 мг 10 масс. % Pd, нанесенного на активированный уголь. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии образец содержал 94 масс. % палладия в форме оксида и гидроксида (Pd²⁺). Вдоль оси сосуда размещали полимерные пленки капрона размером 1,5×12 и толщиной 0,0055 см с разной степенью дефектности. Проводили взаимодействие с газообразным тритием при температуре 330-332 К и начальном давлении трития 10 Па. Давление снизилось до 4,2 Па за 15 мин и после этого не изменялось. Реакцию прекратили, очистку проводили по стандартной методике. После 100 мин экспонирования с люминесцентным экраном получены изображения для пленки с микродефектами и без них. Наблюдалось более высокое почернение пленки, содержащей участки с микродефектами, невидимыми глазу. Аналогичная обработка капрона без дефектов привела к значительно более низкому связыванию трития, и степень потемнения фотоматериала была минимальной. Авторадиограммы пленок и гистограммы распределения почернения представлены на фиг. 4.

Пример 5. На дно реакционного сосуда в чашечку помещали 5 мг 5 масс. % Pd на активированном угле. По данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии образец содержал 32 масс. % палладия в форме оксида и гидроксида (Pd²⁺). Вдоль оси сосуда размещали полимерные пленки капрона размером 1,5×12, толщиной 0,0055 см с разной степенью дефектности. Проводили взаимодействие с газообразным тритием при температуре 330-332 К и начальном давлении трития 9,3 Па. Давление снизилось до 6,5 Па за 18 мин и далее не изменялось. Реакцию прекратили, очистку проводили по стандартной методике. После 100 мин экспонирования с люминесцентным экраном получено изображение пленки, на котором наблюдался участок с повышенной степенью почернения (>40%), Повышенное почернение соответствует участку, содержащим невидимые глазу микродефекты материала. Аналогичная обработка капрона без дефектов привела к более низкому связыванию трития и невысокой степени потемнения фоточувствительного материала. Авторадиограммы пленок и гистограммы распределения почернения представлены на фиг. 5.

1. Способ определения дефектов на полимерных пленках, включающий их выдерживание в газообразном тритии при давлении 2-10 Па в течение 10-25 мин при температуре 325-332 К в присутствии палладия в форме не менее 7 мас.% оксида или гидроксида, нанесенного на углеродную подложку, с последующим определением радиоактивности пленки методом авторадиографии и анализом гистограмм распределения участков пленки по степени почернения.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полимерных пленок используют полимеры твердые при температуре 325-332 К.

Использование: для радиоизотопной дефектоскопии кольцевых соединений вварных трубчатых элементов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют просвечивание кольцевых соединений вварных трубчатых элементов из определенной фокальной точки внутренней полости, отстоящей от внешнего торца, острофокусным радиоизотопным излучателем, строго по оси заключенным в соответствующем ему гнезде между выполненных из радиационно-непрозрачного материала конструктивно сопряженных базовыми конусообразными поверхностями стержневых блоков, размещенных в выполненном с возможностью поворота вокруг своей оси пенале из вольфрама, дискретно перемещаемом в зону контроля вдоль оси объекта через сквозное отверстие светозащитной кассеты, при этом регистрацию излучения, несущего информацию о макроструктуре объекта контроля рентгеновской пленкой в светозащитной кассете, статично укрепленной к торцевой поверхности блока облучателя, осуществляют с угловой скоростью от 1 до 2 с-1 множественными регулярными поворотно-сканирующими пучками излучения, сформированными щелевыми пазами, перфорированными в радиационно-непрозрачных оболочке пенала и образующей поверхности усеченного конусообразного выступа стержневого блока в соответствии с телесным углом, определяющим в полярной системе координат зону контроля сварного стыка и в том числе угол конусообразного гнезда в торце замыкающего стержневого элемента в качестве отражающего конвертера излучения в направлении сварного стыка.

Шланговый гамма-дефектоскоп // 2683601

Изобретение относится к области исследования материалов промышленных изделий без их разрушения, а именно к радиографическому методу контроля, и может быть использовано для контроля качества широкой номенклатуры сварных соединений в качестве универсального средства гамма-дефектоскопии.

Способ и система обнаружения контрабанды наркотиков в пищеварительном тракте человека // 2683125

Использование: для обнаружения запрещенных веществ. Сущность изобретения заключается в том, что при автоматическом обнаружении проглоченных капсул на изображениях, получаемых посредством рентгеновского сканера, осуществляют следующие шаги: получают исходное изображение человека, проходящего через сканер; формируют дополнительные изображения на основе исходного изображения путем преобразования исходного изображения; определяют положение торса на исходном изображении; вычисляют местонахождение области живота на торсе как на исходном, так и на дополнительных изображениях; классифицируют сегменты области живота на исходном изображении; вычисляют геометрические и плотностные признаки, а также ротационно инвариантные периодические признаки для участков в области живота; обнаруживают подозрительные участки в области живота; вычисляют совокупные признаки свойств подозрительных участков; используют эталонные изображения, на которых отсутствуют проглоченные капсулы, для классификации исходного изображения посредством порогового значения функции несхожести; сообщают пользователю, что на исходном изображении есть проглоченные капсулы, в случае если значение функции несхожести от совокупных признаков исходного изображения выше или равно заданному пороговому значению.

Устройство для определения места повреждения кабеля // 2650081

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения мест повреждения на кабельных линиях электропередачи и связи. Устройство содержит импульсный измеритель, радиотелефон, источник радиоактивного излучения, установленный в центре свинцового контейнера в расположенном по его оси симметрии вертикальном канале.

Способ контроля сварных соединений мишеней - накопителей и установка для его реализации // 2586449

Использование: для контроля сварных соединений мишени. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют позиционирование мишени, её просвечивание рентгеновским источником излучения и контроль дефектов сварных швов, при этом просвечивание рентгеновским источником излучения сварных соединений мишени осуществляется в радиационно-защитной камере, а регистрацию дефектов сварных соединений осуществляют посредством радиографической пленки, расположенной в глухой трубе, соединенной открытым концом с помещением оператора, определение размеров обнаруженных дефектов сварного соединения производят путем измерения лупой измерительной изображения дефектов на пленке.

Способ визуализации ротационного искривления решетки нанотонких кристаллов // 2570106

Способ визуализации ротационного искривления решетки нанотонких кристаллов включает получение электронно-микроскопического изображения нанотонкого кристалла в светлом и темном поле, получение электронограммы от кристалла, микродифракционное исследование, анализ картины изгибных экстинкционных контуров, присутствующих на электронно-микроскопическом изображении кристалла, расчет углов поворота решетки кристалла вокруг [001].

Шланговый гамма-дефектоскоп // 2552754

Использование: для радиографического контроля материалов. Сущность изобретения заключается в том, что в шланговом гамма-дефектоскопе в канал зоны хранения держателя источника с излучателем интегрирована втулка из радиационно непрозрачного материала, перфорированная радиальным отверстием, содержащим ориентированный относительно активной части излучателя сцинтиллятор, сообщающийся посредством оптоволоконного световода с укрепленным в корпусе радиационной головки преобразователем светового потока сцинтиллятора в электрический сигнал, используемый для последующей индикации, например, многоцветным светодиодом.

Шланговый гамма-дефектоскоп // 2552593

Использование: для радиографического контроля материалов. Сущность изобретения заключается в том, что в шланговом гамма-дефектоскопе имеется адаптер с гнездом присоединения штуцера ампулопровода, который содержит в соответствующих направляющих скольжения поперечно-подвижный оси канала подпружиненный и оснащенный поперечным упором подвижный пластинчатый шибер, перфорированное отверстие сложного профиля в торцовой поверхности которого выполнено с возможностью установки и блокирования профилированного кольцевой проточкой штуцера ампулопровода в гнезде присоединительного адаптера при открывании замкового устройства, конструктивно сопряженного с кулачком, обеспечивающим силовое замыкание и удержание пластинчатого шибера в строго фиксированном состоянии, при котором профилированное выемкой по внешней торцовой поверхности замыкающее звено дискретно-подвижной П-образной траверсы, кинематически связанное с клинообразным обтюратором, координировано своей профилированной выемкой адаптивно поперечному упору шибера, что гарантированно обеспечивает возможность дискретных перемещений П-образной траверсы и безопасное выполнение рабочего цикла по выпуску и перекрытию пучка излучения.

Способ радиографического контроля сварных соединений // 2550163

Использование: для радиографического контроля сварных соединений. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют просвечивание ионизирующим излучением сварных соединений с установленными на них образцами-имитаторами дефектов и определяют по снимкам тип и размер выявляемых дефектов сварных швов, при этом фиксируют при угловом просвечивании угол α между направлением просвечивания и плоскостью сварного соединения, замеряют на снимке длину проекции Lпр.

Способ и устройство для радиоизотопной дефектоскопии кольцевых сварных соединений // 2530452

Использование: для радиоизотопной дефектоскопии кольцевых сварных соединений. Сущность изобретения заключается в том, что просвечивание кольцевого сварного стыка изнутри источником ионизирующего излучения и регистрацию макроструктуры стыка кольцеобразной рентгеновской пленкой, размещенной с внешней стороны объекта в соответствующем ей объеме светозащитного пенала со съемной крышкой, оснащенного центрирующей втулкой компенсатора, сквозное отверстие которой соответствует диаметру перемещаемого в зону контроля излучателя, при этом регистрацию потока излучения, несущего информацию о макроструктуре объекта, осуществляют сканированием через прилегающий к глухому торцу пенала и выполненный из радиационно-непрозрачного материала толщиной до 3 мм с возможностью крутильных колебаний с амплитудой не менее 30° либо вращения относительно оси светозащитного пенала с угловой скоростью от 1 до 2 с-1 решетчатый диск, концентрично и регулярно относительно его геометрической оси перфорированный по торцу сквозными шестигранными отверстиями, оси которых пересекаются с геометрической осью диска в фокальной точке, удаленной на 40 мм от его внешнего торца во внутренней полости объекта контроля, а разделительные перемычки между отверстиями не превышают 0,5 мм при минимальном размере шестигранного отверстия до 2 мм по вписанному внутреннему диаметру.