CC BY
230
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
УДК 447 4 С. Н. ЛИТУНОВ М. А. СВЕТУС
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ СВОЙСТВ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА_______________________________
Приводятся результаты экспериментов по определению электропроводности коллоидных растворов с использованием технического углерода УМ 76 с целью определения возможности его использования при изготовлении электропроводной краски. На основе полученных данных рассчитывается уравнение регрессии, описывающее зависимость электропроводности от концентрации составляющих раствора.
Ключевые слова: электропроводная краска, технический углерод, уравнение регрессии, планирование эксперимента, обработка экспериментальных данных.
Введение. Использование электропроводных красок продолжает расти быстрыми темпами. В России электропроводные краски ранее изготавливались экспериментальными партиями, в частности, на Торжокском заводе полиграфических красок (АО ТЗПК). Основными компонентами электропроводной краски являются связующее (смола-плепкообразователь) и электропроводный пигмент. В качестве пигмента лучше всего для этих целей подходит технический углерод Частицы пигмента в толще связующего соединяются между собой и образуютнепрерывный электрический проводник. В связи с ростом потребности в
таких красках нами были проведены исследования, основной целыо которых было определение возможности использования в качестве электропроводного связующего технического углерода, который производится на АО «Омсктехуглерод». Данные исследования проиодились по предварительной договоренности с АО ТЗПК, где в дальнейшем предполагается разработка и производство электропроводной краски промышленными партиями.
Используемые величины. Проводниками называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропро-
Качественные показатели технического углерода УМ 76
N? Показатели качества производимой сажи, обязательные для проверки Норма Область применения
1 Удельная внешняя поверхность, м'/г 155— 180
2 Йодное число, г/кг 280 - 350
3 Абсорбция днбутилфталата. см*/100г 95-115
4 Массовая доля потерь при нагрепамИи, %. не более 0.9
5 Зольность. %, не более 1.0 Сырье
6 Массовая доля остатка после просева через сито с сеткой. %. не более: 0.5 0.045 0.001 0.1 для прОНЗВОДСТа шин и технических изделий
7 Массовая доля общей серы. %. не более 1.1
8 Массовая доля мелких частиц и гранулированном техуглороде, не более 4.0
9 Насыпная плотность гранулированного техуглерода. кг/м1 300
водность 11 ]. В данной работе оценивается возможность разработки полиграфической краски, обладающей электропроводностью, которая является величиной. обратной сопротивлению участка цепи, то есгьС = 1/Яи измеряется в сименсах (См, S) или Ом“1. Удельная электрическая проводимость вещества — величина, обратная удельному электрическому сопротивлению и измеряемая в сименсах на метр (См/м, S/m). Приведенные выше определения являются классическими п физике, но они применимы больше для твердых веществ, поэтому ниже будет приведено определение электропроводности растворов.
Удельная электропроводность раствора электролита представляет собой электропроводность 1 м3 раствора, помещенного между параллельными элек тродами площадью 1 м* при расстоянии между ¡тми 1 м. Проводимость раствора, как правило, зависит от концентрации электролита С. Удельная электропроводность раствора являе тся характеристикой раствора. При этом, зная геометрические параметры емкости, в которую помещен раствор и значение удельной электропроводности раствора, мы сможем узнать значение электропроводности данного участка цепи по формуле: Gk = ß/Кх. гдеОс - проводимость раствора в ячейке, ß — удельная электропроводность раствора. Кх — геометрическая постоянная ячейки.
Геометрическую постоянную ячейки Кх можно найти по формуле KX = LX/SX, где Sx — средняя площадь сечения жидкостного столба раствора. Lx — расстояние между электродами.
Для разработки электропроводной краски на основе сырья местного производства, необходимо было получить представление о поведении этого параметра в зависимости от концентрации углерода в растворе, который должен обладать стабильными и известными наперед свойствами. По согласованию со специалистами центральной заводской лаборатории ТЗПК в качестве основы раствора была выбрана дистиллированная вода. Для придания дистиллированной воде электропроводных свойств в нее добавляли соль - химически чистый KCI. Для оценки влияния соли на электропроводность раствора были проведены отдельные опы ты по определению электропроводности раствора в зависимости от концентрации соли в дистиллированной воде. Так, было проведено три серии экспериментов по оценке значения электропроводности полученного раствора:
— измерение значения электропроводности раствора коллоида технического углерода в дистиллированной воде, в зависимости от их массового соотношения;
— измерение значения электропроводности раствора соли КС1 в дистиллированной воде, в зависимости от массового соотношения соли и воды:
— измерение значения электропроводности раствора KCI и технического углерода в дистиллированной воде в зависимости от массового соотношения всех трех компонентов.
Исследуемые растворы (технический углерод в дистиллировашюй воде, технический углерод в растворе соли KCI в дистиллированной воде) представляют собой коллоидные растворы.
Применяемые вещества. Технический углерод. Основным из исследуемых веществ является продукция АО «Омсктехуглерод» — технический углерод марки УМ 76, которая была выбрана после консультаций с технологами завода. Этот сорт углерода имеет наиболее высокую электропроводность из всех марок, выпускаемой серийно на АО «Омсктехугле-род». Углерод УМ 76 представляет собой порошок черного цвета и, согласно качественному удостоверению, обладает свойствами, представленными втабл. 1.
На рис. 1 представлена фотография технического углерода УМ 76. Он представляет собой порошок с размерами частиц 10-0 — 10~4 м, который является полидисперсным и склонен к образованию крупных агрегатов. В целом порошки имеют капиллярную структуру (обладают пористостью), что усиливает их адсорбционные свойства.
Соль KCl. Для проведения экспериментов использовалась соль КС1, так как она является доста точно сильным электролитом при растворении в воде.
Дистиллированная вода. 1 1ри проведении экспериментов в качестве основы (дисперсионной среды) была использована дистиллированная вода, которая была выбрана в связи с необходимостью стабилизировать поведение коллоидного раствора и его электропроводности. С целью повышения точности эксперимента дистиллированная вода была получена в химической лаборатории АО «Омскэнерго» с выдачей качественного удостоверения.
Экспериментальная часть. Измерения электропроводности производились: в растворе соли КС1 в дистиллированной воде; технического углерода
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК N» 1 (17) 2010 _____________________________________________________________________ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК Н» 1 (»7) ЗОЮ
Рис. 1. Фото углерода УМ 76
в дистиллированной воде; соли КС1 и технического углерода в дистиллированной воде. Представленные системы можно отнести к коллоидным растворам |2|. В данной работе приводятся результаты экспериментов по определению электропроводности только коллоида с использованием дисгиллированной воды, КС1 и технического углерода, как наиболее важные для разработки электропроводной краски.
В данной работе было решено проводить эксперименты с использованием методов математической статистики и их результаты обработать с целью получения математического выражения, позволяющего спрогнозировать электропроводные свойсгва исследуемых растворов.
При проведении опытов использовались массовые соотношения компонентов, так как при приготовлении красок легче использовать именно такой принцип. Исследуемые растворы приготавливались исходя из предположения, что оптимальная концентрация пигмента в трафаретной краске может находиться в пределах 5—25 % по массе. Также были проведены исследования электропроводности раствора соли КС1 в дистиллированной воде, с различным массовым соотношением соли и воды. В данном случае диапазон исследований был ограничен возможностями измерительного оборудования (кондуктометра), так как с его помощью можно измерять электропроводность до значений, не превышающих 10 См/м. При этом были исследованы растворы КС1 от 0,5 до 10 %. При 10 % КС! значение электропроводное™ составило 9,3 См/м. Так как максимальная электропроводность, фиксируемая прибором составляет 10 См/м, то более высокие концентрации соли не рассматривались.
Для того чтобы измерить электропроводность раствора с помощью кондуктометра, необходимо бьь\о приготовить минимум 25 миллилитров раствора (этого требуют конструкционные особенности прибора). Для приготовления растворов было решено принять за 100 % объем раствора в 30 миллилитров. После получения необходимой навески вещества оно помещалось в специальную пробирку с метками, ука-§ зывающими на различный объем содержащегося в * ней вещества. Затем доливалась дистиллированная § вода до отме тки 30 миллилитров. Таким образом были 2 получены необходимыеддя исследований коллоидные растворы.
Измерения электропроводности растворов были проведены с помощью прибора — кондуктометра тина N-5721 (рис. 2) совместно с содействующим кон-
Рис. 2. Экспериментальная установка с использованием кондуктометра тина N-5721
дуктометрическим датчиком N-5981 предназначен непосредственных измерений кондуктивности (электролитической проводимости) водных растворов и их температуры. Пределы измерения прибора 0 — 3- 10“\..Ю См/м. Основная погрешность составляет *1 % (для 3*10"*См/м)... ±2 % (для 10См/м). Измерения проводились но стандартной методике согласно паспорту на прибор.
Поскольку количество варьируемых факторов было равно 2, было решено провести полнофакторный эксперимент. Перед составлением матрицы планирования необходимо определить факторы, влияющие на функцию отклика и уровни их варьирования. На электропроводность раствора влияет массовое соотношение в нем соли КС1 и технического углерода с дистиллированной водой. Значения массовых долей соли КС1 будем изменять от 0,5 до 8 %, так как верхним пределом измерений прибора кондуктометра является величина 10 См/м. Значение электропроводности 8 % раствора КС1 равно 8 См/м, но при добавлении в раствор углерода предполагается, что значение электропроводности повыси тся. Интервал 5—25 % для углерода выбран после консультаций со специалистами АО ТЗПК с учетом того, что оптимальная концентрация пигмента в печатной краске находится в этих пределах.
Обработка экспериментальных данных. В табл. 2 представлена матрица планирования и рабочая матрица эксперимента. Расчеты проводились по методике, описанной в [3].
По полученным результатам был определен критерий Кохрена Gp = 0,638681. Полученное значение Ср меньше табличною значения GT=0,967, что позволяет с доверительной вероятностью, ранной 95 %, считать дисперсии ошибок однородными. На этом основании были рассчитаны коэффициенты уравнения регрессии: Ь„ =5,76; Ь,=3,565; Ь2 =0,915; Ь12 = = - 0,39.
Рассчитанный критерий Стьюдента t=2,776. Доверительный интервал ДЬ = ±0,2297548. Согласно полученным данным, все рассчитанные коэффициенты уравнения регрессии значимы, а само уравнение имеет вид:
Y = 5,76 + 3.565Х, + 0.915Х., - О.ЗЭХ.Х^.
Проверка посредством критерия Фишера показала адекватность рассчитанной модели экспериментальным данным.
Матрицы планирования и рабочая матрица
N5 Матрица планирования Рабочая матрица Результаты опытов
опыта X, х2 Масс. доля КСІ Масс. доля сажи Y„ Y, Y» Y, s2.. Y*«, owv, »*
1 + + 8 25 9.8 9.8 9.95 9,85 0.0075 9,85 0
2 - + 0,5 25 3,3 3,6 3,6 3,5 0.03 3,5 0
3 + - 8 5 8.5 8.9 9 8.8 0,07 8.8 0
4 - - 0.5 5 0.84 0.9 0,93 0,89 0,0021 0.89 0
Полученные данные позволяют сделать предварительный вывод и возможности использования технического углерода УМ 76 в качестве пигмента электропроводной краски, поскольку концентрация углерода оказывает существенное влияние на электропроводность исследуемого раствора. Результаты проведенных экспериментов были переданы на АО ТЗПК с целью разработки электропроводной краски. В случае положительных результатов при разработке краски в условиях производства АО «Омсктехугле-род» получит дополнительный рынок сбыта своей продукции.
Выводы.
1. В качестве пигмента электропроводной краски был выбран технический углерод марки УМ 76 производства АО «Омсктехуглерод».
2. Проверка электропроводных свойств техническою углерода в растворе соли показала зависимость электропроводности полученного коллоида от концентрации, как соли, так и углерода.
3. Полученные данные позволяют сдела ть предварительный вывод о возможности использования технического углерода УМ 76 в качестве пигмента электропроводной краски.
4. Рассчитанная по стандартной методике математическая модель адекватна экспериментальным дан-
ным и позволяет прогнозировать электропроводность коллоида при разработке электропроводной краски.
Библиографический список
1. Пасынков, В. В., Сорокин В. C!. Материалы электронной техники: учеб. для сгуд. вузов / В.В. Пасынков, В. С.. Сорокии. -2-е изд., пере раб. и доп. — М.: Высш. шк., 1986. — 367 с.
2. Кировская, И. А. Коллоидная химия. Ультра м и к рогете ро -генные и микрогетерогенпыо системы : учеб. пособие / И.А. Кировская . — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. — 72 с.
3. Иванов, А.Ю. Основы планирования экспериментов в наборной технике : конспект лекций / А.Ю. Иванов. — Омск : Изд-воОмПИ, 1982. — 48 с.
ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства». Адрес для переписки: e-mail: [email protected] СВЕТУС МаринаЛлексапдровна, студентка гр. ПТ-416.
Статья поступила в редакцию 27.11.2009 г.
© С. Н. Литунов, М. Л. Светус
Книжная полка
Офицеров, В. В. Основы производственных процессов: технологии доиечатного производства [Текст]: учеб. пособие / В. В. Офицеров; ОмПУ. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. — 160 с.: рис., табл. — 978-5-8149-0747-9.
Рассмотрены первые шаги создания письменности и становления книгопечатания. Даны основные понятия о полиграфической продукции, применяемых способах печати, принципах построения полиграфического производства.
Рассматриваются основы допечатного производства, в том числе вопросы редакционно-издательской подготовки оригиналов, принципы технологических процессов цифровой обработки на всех этапах изготовления печатных форм (С1Я, С1Р, ОРгевБ, С1Рпт).
Варепо, Л. Г. Полиграфические материалы. Бумага {Текст]: учеб. пособие для вузов по специальности 261202 «Технология полиграфического производства» / Л. Г. Варепо; ОмГТУ. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. — 131 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 111-114.— ISBN 978-5-8149-0819-3.
Рассматриваются вопросы классификации бумаги, се виды и свойства, характеристика полуфабрикатов,
технологические особенности производства бумаги.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК N» 1 «7> 2010 ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДІЛО. ПОЛИГРАФИЯ
