Влияние характеристик поверхностных явлений нитрата марганца на пропитку танталового анода конденсатора
Анализ поверхностного натяжения раствора нитрата марганца. Определение значения краевого угла смачивания поверхности танталовых анодов растворами нитрата марганца. Анализ изменения поверхностного натяжения нитрата марганца с ростом концентрации раствора.
| Рубрика | Химия |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.05.2017 |
| Размер файла | 51,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Влияние характеристик поверхностных явлений нитрата марганца на пропитку танталового анода конденсатора
А.Г. Старостин,
С.В. Лановецкий,
В.З. Пойлов
Введение
Покрытия на основе диоксида марганца используют в качестве катодного материала в электронной промышленности при производстве конденсаторов и химических источников тока, а также в производстве высокоактивных катализаторов окисления угарного газа [1-5]. Для получения покрытий оксидно-полупроводниковых конденсаторов используют технологию многостадийного нанесения посредством многоцикловой пропитки пористого электрода растворами Mn(NO3)2 с дальнейшим его пиролитическим разложением (до 30 циклов пропитка-пиролиз). Качество покрытий и число циклов пропитка-пиролиз во многом зависят от поверхностного натяжения раствора нитрата марганца, угла смачивания и свободной энергии на границе раздела «электрод-раствор», влияющих на смачивание пористых танталовых электродов растворами нитрата марганца. В отечественной и зарубежной литературе [3, 6-8] в основном рассматриваются вопросы технологии нанесения покрытий и способы улучшения стадии пропитки электродов растворами нитрата марганца, но отсутствует количественная оценка поверхностного натяжения раствора нитрата марганца, угла смачивания и свободной энергии на границе раздела «электрод-раствор ».
В связи с этим целью данной работы являлось изучение поверхностного натяжения раствора нитрата марганца, угла смачивания и свободной энергии на границе раздела «пористый танталовый электрод-раствор Mn(NO3)2», влияющих на смачивание электродов растворами нитрата марганца и интенсивность пропитки.
Экспериментальная часть
В качестве исходных материалов для исследования были использованы растворы Mn(NO3)2, полученные из тетрагидрата нитрата марганца (II) квалификации «осч» с концентрациями 10, 27, 42, 57 и 62,37 мас. %, а так же оксидированные объемно-пористые танталовые электроды заводского изготовления.
Динамическую вязкость (м, мПас) растворов нитрата марганца указанных концентраций определяли при помощи вибрационного вискозиметра «A&D SV-10» в термостатируемой кювете при температурах 30, 40, 50 и 60°С с трехкратным дублированием измерений для каждой концентрации. Точность измерений величины м составляла ±3%.
Предварительной стадией измерения краевого угла смачивания (и, град) была стабилизация танталовых анодов по значению влажности, для чего их подвергали радиационной сушке на влагомере «A&D MS-70» при температуре 110°С в течение 2 минут. Массу высушенных анодов (m1) и анодов пропитанных марганцевыми растворами (m2) оценивали с помощью электронных аналитических весов с точностью до 0,0001 г. После чего на автоматическом тензиометре «Kruss К-100С» проводили измерение краевого угла смачивания анода растворами нитрата марганца (по 3 анода для каждой концентрации при Т=23°С по методу одиночного волокна). При этом, образец танталового анода погружали в исследуемый раствор Mn(NO3)2 с одновременным измерением усилия отрыва от поверхности раствора. Расчет и осуществляли по формуле:
, град.
Где F - результирующая сил смачивания и выталкивания стандартной пластины из раствора (мН), у - поверхностное натяжение Mn(NO3)2 (мН/м), L - периметр смачивания (м).
Поверхностное натяжение (у, мН/м) растворов нитрата марганца определяли на тензиометре «Kruss К-100» методом взвешивания пластинки Вильгельми при температурах: 23, 35, 45, 55єС. При этом измеряли усилия соприкосновения и отрыва стандартной платиновой пластины с исследуемыми растворами и вычисляли поверхностное натяжение:
, мН/м.
Где и=0°, т.к. краевой угол смачивания пластины из иPt = 0°, L - периметр смачиваемой поверхности (м), F - измеряемая сила при погружении пластины в раствор (мН).
Свободную энергию поверхности (СЭП) материала анода конденсатора, спеченного из порошка тантала, так же оценивали с помощью тензиометра «Kruss К-100С» на основании краевого угла смачивания поверхности танталового анода растворами нитрата марганца с концентрациями 10, 27 и 62,37% и н-гексана (использованного в качестве стандартной жидкости с известным и) в термостатируемых условиях (Т=23°С) без разделения на полярную и дисперсную части СЭП. Это позволило определить индивидуальные значения СЭП танталовых анодов при пропитке растворами Mn(NO3)2 с заданными концентрациями.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Результаты измерения динамической вязкости растворов Mn(NO3)2, вычисленные по трем параллельным измерениям, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние температуры и концентрации растворов Mn(NO3)2 на динамическую вязкость
|
Т, ?C |
Динамическая вязкость раствора µ, мПа·с |
|||||
|
CMn(NO3)2=10% |
C Mn(NO3)2=27% |
CMn(NO3)2=42% |
CMn(NO3)2=57% |
CMn(NO3)2=62,37% |
||
|
30 |
0,96 |
1,16 |
2,52 |
7,69 |
12,83 |
|
|
40 |
0,83 |
0,98 |
2,09 |
5,97 |
9,53 |
|
|
50 |
0,73 |
0,85 |
1,76 |
4,85 |
7,30 |
|
|
60 |
0,67 |
0,78 |
1,60 |
4,05 |
6,01 |
Анализ результатов измерений показал, что с ростом температуры динамическая вязкость раствора уменьшается для всех концентраций нитрата марганца. Причем, с ростом концентрации раствора влияние температуры на динамическую вязкость усиливается. Так при концентрации раствора нитрата марганца 62,37% с ростом температуры от 30 до 60єС наблюдается снижение вязкости раствора с 12,83 до 6,01 мПа·с, что составляет 53,16%отн. против 30,21%отн. при концентрации раствора 10%.
В таблице 2 представлены значения краевого угла смачивания поверхности танталовых анодов растворами нитрата марганца.
Таблица 2. Значение краевого угла смачивания поверхности танталовых анодов растворами нитрата марганца
|
C Mn(NO3)2, % |
и, град |
|
|
10 |
22,482 |
|
|
27 |
27,397 |
|
|
42 |
32,275 |
|
|
57 |
44,352 |
|
|
62,37 |
67,062 |
Из результатов измерения угла и видно, что с ростом концентрации нитрата марганца происходит увеличение и в диапазоне 0-90° (диапазон ограниченной смачиваемости). Из этого следует, что при высоких концентрациях растворов Mn(NO3)2 эффективность пропитки пористых анодов конденсатора должна снижаться, что приводит к необходимости проведения дополнительных циклов пропитки. Ниже (в таблице 3) приведены результаты анализа изменения массы пористого танталового анода до и после пропитки растворами нитрата марганца.
Таблица 3. Прирост массы пористого танталового анода после однократной пропитки
|
CMn(NO3)2, % |
mср.1 до пропитки, г |
mср.2 после пропитки, г |
Прирост массы образца, % масс. |
|
|
10 |
0,224 |
0,238 |
6,25 |
|
|
27 |
0,222 |
0,238 |
7,21 |
|
|
62,37 |
0,224 |
0,230 |
2,68 |
Из анализа значений табл.3 следует, что увеличение концентрации пропиточного раствора приводит к снижению массы впитанного анодом раствора нитрата марганца. С ростом концентрации раствора нитрата марганца увеличиваются когезионные силы между молекулами, вследствие чего адгезионные силы притяжения раствора нитрата марганца поверхностью неровного шероховатого покрытия танталового анода уменьшаются. Это подтверждается результатами исследований авторов [3], доказавших, что при высоких концентрациях нитрат марганца не проникает в пористое тело анода конденсатора. нитрат марганец раствор натяжение
Для оценки сил когезии и адгезии на стадии пропитки пористых анодов растворами нитрата марганца проведены измерения поверхностного натяжения нитрата марганца при концентрациях 10, 27, 42, 57 и 62,37% и температурах 23, 35, 45, 55°С. Результаты измерений представлены на рис. 1.
Рис. 1. - Изменение поверхностного натяжения Mn(NO3)2 с ростом концентрации раствора при температурах 23, 35, 45, 55°С
Можно видеть, что с ростом концентрации раствора Mn(NO3)2 поверхностное натяжение увеличивается, что создает дополнительное препятствие для внедрения молекул жидкости в пористое пространство танталового анода на стадии пропитки. Поверхностное натяжение Mn(NO3)2 при концентрациях 10 и 27% имеют близкие значения (70,65-72,83 мН/м) и лишь с ростом концентрации выше 27% происходит его увеличение до 74 мН/м и выше. Увеличение температуры растворов нитрата марганца на 30оС при концентрациях до 30% приводит к снижению у на 2,4-2,9%. А при концентрациях растворов выше 42,57% поверхностное натяжение с ростом температуры снижается в большей степени, на 3,9-7,8%.
Полученные значения у позволяют рассчитать работу когезии (Wk), характеризующую силы притяжения ионов и молекул внутри растворов нитрата марганца:
Wk=2у, мН/м
и работу адгезии (Wa), характеризующую силы притяжения молекул раствора к поверхности смачивания по уравнению Дюпре-Юнга:
Wа/Wk=(1+cosи)/2, мН/м
где у - поверхностное натяжение раствора Mn(NO3)2 на границе с воздухом;
и - краевой угол смачивания раствора Mn(NO3)2 на границе жидкость-поверхность танталового анода.
По значениям работ адгезии Wа и когезии Wk, вычисляют значения коэффициента растекания f по формуле Гаркинса:
f=Wa-Wk
В таблице 5 приведены расчетные значения работ адгезии Wа, когезии Wk, и коэффициента растекания f.
Таблица 5. Влияние концентрации растворов нитрата марганца на работы адгезии Wа, когезии Wk и коэффициента растекания f при Т= 23°С
|
Концентрация растворов, % |
иср, град |
у, мН/м |
Wk, мН/м |
Wa, мН/м |
f |
|
|
10 |
22,482 |
72,76 |
145,52 |
139,99 |
-5,53 |
|
|
27 |
27,397 |
72,83 |
145,66 |
137,49 |
-8,17 |
|
|
42 |
32,275 |
77,08 |
154,16 |
142,25 |
-11,91 |
|
|
57 |
44,352 |
84,18 |
168,36 |
144,37 |
-23,99 |
|
|
62,37 |
67,062 |
86,81 |
173,62 |
120,64 |
-52,98 |
Повышение концентрации растворов Mn(NO3)2 приводит к увеличению поверхностного натяжения, вследствие чего увеличивается работа когезии, а также работа адгезии, что сопровождается ухудшением пропитки пористого танталового анода (см. табл.3). Коэффициент Гаркинса f меньше 0, что свидетельствует об отсутствии растекания и низкой адгезии нитрата марганца к смачиваемой поверхности танталового анода.
Результаты измерений СЭП устанавливают зависимость СЭП танталового электрода от концентрации пропиточного раствора Mn(NO3)2 (рис.2).
Рис. 2. - График изменения свободной энергии поверхности пористых танталовых анодов с ростом концентрации раствора Mn(NO3)2
С помощью количественной оценки свободной энергии пористых танталовых анодов установлено, что с ростом концентрации раствора Mn(NO3)2 в исследуемом диапазоне квадратично возрастает и значение свободной энергии (см. рис. 1). Эта зависимость объясняется теорией поверхностных явлений - с увеличением шероховатости поверхности краевой угол смачивания и СЭП растут [9-12]. Другими словами, шероховатая поверхность с низкой адгезией к жидкой фазе, менее смачиваема, чем гладкая.
На основании СЭП пористого танталового анода и значений поверхностного натяжения нитрата марганца при разных температурах возможно предсказать адгезионные свойства растворов Mn(NO3)2 по отношению к твердому аноду конденсатора. Так, исходя из зависимости СЭП от концентрации Mn(NO3)2, в практическом смысле пропитка раствором с концентрацией выше 27% будет малоэффективна.
Заключение
Установленные в работе значения поверхностного натяжения раствора нитрата марганца, угла смачивания и свободной энергии поверхности пористого танталового анода позволяют оценить условия (концентрацию, температуру), при которых процесс пропитки и получения катодного покрытия MnO2 будет оптимальным.
Найденные значения работы адгезии и когезии растворов нитрата марганца позволяют в дальнейшем прогнозировать пути совершенствования технологии нанесения катодного покрытия MnO2 на высокопористые танталовые носители, улучшая качество наносимого покрытия и снижая число стадий «пропитки-пиролиз».
Литература
1. Фиговский О. Нанотехнологии: сегодня и завтра. (Зарубежный опыт, обзор) [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, №3. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2011/511 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
2. Санников Н.И. Математическое представление характеристик пограничной поверхности межфазного переходного слоя. [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №2. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/756 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
3. I.Horacek, T.Zednicek. High CV Tantalum Capacitors - Challenges and Limitations. AVX Czech Republic s.r.o., 2008. - p. 11.
4. Shuhui Liang, Fei Teng. Effect of phase structure of MnO2 nanorod catalyst on the activity for CO oxidation. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 5307-5315.
5. Dawei Liu, Qifeng Zhang. Hydrous manganese dioxide nanowall arrays growth and their Li+ ions intercalation electrochemical properties. Chem. Mater. 2008, 20, 1376-1380.
6. Заявка на пат. 93002681 РФ, МПК H01G9/00. Способ изготовления оксидно-полупроводникового конденсатора с твердым электролитом / Бедер Л.К. и др.; заявитель и патентообладатель малое инновац.-коммерч. предпр. "АВИ-центр"; №93002681/07, заявл. 14.01.1993; опубл. 10.10.1996.
7. Пат. 2076368 РФ, МПК H01G9/00, H01G9/155. Способ изготовления оксидно-полупроводникового конденсатора. Бездворных Т.В. и др.; заявитель и патентообладатель Тов-во с огран. Ответств. "Юпитер Трэйд энд Финэнси ЛТД" и др.; №93002680/07, заявл. 14.01.1993; опубл. 27.03.1997.
8. Пат. 2073278 РФ, МПК H01G9/00. Способ изготовления оксидно-полупроводниковых конденсаторов. Бедер Л.К. и др.; заявитель и патентообладатель тов-во с огр. ответств. "Юпитер Трэйд энд Финэнси ЛТД"; № 93002681/07, заявл. 14.01.1993; опубл. 10.02.1997.
9. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учебник для вузов. - 3-е изд., стереотипное, испр. Перепеч. с изд. 1989г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 464 с.
10. Лановецкий С.В. Исследование процесса нанесения пленок диоксида марганца на танталовую подложку. // Лановецкий С.В. - Химическая промышленность сегодня, 2010. - № 11. - С.6-10.
11. Пойлов В.З., Лановецкий С.В., Кузьминых К.Г., Смирнов С.А., Степанов А.В. Интенсификация процесса пропитки танталовой матрицы растворами нитрата марганца. // Химическая промышленность сегодня, 2010. - № 10. - С.5-10.
12. Лановецкий С.В., Старостин А.Г., Пойлов В.З. Особенности формирования структуры пленочных покрытий в результате терморазложения растворов нитрата марганца. // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. - № 4. - С.125-130.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Расчет установки для непрерывного выпаривания раствора нитрата калия, для непрерывного концентрирования раствора нитрата аммония в одном корпусе. Определение температур и давлений. Расчет барометрического конденсатора и производительности вакуум насоса.
курсовая работа [529,5 K], добавлен 15.12.2012Слоистые двойные гидроксиды (СДГ), их структура и методы синтеза. Изучение сорбции марганца(II) на образцах Mg,Al-CO3 СДГ в статических условиях. Кинетика сорбции марганца(II). Зависимость оптической плотности от времени сорбции марганца(II) из раствора.
курсовая работа [648,6 K], добавлен 13.10.2017Историческая справка. Применение марганца. Получение марганца. Соединения марганца в биологических системах. Объем производства марганцевой руды по предприятиям. Марганцевые удобрения. Заболевание вызываемые токсином Марганца.
реферат [21,5 K], добавлен 05.11.2004Технологический, полный тепловой расчет однокорпусной выпарной установки непрерывного действия для выпаривания водного раствора нитрата калия. Чертеж схемы подогревателя начального раствора. Определение температур и давлений в узловых точках аппарата.
курсовая работа [404,1 K], добавлен 29.10.2011Свойства осадочных месторождений марганцевых руд. Свойства монооксида марганца. Разложение солей двухвалентного марганца. Промышленное получение марганца. Добыча и обогащение руд. Электролиз водных растворов сульфата марганца. Ресурсы марганцевых руд.
реферат [32,5 K], добавлен 01.03.2011Рассмотрение основных методов анализа железа и марганца. Описание классических и инструментальных методов. Анализ состава соли. Масс-спектрометрическое, титриметрическое и гравиметрическое определение лития, железа, марганца в смешанном фосфате.
курсовая работа [633,0 K], добавлен 24.01.2016Расчет концентрации нитрата кальция в водном растворе для его применения в составе охлаждающей жидкости. Определение зависимости показателя преломления фаз системы вода-нитрат кальция при отрицательной температуре от концентрации методом рефрактометрии.
курсовая работа [780,0 K], добавлен 12.12.2012Характерные особенности изотерм динамического поверхностного натяжения водных растворов некоторых ПАВ и их взаимосвязь со свойствами раствора. Исследование динамического поверхностного натяжения методом максимального давления в газовом пузырьке.
дипломная работа [788,3 K], добавлен 10.02.2012Очистка воды от марганца. Безреагентные и реагентные методы деманганации воды. Глубокая аэрация с последующим фильтрованием. Использование катализаторов окисления марганца. Удаление марганца из подземных вод. Технология применения перманганата калия.
реферат [95,6 K], добавлен 09.03.2011Лиофильные и лиофобные системы. Способы получения дисперсных систем. Определение границы поверхностного слоя. Методы измерения поверхностного натяжения. Зависимость поверхностного натяжения от температуры и концентрации. Полная поверхностная энергия.
реферат [63,1 K], добавлен 22.01.2009Химические свойства марганца и его соединений. Промышленное получение марганца. История открытия хрома, общие сведения. Нормы потребления марганца и хрома, их биологическая роль. Влияние недостатка или переизбытка микроэлементов на организм человека.
реферат [67,8 K], добавлен 20.01.2015Гравиметрические методы определения марганца в виде окиси, сульфида, фосфата, пикролоната. Исследование элемента с помощью перманганатометрии, йодометрии, потенциометрического титрования. Анализ растворов фотометрическими и люминесцентными методами.
курсовая работа [47,4 K], добавлен 28.10.2012Условия электрохимического облучения на основе дисперсного углеродного материала нитрата графита, обеспечивающего последующую его переработку в графитовую фольгу. Технология электрохимического синтеза и модернизация оборудования для его осуществления.
автореферат [27,6 K], добавлен 22.03.2009Синтезирование нитрата 1-окси-3-адамантановой кислоты, её свойства. Строение молекулы адамантана. Физические и химические свойства адамантана, определяемые его структурными особенностями. Температура плавления адмантана. Стойкость к агрессивным сферам.
курсовая работа [732,2 K], добавлен 16.10.2008Условия проведения металлотермии. Расчет состава исходной смеси и возможных реакций. Свойства восстанавливаемых оксидов. Получение марганца с помощью алюмотермии. Химические свойства полученных веществ и прекурсоров. Определение продукта реакции.
курсовая работа [111,8 K], добавлен 16.12.2015Характеристика магния: химические свойства, изотопы в природе. Соли магния: бромид, гидроксид, иодид, сульфид, хлорид, цитрат, английская соль; их получение и применение. Синтез нитрата магния по реакции концентрированной азотной кислоты с оксидом магния.
курсовая работа [74,6 K], добавлен 29.05.2016Общая характеристика, основные физические и химические свойства оксогидроксида марганца (III), триоксалатоманганата (III) калия, диоксалатодиакваманганата (III) калия, порядок их образования и сферы применения. Синтез MnO(OH) и других соединений.
практическая работа [20,0 K], добавлен 23.03.2011Технология производства азотных удобрений – нитрата аммония и карбамида. Физико-химические основы процесса синтеза. Объединение производства карбамида, аммиака, нитрата аммония. Внедрение упрощенных экономичных технологических схем со стриппинг-процессом.
реферат [1,8 M], добавлен 21.02.2010Исследование кинетики адсорбции поверхностно-активных веществ на границе с газом или жидкостью, измерение динамического поверхностного натяжения водных растворов алкилсульфатов натрия, эффект появления максимума на изотерме поверхностного натяжения.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 01.02.2012Получение лиофобных коллоидных систем, ее оптические свойства. Определение поверхностного натяжения растворов ПАВ и межфазного натяжения на границе двух несмешивающихся жидкостей сталагмометрическим методом. Коллоидная защита золей растворами ВМС.
реферат [148,3 K], добавлен 15.02.2016
