Оценка качества пигментов-наполнителей на основе ХОЖК с помощью регрессионного анализа

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №6 УДК 667.622:519.233.5

С. В. Свергузова, И. В. Старостина, Г. И. Тарасова, Л. В. Денисова, И. Г. Шайхиев, А. В. Четвериков

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПИГМЕНТОВ-НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ХОЖК С ПОМОЩЬЮ РЕГРЕССИОННОГО АНАЛИЗА

Ключевые слова: пигменты-наполнители; хвосты обогащения железистых кварцитов; масляная краска, укрывистость;

регрессионный анализ.

В работе изучено влияние массы добавки усилителя цвета, температуры и длительности обжига на укрывистость получаемой краски с использованием пигментов-наполнителей на основе хвостов обогащения железистых кварцитов. Получено уравнение регрессии, адекватно описывающее зависимость укрывистости от изменения технологических параметров.

Key words: loading pigment; refinement tailings of carbonate-facies iron formation; oil paint, covering power; regression analysis.

The influence of mass of an additive of the intensive of colour, temperature and length of roasting on covering power of the received paint with using of loading pigment on the basis of refinement tailings of carbonate-facies iron formation is studied in this paper. The regression analysis which is adequately describing dependence of covering power on change of technological parameters is received.

Введение

Ежегодное производство пигментов-наполнителей во всем мире и в Российской Федерации достигает миллионов тонн. Они относятся к важнейшим материалам, использующимся в строительной, лакокрасочной, полимерной и полиграфической отраслях промышленности. Для их производства используются синтетические вещества и природные материалы. Однако, увеличивающийся дефицит природных ресурсов и образование огромного количества техногенных отходов приводят к необходимости поиска новых путей создания пигментов-наполнителей с использованием техногенного сырья. При этом использование отходов горно-металлургических и горнообогатительных комплексов (ГМК, ГОК) приобретает особо важное значение. Продукция ГМК составляет основу экономики и большую часть экспорта, особенно для Белгородской области, поскольку на ее территории находится основная часть (до 96 %) запасов железной руды - Курская магнитная аномалия.

Хвосты обогащения железистых кварцитов (ХОЖК) представляют собой тонкодисперсный порошок, образованный в результате измельчения железосодержащих кварцитов при сухой и мокрой магнитной сепарации [1, 2].

В хвостохранилищах России ежегодно складируется свыше 20 млн.т. хвостов, занимающих огромные территории плодородных земель и наносящих непоправимый вред окружающей среде [3]. Так, на Стойленском ГОКе (Белгородская область) площадь, выделенная под размещение отходов обогащения железной руды, составляет 493 га. А хвостохранилище Лебединского ГОКа (Белгородская область) является одним из крупнейших в России - земельный отвод составляет более 1530 га, что превышает площади, выделенные под карьер (1100 га). Ежегодный объем складируемых отходов составляет 18,5 млн. м3.

Учитывая, что разработка карьера осуществляется с 70-х г.г. прошлого столетия, то к настоящему моменту в отвалах накопились миллиарды тонн отходов обогащения, что представляет актуальную проблему для природопользования [4, 5].

В составе ХОЖК содержатся магнетит, гематит, карбонаты, слюды, пирит, альменит, силикаты, полевые шпаты и др. Основным минералом, слагающим ХОЖК, является а-кварц и магнетит. Основной рудный материал представлен в виде вкраплений в кварцевых зернах, в силикатах, реже -отдельными тонкими прослойками в обломках железистых кварцитов [3].

В настоящее время использование ХОЖК ограничивается их применением в качестве наполнителя в бетоны, железобетоны, керамические массы и в дорожном строительстве [6-13], доля использования ХОЖК при этом не превышает 30 %, остальная часть - остается невостребованной.

Нами предложено использовать ХОЖК для производства железооксидных пигментов-наполнителей [14], которые относятся к тонкодисперсным порошкообразным

композиционным материалам, получение которых осуществляется по упрощенной схеме: термообработка-помол.

Одной из важных характеристик пигментов-

наполнителей является укрывистость масляной

краски, приготовленной на их основе.

Укрывистостью

масляной краски называют ее способность давать на

окрашиваемой поверхности непросвечивающую

пленку, которая характеризуется расходом пигмента 1 2

или краски в г на 1 м окрашиваемой поверхности. Чем больше укрывистость масляной краски, тем меньше ее количество расходуется на окрашивание поверхности и, следовательно, тем экономичнее будет краска [15].

Испытание производят с помощью стеклянной пластинки размеров 100х300 мм. На одной стороне пластинки с помощью краски нанесены две черные и одна белая полосы. Пластинку взвешивают на

технических весах, затем масляную краску с помощью кисти наносят тонким слоем на сторону пластинки, обратную той, на которой имеются цветные полосы. Краску наносят на площадь 100х250 мм. Часть пластинки, представляющая собой прямоугольник размером 50х100 мм, не имеющий цветных полос, не окрашивается с тем, чтобы в процессе окрашивания было удобно держать пластинку в руке. Краску кистью наносят мазками вначале вдоль пластинки, затем поперек.

Окрашивание считается законченным, когда у пластинки, положенной на лист белой бумаги, не будут просвечивать в отраженном свете цветные полосы. Окрашенную пластинку взвешивают и укрывистость с точностью до 1 г/м2 вычисляют по формуле:

г=т^т .10000,

где т - масса пластинки до окрашивания, г; т1 - масса пластинки после окрашивания, г; Е - площадь пластинки, см2, покрываемая краской.

Поскольку на качество пигмента-наполнителя влияют несколько технологических факторов (температура и длительность термообработки, количество добавляемого усилителя цвета), нами проводился поиск оптимальных значений технологических факторов, влияющих на укрывистость масляной краски, методом математического планирования с использованием трехфакторного трехуровневого эксперимента. План эксперимента предусматривает учет всех влияющих факторов с тем, чтобы обеспечить максимум точности и уменьшения количества опытов [16].

Результаты исследований и измерений обрабатывались с применением методов статистической обработки экспериментальных данных с помощью программы «^аЙБЙса 7.0».

В качестве выходных параметров была выбрана укрывистость полученной краски, г/м2.

Экспериментальная часть

На первом этапе работы проводилось планирование эксперимента для нахождения оптимальных значений технологических факторов, где независимыми переменными были выбраны температура обжига, °С (х-|), длительность обжига, час (х2), содержание добавки-усилителя цвета -№2С03, % от массы ХОЖК. В качестве отклика была принята укрывистость краски (у).

Эффективность эксперимента зависит от содержательной постановки задачи, правильности выбора методики исследования, основных факторов и интервала варьирования, а также от глубины физической интерпретации результатов.

В табл. 1 и 2 указаны уровни варьирования независимых переменных, а также матрица планирования эксперимента в кодированных и натуральных координатах. Интервалы варьирования определялись в ходе предварительных экспериментов.

Таблица 1 эксперимента

Условия планирования

Факторы Уровни варьирования Интервал варьирования

Натуральный вид Кодированный вид -1 0 +1

Температура обжига, °С х1 950 1030 1110 80

Длительность обжига, час х2 2 3 4 1

Содержание №2СОз, % от массы ХОЖК хз 0,1 1 1,9 0,9

Таблица 2 - Матрица планирования

№ п/п Кодированный вид Натуральный вид

х2 х3 Температура обработки, °С Время обработки, час Количество №2СОз, масс. %

1 -1 950 2 0,1

2 1 -1 1110 2 0,1

3 1 950 4 0,1

4 1 1 1110 4 0,1

5 -1 1 950 2 1,9

6 1 -1 1 1110 2 1,9

7 1 1 950 4 1,9

8 1 1 1 1110 4 1,9

9 0 0 950 3 1

10 1 0 0 1110 3 1

11 0 -1 0 1030 2 1

12 0 1 0 1030 4 1

13 0 0 -1 1030 3 0,1

14 0 0 1 1030 3 1,9

15 0 0 0 1030 3 1

16 0 0 0 1030 3 1

17 0 0 0 1030 3 1

18/ 0 0 0 1030 3 1

19 0 0 0 1030 3 1

20 0 0 0 1030 3 1

На основании экспериментальных данных получено уравнение регрессии, которое описывает соотношение между температурой обжига, длительностью обжига и количеством добавки Ыа2СО3 и укрывистостью получаемой краски:

У = 109,29+ 90,67• 10-6 • х? -67,83• 10-3 • х1 • х2 + 12,24-10~3 • х1 • х3 +11,23-х? +1,86-х2 • х3 -5,47• х где У - укрывистость.

Для проверки адекватности модели, изучалась разность между экспериментальным значением и значениями укрывистости, предсказанными по уравнению в некоторых точках факторного пространства. В данной работе проверка адекватности уравнения проводилась по критерию Фишера. Полученное расчетное значение критерия Фишера меньше табличного, следовательно, уравнение адекватно описывает процесс.

Поверхности отклика и контуры поверхности отклика в зависимости от времени термообработки и температуры процесса и зависимости от времени обработки и количества добавки Ыа2СО3 представлены на рис.1а, 1б и 2а, 2б, соответственно.

4 20-130 110-120 4 00-110 90-100

1110

950

1,9

120,0-130,0 110,0-120,0 "100,0-110,0 90,0-100,0

Таким образом, на основании полученных данных следует, что, оптимальными условиями для получения пигмента-наполнителя на основе ХОЖК с низкими значениями укрывистости являются значения параметров: длительность обжига - 3,2 ч, количество добавки Na2003, - 1,1% масс., температура обжига - в интервале 1030-1070 °С.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Белгородской области в рамках научного проекта № 14-41-08054.

Литература

1. А.Н. Петин, Научные труды Федерального научного центра гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана; Региональные гигиенические проблемы и стратегия охраны здоровья населения. Белгород, 2004, Вып.10. С. 149-158.

2. А.Г.Корнилов, А.Н. Петин, Е.В. Кичигин, Известия РАН. Сер. Географическая, 2, 85-92 (2008).

3. А.Н. Петин, Вестник РУДН. Сер. Инженерные исследования, 11(12), 124-135 (2006).

4. А.Н. Володченко, Л.Х. Загороднюк, Е.О. Прасолова, Ахмед Али Анис Ахмед, Н.В. Кулик, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 6, 7-10 (2014).

5. Е.А. Пендюрин, Л.М. Смоленская, И.В. Старостина, Горный журнал, 1, 91-93 (2016).

6. Р.В. Лесовик, В.А. Калашников, Сборник докладов Международной научной конференции «Экология -образование, наука и промышленность», БелГТАСМ, Белгород, 2002, Ч.3. С. 104.

7. Р.В. Лесовик, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 8, 127129 (2004).

8. Б.Г. Винчук, И.В. Мишина, Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции, Кривой Рог, 1990. С. 29-30.

9. Д.В. Ломаченко, Н.А. Шаповалов, Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, 2, 141-143 (2013).

10. С.А. Казлитин, Р.В. Лесовик, Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова, 2, 39-41 (2012).

11. Т.А. Василенко, Современные проблемы науки и образования, 5 (2013). URL: http://cyberlenin-ka.ru/article/n/ispolzovanie-mineralnyh-shlamov-v-proizvodstve-stroitelnyh-materialov (дата обраще-ния: 23.03.2016).

12. Н.И. Зощук, В книге «Химическая технология строительных материалов», БТИСМ, Белгород, 1976. С. 158-188.

13. А.И. Ефимов, дисс. канд. техн. наук, БелГТАСМ, Белгород, 2000. 160 с.

14. С.В. Свергузова, Г.И. Тарасова, Строительные материалы, 7, 13-16 (2005).

15. Е.Ф. Беленький, И.В. Рискин, Химия и технология пигментов, Изд. 4-е, перераб. и дополн., Химия, М., 1974. 656 с.

16. С.В. Илюшина, Вестник Казанского технологического университета, 17, 8. 323-327 (2014).

Рис. 1 - Поверхности отклика в зависимости от времени и температуры обработки

На рис.1 видно, что экстремум лежит в области эксперимента. Точка экстремума соответствует время термообработки - 3,2 час, количество добавки Na2CO3 - 1,1% масс. (рис.1а, б), температура обжига составляет 1030-1070 °С (рис. 1а, б).

© С. В. Свергузова - д.т.н., проф., зав. каф. промышленной экологии Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова, pe@intbel.ru, И. В. Старостина - к.т.н., доцент той же кафедры; Г. И. Тарасова - д.т.н., доц. той же кафедры; Л. В. Денисова -к.х.н., доц. каф. теоретической и прикладной химии того же вуза; И. Г. Шайхиев - д.т.н., проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ; А. В. Четвериков - асп. каф. информационных технологий Белгородского госуд. технол. ун-та им. В.Г. Шухова.

© S. V. Sverguzova - Doc.sc.techn, professor, head of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, pe@intbel.ru, I. V. Starostina - Can.Sc.Techn, docent, the same Department; G. I. Tarasova - Doc.sc.techn, docent, the same Department; L. V. Denisova - Can.Sc.Chem. docent of Shukhov's Belgorod State Technological University pure and applied chemistry cathedra, I. G. Shaikhiev - Doc.sc.techn, professor, head of KNRTU engineering ecology cathedra, A. V. Chetverikov - Graduated student of Shukhov's Belgorod State Technological University information technology cathedra.

а

б

в