3440

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Обсуждение результатов. Растительный наполнитель, совмещенный с синтетическим полимерным связующим, оказывает существенное влияние на физикомеханические показатели получаемых изделий. Поэтому при выборе наполнителя с требуемым комплексом свойств необходимо учитывать ряд его особенностей: химическую природу, насыпную плотность, влажность, форму, размер частиц, сродство с полимером и др.

Для представленных выше наполнителей в таблице проведены оценки их физикомеханических свойств.

Проведенный анализ состава растительных наполнителей показал, что при увеличении размера частиц наполнителя наблюдается снижение насыпной плотности, причем для подсолнечной лузги данная тенденция проявляется более отчетливо. Для древесных опилок можно отметить стабильность влажности с изменением размера частиц.

В результате проведенного анализа фракционного состава древесных частиц определено, что в их составе наибольший объем занимают фракции с частицами длиной 5,0 мм, шириной 1,5-3,0 мм, толщиной 0,5-1,5 мм.

Определение влияния размера частиц наполнителя на физико-механические свойства композиционных материалов проводили путем изготовления и испытания древеснополимерных материалов с различными размерами частиц древесного наполнителя. Состав образцов был следующий: 45 % мас. - вторичный полиэтилен; 55 % мас. – древесный наполнитель.

Данные о влиянии размера древесных частиц на физико-механические показатели композиций, полученных методом плоского прессования, представлены на рис. 1.

Показано, что при изготовлении образцов композита методом плоского прессования с ростом размера древесных частиц в композиции наблюдается увеличение показателя прочности при растяжении и снижение водопоглощения и объемного разбухания, которое наиболее заметно в интервале для фракций с размерами частиц от 2,0 до 4,0 мм.

Дальнейшие исследования технологии получения древесно-полимерных композитов (ДПК) вели на оборудовании экструзионного типа. Как показали результаты исследований (рис. 2), в данном случае сохраняется тенденция зависимости свойств ДПК от фракционного состава древесного наполнителя. Однако при этом наблюдается более высокий уровень физико-механических показателей композиционных образцов, который в целом выше от 15 до 35 % в зависимости от номера фракции. Наряду с данным преимуществом экструзионного метода получения ДПК необходимо отметить более производительный характер данного способа, связанного с возможностью непрерывного ведения процесса, что дает положительный эффект также и в экономическом плане.

101

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Необходимо отметить, что полученный эффект можно значительно повысить, если воспользоваться методами модификации наполнителя и связующего, способствующими повышению совместимости на границе раздела фаз [5].

Свойства ДПМ во многом определяются взаимодействием компонентов на границе раздела фаз. В силу большого различия в химической природе, взаимодействие полиэтилена с частицами древесного наполнителя крайне затруднено. Придание наполнителю способности адгезионного взаимодействия с полимером, а также преодоление полимерофобности достигается путем обработки поверхности наполнителя модифицирующими агентами. Модифицирующими агентами могут выступать различные низкомолекулярные или высокомолекулярные соединения [6, 7].

Выводы. Можно отметить значительное преимущество экструзионного метода получения ДПК в сравнении с методом плоского прессования. Информационный анализ показал, что для дальнейшего совершенствования качества ДПК путем улучшения адгезионного контакта на границе «наполнитель – связующее» возможно использование в качестве модифицирующих агентов древесного наполнителя сополимер этилена с винилацетатом (СЭВИЛЕН ТУ 6-05-1636-97) и различных клеевых латексных композиций (КЛК).

Список литературы

1.Горасевич Г.И., Семеновский А.А.. Формирование изделий из древесно-клеевых композиций. – М.: Лесная промышленность. - 1982. - 135 с.

2.Производство и переработка пластмасс и синтетических смол / М.Л. Улановский и др. - М.: НИИТэхим, НИИПМ, 1982. – Вып . 3. - С. 7-9.

3.Глазков С.С., Енютина М.В., Левыкин Е.Н. Древесно-полимерные композиции на основе вторичных материалов промышленности // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2001. – Т. 44. – Вып. 2. – С. 142-145.

4.Глазков С.С., Поляков В.А., Суровцев И.С., Рудаков О.Б. Экологически чистые композиты на основе вторичного полиэтилена и растительного сырья // Научный Вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. – 2012. – Вып. № 3 (27). - С. 112 – 119.

5.Глазков С.С. Модель термодинамической совместимости наполнителя и полимерной матрицы в композите // Журн. прикладной химии. – 2007. – Т. 80. – Вып. 9. – С.

1562-1565.

6.Глазков С.С., Козлов В.А. Модельное рассмотрение условий совместимости в композиционной системе при контакте двух фаз // Известия вузов. Строительство. – 2008. -

№9. – С. 99-105.

7.Соголова Т.М. Высокомолекулярные соединения. - 1975. - Т. 17 А.- №11 С. 2505.

Глазков Сергей Сергеевич - д.т.н., профессор кафедры химии Воронежского государственного архитектурно-

строительного университета. Е-mail: chemistry@vgasu.vrn.ru.

Измайлов Алексей Александрович - аспирант кафедры тракторов и автомобилей Воронежского государственного аграрного университета. Е-mail: aleksei_izmailov@inbox.ru.

Астанин Владимир Константинович – д.т.н., профессор кафедры тракторов и автомобилей Воронежского государственного аграрного университета. Е-mail: astanin_vk@mail.ru.

103

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

УДК 543.432: 543.645.6

О.Б. Рудаков, Е.А. Хорохордина, Е.Н. Грошев, Чан Хай Данг, Е.Б. Селиванова

ЦИФРОВОЙ ЦВЕТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрены возможности цифрового цветометрического метода в контроле качества окрашенных строительных материалов и изделий, контроля экотоксикантов в материалах по цветным тестам. Показано, что цифровые фотокамеры и планшетные сканеры могут эффективно применяться в мониторинге цветовых параметров материалов.

Ключевые слова: цифровая цветометрия, параметры цветности, строительные материалы и изделия, контроль качества, экотоксиканты

О.B. Rudakov, E.A. Horohordina, E.N. Groshev, Chan Hay Dang, E.B. Selivanova

COLORIMRTRIC DIGITAL QUALITY CONTROL CONSTRUCTION MATERIALS

The possibilities of digital colorimetric method in the quality control of colored construction materials and products, monitoring ecotoxicants in the materials on color tests. It is shown that digital cameras and flatbed scanners can be effectively used in the monitoring color settings materials.

Keywords: digital colorimetry, color settings, building materials and products, quality control, ecotoxicants.

Введение. Возможности применения цифровой цветометрии в контроле качества окрашенной строительной продукции всѐ шире используются в связи с развитием цифровых технологий [1-8]. Из различных моделей представления цвета нами выбрана цветовая схема RGB. Для разработки цветометрических методик использовали регистрацию видеосигнала с помощью цифровой фотокамеры (ЦФК) и с помощью планшетных сканеров (ПС).

ЦФК удобней применять в полевых условиях, но слишком темные цвета покрытий или растворов (если речь идет о цветных тестах на наличие экотоксикантов) нежелательны для фоторегистрации. Для ЦФК целесообразно применение специального бокса, позволяющего унифицировать условия фотосъемки. Вместе с тем, для получения изображений растворов с ее помощью можно применять не только кюветы, но и пробирки. ЦФК позволяет фотографировать твердые материалы и изделия.

Что касается ПС, то для регистрации разбавленных растворов в больших кюветах необходим сканер со слайд-адаптером. Есть ограничения по размерам и массе регистрируемого твердого образца. Важными преимуществами ПС перед ЦФК являются встроенная система освещения с автоматической калибровкой баланса белого и чувствительности в каждом цикле сканирования.

© Рудаков О.Б., 2013

104

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Файл изображения, полученный на ЦФК или ПС со слайд-адаптером, может быть автоматически проанализирован при помощи стандартного программного обеспечения, как по характеристикам цветности, так и по отражающей способности или светлоте.

Экспериментальная часть.

Определение цветности с помощью цифровой фотокамеры. Для расчета координат цветности и построения градуировочных графиков получали цифровые изображения анализируемых объектов фотоаппаратом Olympus SP-500 UZ в специальном боксе, позволявшем стандартизировать условия освещения (рис. 1.). Кювету, заполненную исследуемым образцом, устанавливали в бокс и регистрировали изображение. Для уменьшения паразитных засветок внутренняя поверхность бокса была покрыта чѐрной матовой краской. Задняя стенка белого цвета служила диффузионным экраном. Для его освещения использовали две галогеновые лампы общей мощностью 80 Вт. В боксе устанавливали подставку для оптических кювет с оптической толщиной от 10 до 100 мм. Оптическая схема бокса (рис. 2.) позволяла, благодаря оборачивающему зеркалу, располагать ЦФК горизонтально, что делало работу оператора с камерой более удобной. Условия съѐмки: формат сохранения графической информации – JPEG, размер изображения

– 1 МБ, вспышка – отключена, светочувствительность – 100 ISO или «Авто», параметры баланса белого – «галогеновые лампы».

Сканерметрическая методика определения цветности. Регистрацию цифровых изображений растворов объектов осуществляли на планшетном сканере HP ScanJet 3500 со слайд-адаптером (рис. 3) в специально сконструированном кюветодержателе (рис. 4). Полученные изображения передавали на ПК при помощи программного обеспечения ПC. При сканировании растворов задавали режим работы ПС с использованием слайд-адаптера. Кювету, заполненную анализируемым раствором, помещали в кюветодержатель (рис. 5), который состоит из светонепроницаемого корпуса и системы зеркал и позволяет изменять направление освещения от слайд-адаптера через кювету с образцом к оптическому сенсору ПС. Использовали кюветы с оптической толщиной l в диапазоне 5-100 мм. Условия сканирования: цветовой режим True Color (16,5 млн. цветовых оттенков), шкала цветности RGB, оптическое разрешение 200 dpi.

105

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

При определении белизны и цветности порошкообразных материалов на ПС использовали специально сконструированную цилиндрическую металлическую ячейку с прозрачным дном из оптического стекла (рис. 6).

Файл изображения, полученный на цифровом устройстве (ЦФК или ПС), анализировали при помощи собственной программы, разработанной в среде математического пакета Mathсad или в редакторе электронных изображений Adobe Photoshop.

Курсором выделяли анализируемые участки изображения, в программе автоматически проводился расчет средних значений яркости Fi компонент цветности в системе RGB в выбранном участке в диапазоне 0-255 условных единиц, а затем по этим значениям цветовых параметров строили градуировочный график Fi=a+bC, где С – концентрация анализируемого вещества или цветное число. Исходными данными для программы являлись графические файлы в формате JPG. В координатах L, A, B цветовой системы CIELAB файлы обрабатывали с помощью программы Adobe Photoshop.

Рис. 3. Общий вид сканера с кюветодержателем

5

2

106

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Для этого файл изображения открывали в программе и конвертировали из исходной системы RGB в систему CIELABс помощью функции Mode главного меню, выделяли анализируемый участок изображения и по гистограмме определяли значения Fi .

Рис. 5. Ячейка для определения цветности порошков на ПС: 1 – корпус ячейки, 2 – пуансон для уплотнения порошка, 3 – образец, 4 – стеклянное дно ячейки, 5 – стекло ПС

Методика проведения цветного теста на фенолы. Жидкостно-жидкостную экстракцию фенолов гидрофильными растворителями из водно-солевых растворов осуществляли в присутствии высаливателя – сульфата аммония, взятого в концентрации, обеспечивающей выделение неводной фазы. К 10 мл водно-солевого раствора, содержащего 1,0-1,5 мг/мл фенолов, подкисленных серной кислотой (ρ=1,830 г/мл) до рН 2, добавляли 1 мл органического растворителя и экстрагировали на вибросмесителе 15 мин при 298±1 К. После расслаивания системы (10 мин) измеряли объемы равновесных фаз.

Отбирали 5 мл раствора, подщелачивали раствором карбоната натрия до рН 9, добавляли 1 мл фотометрического реагента, наблюдали желто-оранжевое окрашивание. В качестве фотометрического реагента использовали 4-нитроанилин [9].

Для приготовления диазотирующего реагента 2,8 г 4-нитроанилина растворяли в 32 мл НСl конц. (ρ =1,183 г/см3) в мерной колбе на 250 мл и доводили раствор до метки водой. К 20 мл полученного раствора прибавляли 5 мл 1%-ого раствора нитрита натрия и 3-4 капли 0,7 %-ого бромида калия.

Для анализа строительных материалов образец полимера измельчали на специальной дробильной установке (размер сита 5×5 мм) и взвешивали на аналитических весах массу навески ~ 1,0-1,5 г с точностью ±0,0002 г. Навеску помещали в коническую плоскодонную колбу, приливали мерным цилиндром 30 мл смешанного раствора ацетонитрил - вода в объемном соотношении 4:1 и встряхивали на вибросмесителе в течение 15 мин. Пипеткой отбирали 1,0 мл полученного водно-ацетонитрильного экстракта и помещали его в делительную воронку, вместимостью 50 мл.

К этому экстракту добавляли мерным цилиндром 10 мл дистиллированной воды, подщелачивали раствором NH3 (С =1,6 моль/л) до рН 9 и насыщали этот раствор сульфата аммония (NH4)2SO4 (~6,3 г). Полученную экстракционную систему встряхивали на вибросмесителе в течение 15 мин. После расслоения фаз (5 мин) проводили фотометрический анализ с использованием 4-нитроанилина [9].

Для проведения реакции с хлоридом железа (III) готовили реагент, растворяя 5 г безводного хлорида железа (III) или 8,25 г гексагидрата хлорида железа (III) в 100 мл дистиллированной воды. Экстракт фенолов (0,5 мл) добавляли в 100 мл воды и прибавляли реагент из расчета 0,1 г препарата на 0,05 мл раствора железа(III). При добавлении реагента к раствору появлялось фиолетовое окрашивание.

Обсуждение результатов. При проверке цветометрических методик на предмет аппаратной зависимости, получили цифровые изображения 8-12 эталонов цветов (образцы окрашенной бумаги) с помощью 5 ПС и 4 ЦФК разных фирм и провели статистическую

107

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

обработку этих результатов (табл. 1 и 2).

Отдельно взятые цифровые устройства могут иметь, по всей видимости, различную чувствительность и систематические отклонения в цветопередаче с уклоном в красную, голубую или зеленую области. Этот эффект просматривается при анализе Sr интенсивностей R, G и B бумаги разных цветов. Например для малиновой, сиреневой, голубой и оранжевой бумаги разброс интенсивностей минимален для компоненты R, но существенен для G и B. В то же время Sr для FR возрастает для зеленой, коричневой, желтой, фиолетовой бумаги, а разброс интенсивностей FG и FB для упомянутых образцов незначителен.

Установлено, что при интенсивности цветовых компонент больше 50 или при измерении суммы компонент R+G+B как для ЦФК, так и для ПС разброс относительно среднего имеет наименьшие значения, которые в целом характерны для большинства инструментальных методов анализа.

Использование ЦФК и ПС для получения и оцифровки изображения с последующей оценкой на персональном компьютере (ПК) параметров цвета более экономично, чем применение специализированных оптических и видеоденситометрических приборов. Так, стоимость ЦФК, пригодной для наших целей, составляет 10-15 тыс. руб., ПС – 3-5 тыс., в то время как стоимость современных фотоколориметров составляет от 50 до 80 тыс. руб., а спектрофотометров - до 300 тыс. руб.

Таблица 1

Воспроизводимость параметров цвета между 5 сканерами в шкале RGB для 8 образцов окрашенной бумаги

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Таблица 2

Определение координат цветности в системе RGB на 4 ЦФК для 12 образцов окрашенной бумаги

Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Фотометрическая и цветометрическая методики анализа растворов, не отличаясь по стадиям пробоподготовки, различаются только способом регистрации отклика. В первом случае фотоколориметром детектируется оптическая плотность поглощенного света, а во втором – на ПС или ЦФК – суммарное цветовое различие образцов в единицах, принятых в той или иной цветовой модели. Имея базу данных по цвету стандартных образцов, можно практически исключить субъективность оценки цвета, характерную для визуальных экспертиз. Для анализа параметров цвета пригодны как прозрачные, так и непрозрачные образцы в твердом и жидком состоянии.

Количественный контроль цветности воды. В настоящее время актуальной задачей является скрининг проб во внелабораторных условиях. Например, важна возможность методики контроля реализовываться «в поле» ‒ в случае скрининга объектов окружающей среды, например, если необходимо быстро оценить качество водопроводной воды. Обычно вода представляет собой сложную многокомпонентную систему, которая может содержать большое количество органических и неорганических примесей, в том числе потенциально опасных для человека.

Одним из параметров, позволяющим контролировать качество воды, является цветность. Цветность воды может быть обусловлена наличием природных соединений (например солей гуминовых кислот) или окрашенных веществ, попавших в нее в результате техногенного загрязнения. У природных вод желтоватых и коричневых оттенков цветность вызвана присутствием гуминовых веществ и соединений трехвалентного железа. Гуминовые вещества – органические соединения, образующиеся в процессе химического и

110