表面结构（通用10篇）
表面结构 篇1
前言
聚氨酯树脂具有优良的物理与化学性能,并且能够通过调节其组分中的软硬段含量之比来获得性能的可调控性,被广泛应用于制革、涂料和粘合剂等领域[1]。含氟聚合物由于氟元素的引入可以显著提高耐磨性,耐玷污性及耐化学腐蚀性等[2,3]。含氟聚氨酯作为含氟聚合物中的一个重要分支,兼具含氟聚合物和聚氨酯各自的优点,是一种在皮革整饰、涂料、粘合剂和织物整理等行业有较大应用前景的高性能材料[4,5]。
目前合成氟化聚氨酯的途径主要有,由聚氨酯的软段引入、硬段引入或者扩链剂引入等等[6],都在不同程度上改善了聚氨酯的表面性能。值得注意的是,聚氨酯材料的表面性能在很大程度上取决于其表面微相分离的状况,而聚氨酯的微相分离又与其软硬段分子间的氢键作用有着重要联系。因此,含氟基团的引入可能会对聚氨酯表面附近的微相分离情况和氢键分布情况产生一定影响,进而影响含氟聚氨酯的表面性能。
在本研究中,采用自制的带有含氟烷基侧链的二元醇作为扩链剂[7],与聚己内酯二元醇,1,4-丁二醇和4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯等原料制备了一系列含氟聚氨酯材料。通过ATR-FTIR和AFM研究分析了含氟聚氨酯表面的微相分离状态及氢键的变化,通过测定静态接触角验证了这种侧链含氟聚氨酯具有优异的疏水疏油性质。
1 实验部分
1.1 主要原料
聚ε-己内酯二元醇(PCL,Mw 2000,上海高桥石化),100 ℃下抽真空除水2 h;4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),减压蒸馏,烟台万华;1,4-丁二醇(BDO),减压蒸馏提纯,上海行知化工厂;四氢呋喃(THF),N ,N-二甲基乙酰胺(DMAc),用CaH2干燥 24 h 后减压蒸馏,天津富宇精细化工公司;含氟扩链剂 N-(2-羟基-1-羟甲基-1-甲基-乙基)-2-(2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-全氟辛氧基)-乙酰胺 (HPFOAD),合成及表征参考文献[7],分子式为:
1.2 合成侧链含氟聚己内酯聚氨酯
以MDI,聚己内酯多元醇PCL和BDO以及含氟扩链剂(HPFOAD)为原料,通过本体预聚法合成系列含氟聚己内酯型聚氨酯。第一步,在真空环境下,将PCL加热至100 ℃熔融,保持15 min,以保证完全除去水分。再降温至50～60 ℃,加入MDI,在氮气气氛下,加入含氟扩链剂,并保持温度在50～60 ℃,反应10 min。然后升温至70 ℃,将BDO和催化剂二月桂酸二丁基锡加入到反应液中,继续升温至100 ℃,停止加热,将反应生成物溶液出釜。最后,将该溶液浇模,放入100 ℃烘箱中熟化12～24 h。室温下放置一周后,用THF和DMAc混合溶剂(5 ∶1)溶解。完全溶解后,加入适量的甲醇使其沉淀,除去低分子量部分。取沉淀物再次溶解、沉淀、提纯,在60 ℃真空烘箱干燥24 h。得到的含氟聚氨酯的结构如图1所示,合成的一系列含氟聚氨酯的原料配方见表1。为了方便表述,将空白样聚氨酯简称为PCLU-blank,含氟聚氨酯简称为FPCLU-s,FPCLU-s后面所连数字代表含氟扩链剂占扩链剂总量的摩尔百分数。
1.3 测试及表征
1.3.1 测试样品制备
将10%(w/v)的四氢呋喃或四氢呋喃和N,N-二甲基乙酰胺(5∶1)的聚氨酯溶液浇注于干净的盖玻片上,放于40 ℃的烘箱保持24 h,再50 ℃烘12 h,最后在60 ℃真空烘箱中干燥3 d,备用。
1.3.2 衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)
ATR-FTIR光谱数据用Nicolet-560红外光谱仪收集,收集范围:4000～600 cm-1。
1.3.3 原子力显微镜(AFM)
用扫描探针SPA400-SPI3800N控制器(Seiko Instruments Industry,Co.,LTD.)在室温下,采用轻敲模式(探针回复率Rf=0.8～0.9),相图和形貌图数据同时记录。
1.3.4 静态接触角及表面能
在温度20 ℃的条件,采用Kruss接触角测定仪,使用3 μL液体测定接触角,将所测得的接触角通过公式计算得出表面能。最后结果为10个平行测定值的平均值。
2 结果与讨论
2.1 衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)
衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)技术是测试聚合物表面化学组成及形态结构信息而又不受试样本体干扰的最有效的方法之一。含氟聚氨酯及其空白样的红外光谱如图2所示。
己经证明,软段分子与硬段分子之间的相互作用(氢键键合)是聚氨酯微相分离过程的主要推动力[8],即软硬段之间氢键键合程度越高,聚氨酯微相分离越好。因此我们可以通过ATR-FTIR分析含氟聚氨酯表面的氢键变化,从而研究材料表面的微相分离结构。
从图2可以清晰地看出聚氨酯典型特征的吸收谱带,例如位于3340 cm-1附近的N-H伸缩振动,1726 cm-1附近的C=O伸缩振动,以及位于1530 cm-1附近的酰胺II带和730 cm-1附近的酰胺Ⅲ带都非常明显,说明生成了氨基甲酸酯基团。由图3还可以看出,自由的N-H伸缩振动(3460 cm-1)处几乎看不到有吸收峰,只有氢键键合的N-H振动峰(3343 cm-1),说明硬段中几乎所有的N-H都参与了氢键的形成。
图3所示1770～1660 cm-1区域为聚氨酯中羰基的吸收峰,而对于本实验体系而言,该区域的羰基吸收峰包括了PCL软段羰基吸收峰及氨基甲酸酯硬段羰基吸收峰。由图4可知,随着含氟扩链剂的引入,1709 cm-1处吸收峰有增强的趋势。由前人文献可知[9],1709 cm-1左右吸收峰为氨基甲酸酯中的氢键键合羰基吸收峰,由于聚氨酯软硬段分子间的作用力随着氨基甲酸酯羰基氢键键合程度的增加而增大,可以认为聚氨酯表面的微相分离行为随着含氟扩链剂的引入而增强。
下面就侧链含氟基团对聚氨酯表面相行为的影响机理给出可能的解释。由于全氟烷基链具有既疏水又疏油的性质,且C-F键具有极高的极性,使得其与聚合物中的其他组分热力学上不相容,从而趋向于自聚集[10]。本研究中含氟侧链基团以共价键的形式连接于聚氨酯硬段之上,成为硬段的一部分,这些含氟基团会增加软硬段分子间的溶解度参数(solubility parameter)之差,从而促进了聚氨酯的微相分离;另一方面,对于普通聚氨酯材料而言,由于软段分子具有较硬段分子更小的极性,同时,前者的运动能力也较后者更强,使得软段分子比硬段分子更易于富集于聚氨酯材料的表面。因此,侧链含氟基团具有较强的向材料表面迁移的趋势,带动了硬段分子向材料表面的富集,从而强化了聚氨酯材料表面的微相分离。
2.2 原子力电镜(AFM)
图4分别显示了各聚氨酯试样膜的高度图,相图及三维图。此外,通过高度图得到了各聚氨酯膜的表面粗糙度(RMS),观测范围为2 μm×2 μm。可以观察到含氟聚氨酯的表面都存在着明显的两相结构,其中较亮的区域对应着含氟聚氨酯的硬段,与三维图中的“波峰”部分相对应,较暗的区域则对应着含氟聚氨酯的软段,与三维图中的“波谷”部分相对应[11]。由图4可知,随着含氟基团的引入,聚氨酯的表面形貌发生了显著的改变,而这种改变应该与含氟基团在材料表面的富集有关[12]。同时,含氟聚氨酯的表面粗糙度较聚氨酯空白样都显著的降低了,但随着侧链含氟基团的增加,含氟聚氨酯的表面粗糙度由FPCLU-20的1.02 nm增加到FPCLU-70的5.31 nm。因此,AFM结果表明侧链含氟基团的引入能够显著改变聚氨酯的表面形貌,从而在一定程度上影响了含氟聚氨酯的表面性能。
2.3 静态接触角及表面张力
本研究中,我们用计算机程序进行非线性回归估算氟化聚氨酯的表面张力。在计算中,将分别依据适用于水的方程(1)和适用于二碘甲烷的方程(2)。
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其中γ=γd+γp,γH2O=γundefined+γundefined, γCH2I2=γundefined+γundefined, γ:表面张力,d:色散部分,p:极性部分。θH2O和θCH2I2分别为聚合物与水、二碘甲烷的接触角。γundefined=22.1 mN/m, γundefined=50.7 mN/m, γundefined=44.1 mN/m, γundefined=6.7 mN/m.
*γ is the surface tension. γd and γp are the dispersion and polar components of γ ,respectively.
由图5可知,随着侧链含氟基团的引入,聚氨酯材料的水接触角及二碘甲烷接触角都显著提高了,特别地,含氟聚氨酯的二碘甲烷接触角普遍高于普通聚氨酯两倍以上,由后者的42.7°提高到了前者的100°以上。根据接触角计算所得的表面张力列于表2。由表2可知,含氟聚氨酯的表面张力大大低于空白样聚氨酯,再次表明含氟侧链被成功引入到聚氨酯材料中,并且完成了氟碳侧链向材料表面的迁移。同时,含氟聚氨酯的表面张力并没有随着含氟扩链剂含量的增加而进一步变小,说明当聚氨酯中的氟含量达到13.4%(Wt%)时,含氟基团在材料表面的富集即已达到饱和。
表3列举了一些拥有特定表面组成的化合物及其对应的表面张力[12]。表面富集着-CF2-官能团的聚四氟乙烯临界表面张力为18.5mN/m,而表面富集着-CF3官能团的全氟月桂酸单分子膜临界表面张力仅为6 mN/m。值得注意的是本实验所得的含氟聚氨酯表面张力都介于上述二者之间,这说明位于FPCLU表面上的含氟侧链排布可能是以下两种情况的综合结果,即一部分氟碳链“卧伏”于聚氨酯表面,以氟碳链中的-CF2-官能团暴露在材料表面;另一部分氟碳链“站立”于聚氨酯表面,以氟碳链端的-CF3官能团暴露在材料表面。
3 结论
以一种带有含氟侧链的二元醇作为扩链剂引入到聚己内酯聚氨酯的硬段上,制备出一系列带有氟烷基侧链的聚氨酯材料。ATR-FTIR分析表明连接在硬段上的含氟侧链增强了聚氨酯表面软硬段之间的氢键作用,从而加强了表面微相分离。AFM结果表明含氟聚氨酯的表面粗糙度显著低于空白样聚氨酯。静态接触角测试及表面能计算的结果证实了含氟侧链向材料表面迁移的倾向性,并且有相当部分的氟碳链“站立”于聚氨酯材料表面,将氟碳链端的-CF3基团充分暴露出来。
表面结构 篇2
机械图样上的技术要求是零件在设计、加工和使用中应达到的技术性指标，主要包括：表面结构、极限与配合、形状与位置公差、热处理以及其他有关制造的要求等(图7-33)，上述要求应按照国家标准规定的代(符)号或用文字正确地注写出来。本节介绍表面结构的表示方法。
图7-33 零件图上的技术要求
一、表面结构的概念
零件表面经过加工后，看起来很光滑，经放大观察却凹凸不平(图7-34)。实际表面的轮廓是由粗糙度参数(R轮廓)、波纹度参数(W轮廓)和原始轮廓参数(P轮廓)构成的。各种轮廓所具有的特性都与零件的表面功能密切相关。
1，粗糙度轮廓
粗糙度轮廓是指加工后的零件表面轮廓中具有较小间距和谷峰的那部分，它所具有的微观几何特性称为表面粗糙度。一般是由所采取的加工方法或其他因素形成的，
2.波纹度轮廓
波纹度轮廓是表面轮廓中不平度的间距比粗糙度轮廓大得多的那部分。它具有间距较大的、随机的或接近周期形式的成分构成的表面不平度称为表面波纹度。一般是工件表面加工时由意外因素引起的。
3.原始轮廓
原始轮廓是忽略了粗糙度轮廓和波纹度轮廓之后的总的轮廓。它具有宏观几何形状特征成为原始轮廓。一般是由机床、夹具等本身所具有的形状误差引起的。
零件的表面结构特征是粗糙度轮廓、波纹度轮廓和原始轮廓特性的统称。它是通过不同的测量与计算方法得出的一系列参数进行表征的，是评定零件表面质量和保证其表面功能的重要技术指标。
二、表面结构的参数
1.评定表面结构的参数
国家标准规定了评定表面结构的三组参数：
(1)轮廓参数(GB/T3505-)
R轮廓(粗糙度轮廓)参数;
W轮廓(波纹度轮廓)参数;
P轮廓(原始轮廓)参数。
(2)图形参数(GB/T18618-2002)
粗糙度图形参数;
波纹度图形参数。
(3)支承率曲线参数(GB/T18778.2-和GB/T18778.3-等)
此处主要介绍常用的评定粗糙度轮廓(R轮廓)的主要参数：轮廓算术平均偏差(Ra)和轮廓的最大高度(Rz)。
1)轮廓算术平均偏差(Ra)
在一个取样长度lr内，纵坐标值Z(X)绝对值的算术平均值。
2)轮廓的最大高度(Rz)
在一个取样长度内，最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和的高度。
2.表面结构参数值的选用
表面结构参数值要根据零件表面不同功能的要求分别选用。粗糙度轮廓参数Ra几乎是所有表面必须选择的评定参数，参数值越小，零件被加工表面越光滑。因此，在满足零件使用的前提下，应合理选用参数值。表7-4和表7-5列出了粗糙度轮廓参数Ra值及相应的加工方法。
3.表面结构的图形符号、代号及标注方法
国家标准《产品几何技术规范(GPS)技术产品文件中表面结构的表示法》(GB/T131-2006)规定了表面结构的符号、代号及在图样上的标注方法。
(1)表面结构的图形符号
表面结构的图形符号及其含义，见表7-6。
(2)表面结构完整图形符号的组成
为了明确表面结构的要求，除了标注表面结构参数和数值外，必要时应标注补充要求，补充要求包括传输带、取样长度、加工工艺、表面纹理及方向、加工余量等。在完整符号中，对表面结构的单一要求和补充要求应注写在图7-35所示的指定位置。
(3)参数极限值的判断与标注规则
参数的单向极限：当只标注参数代号和一个参数值时，默认为参数的上限值。若为参数的单向下限值时，参数代号前应加注L，如L Ra3.2。
参数的双向极限：在完整符号中表示双向极限时应标注极限代号。上限值在上方，参数代号前应加注U，下限值在下方，参数代号前应加注L。如果同一参数有双向极限要求
第四节 零件的表面结构
机械图样上的技术要求是零件在设计、加工和使用中应达到的技术性指标，主要包括：表面结构、极限与配合、形状与位置公差、热处理以及其他有关制造的要求等(图7-33)，
上述要求应按照国家标准规定的代(符)号或用文字正确地注写出来。本节介绍表面结构的表示方法。
图7-33 零件图上的技术要求
一、表面结构的概念
零件表面经过加工后，看起来很光滑，经放大观察却凹凸不平(图7-34)。实际表面的轮廓是由粗糙度参数(R轮廓)、波纹度参数(W轮廓)和原始轮廓参数(P轮廓)构成的。各种轮廓所具有的特性都与零件的表面功能密切相关。
1，粗糙度轮廓
粗糙度轮廓是指加工后的零件表面轮廓中具有较小间距和谷峰的那部分，它所具有的微观几何特性称为表面粗糙度。一般是由所采取的加工方法或其他因素形成的，
2.波纹度轮廓
波纹度轮廓是表面轮廓中不平度的间距比粗糙度轮廓大得多的那部分。它具有间距较大的、随机的或接近周期形式的成分构成的表面不平度称为表面波纹度。一般是工件表面加工时由意外因素引起的。
3.原始轮廓
原始轮廓是忽略了粗糙度轮廓和波纹度轮廓之后的总的轮廓。它具有宏观几何形状特征成为原始轮廓。一般是由机床、夹具等本身所具有的形状误差引起的。
零件的表面结构特征是粗糙度轮廓、波纹度轮廓和原始轮廓特性的统称。它是通过不同的测量与计算方法得出的一系列参数进行表征的，是评定零件表面质量和保证其表面功能的重要技术指标。
二、表面结构的参数
1.评定表面结构的参数
国家标准规定了评定表面结构的三组参数：
(1)轮廓参数(GB/T3505-2000)
R轮廓(粗糙度轮廓)参数;
W轮廓(波纹度轮廓)参数;
P轮廓(原始轮廓)参数。
(2)图形参数(GB/T18618-2002)
粗糙度图形参数;
波纹度图形参数。
(3)支承率曲线参数(GB/T18778.2-2003和GB/T18778.3-2006等)
此处主要介绍常用的评定粗糙度轮廓(R轮廓)的主要参数：轮廓算术平均偏差(Ra)和轮廓的最大高度(Rz)。
1)轮廓算术平均偏差(Ra)
在一个取样长度lr内，纵坐标值Z(X)绝对值的算术平均值。
2)轮廓的最大高度(Rz)
在一个取样长度内，最大轮廓峰高和最大轮廓谷深之和的高度。
2.表面结构参数值的选用
表面结构参数值要根据零件表面不同功能的要求分别选用。粗糙度轮廓参数Ra几乎是所有表面必须选择的评定参数，参数值越小，零件被加工表面越光滑。因此，在满足零件使用的前提下，应合理选用参数值。表7-4和表7-5列出了粗糙度轮廓参数Ra值及相应的加工方法。
3.表面结构的图形符号、代号及标注方法
国家标准《产品几何技术规范(GPS)技术产品文件中表面结构的表示法》(GB/T131-2006)规定了表面结构的符号、代号及在图样上的标注方法。
(1)表面结构的图形符号
表面结构的图形符号及其含义，见表7-6。
(2)表面结构完整图形符号的组成
为了明确表面结构的要求，除了标注表面结构参数和数值外，必要时应标注补充要求，补充要求包括传输带、取样长度、加工工艺、表面纹理及方向、加工余量等。在完整符号中，对表面结构的单一要求和补充要求应注写在图7-35所示的指定位置。
(3)参数极限值的判断与标注规则
参数的单向极限：当只标注参数代号和一个参数值时，默认为参数的上限值。若为参数的单向下限值时，参数代号前应加注L，如L Ra3.2。
参数的双向极限：在完整符号中表示双向极限时应标注极限代号。上限值在上方，参数代号前应加注U，下限值在下方，参数代号前应加注L。如果同一参数有双向极限要求
，在不致引起歧义的情况下，可不加注U、L。上、下极限值可采用不同的参数代号表达。
表7-7，表7-8是部分采用默认定义时的表面结构(粗糙度)代号及其含义。
4.表面结构要求在图样中的注法
表面结构 篇3
关键词:Auto CAD;表面结构符号;标注方法;位置;数值方向职责
中图分类号:TP391.7文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)11-0015-03
1 表面结构的表示方法
GB/T131—2006表面结构要求主要包括粗糙度、波纹度、表面纹理等情况。GB/T131—2006规定,在技术产品文件中,对表面结构的要求可以用几种不同的图形符号表示,每种符号都有特定的含义。
给出表面结构要求时,应标注其参数代号和相应数值,并包括要求解释的轮廓参数、轮廓特征、满足评定长度要求的取样长度的个数、要求的极限值等。
为了明确表面结构要求,除了标注表面结构参数和数值外,必要时应标注补充要求,补充要求包括取样长度、加工工艺、表面纹理及方向、加工余量等。为了保证表面的功能特性,应对表面结构参数规定不同的要求。
在完整符号中,对表面结构的单一要求和补充要求应注写在图1的指定位置。
在表面结构的单一要求和补充要求中,各项目含义如下:
a:标注表面结构的单一要求,?滋m;
a和b:标注多个表面结构要求;
c:标注加工方法;
d:标注表面纹理和方向;
e:標注加工余量,mm;
2 表面结构基本符号的画法及注写方向
基本符号,表示未指定工艺方法获得的表面,仅用于简化代号的标注,没有补充说明时不能单独使用。
扩展图形符号,基本符号加一短划,表示表面是用去除材料的方法获得。仅当其含义是“被加工表面”时可单独使用。
扩展图形符号,基本符号加一小圆,表示表面是用不去除材料的方法获得,也可用于表示保持上道工序形成的表面,不管这种状况是通过去除材料或不去除材料形成的。
3 制作表面结构符号的图块
在Auto CAD绘图环境下,表面结构符号不能直接标注,需要事先按照机械制图国家标准对表面结构符号标注的要求,画出表面结构符号,然后定义成带属性的块,在标注时用插入块的方法进行标注。下面以扩展图形符号中,用去除材料的方法为例,探讨在Auto CAD绘图环境下应用带属性块的方法来制作表面结构符号,并将其标注在技术图样中。在技术图样中,由于幅面不同,在其上所标注的字号也不同,为了在使用过程中能够比较容易地确定表面结构符号的缩放比例值与所标注的字号相匹配,将表面结构符号绘制在尺寸为1×1的正方形中。
(1)首先在尺寸为1×1的正方形中,根据表面结构基本符号的画法及其尺寸绘制表面结构符号。
(2)在下拉菜单中,单击“绘图”-“块”-“定义属性”,打开“定义属性”对话框。
(3)在“属性”区域中的“标记”、“提示”、“值”各栏中,分别在对应的栏目中填入相应的内容。
(4)在“文字选项”区域“对正”的下拉框,根据各项对齐位置的不同,选择不同的对齐方式。
(5)单击按钮“确定”。
(6)单击“创建块”按钮,打开“块定义”对话框,输入块名“表面结构符号”。
(7)单击按钮“拾取点”,选择表面结构符号的插入点(选择1点为插入点)。
(8)单击按钮“选择对象”,选择要生成的图块。
(9)单击“确定”按钮,完成表面结构符号的制作。
4 标注表面结构符号
标注表面结构符号的过程就是插入表面结构符号图块的过程,即将已制作好的表面结构符号图块插入到技术图样需要标注的位置。标注表面结构符号时,应注意以下几点:
(1)在技术图样中,标注表面结构符号大小要与所标注的文字字号匹配。因为制作的表面结构符号为1个单位高。可以使用“比例”命令修改表面结构符号的大小,以满足不同字号的要求。
(2)如果表面结构符号中只标注表面结构的单一要求。可以在插入表面结构符号图块时,双击带属性部分,调出“增强属性编辑器”,将不标注项目的值改为空白即可,见图7。
(3)技术图样中,所遇到的表面结构符号标注是各种各样的,我们应该根据技术图样要求,标注出符合技术图样要求的表面结构符号。以上的方法,只是一种在技术图样中比较常用的标注表面结构符号的方法,它不能包括全部,应该根据具体情况做具体处理。
(4)生成的图块不能使用“分解”命令对其进行编辑,见图8,将表面结构符号图块用“分解”命令后的效果。
5 结束语
上述方法简单易行,便于掌握,可以减轻绘图操作人员的劳动强度,提高工作效率。当将其生成带属性的图块后,保存为图形文档,可以随时调用,非常方便、快捷。上述方法只是许多标注表面结构符号的一种方法,在实际操作中,还有多种方法可以满足工作需要,其中有编制程序实现的,还有从其他CAD软件中调用的。设计人员可以根据工作需要以及自己对Auto CAD软件的理解,选择适合自己工作的一种方法即可。
计算机是工具,是为我们的工作服务的,所以,使用计算机就必须和我们所从事的专业紧密联系起来。可以根据工作需要,结合Auto CAD提供的功能,开发我们所需要的工作环境。随着AutoCAD新版本的不断推出,其新增和改进功能的增强,通过不断的开发利用,使我们能够轻松、方便、高效地运用新的设计理念来满足我们的需求。只要灵活运用程序本身提供的命令,充分发挥创造力,让它更好地为我们的工作服务。
Labels the Surface Texture Mark in Auto CAD One Method
Kang Baocheng
Abstract: The components surface texture mark is weighs the components face work quality an important technical specification, also one kind of labelling mark which in the mechanical drawing uses frequently. But in Auto under the CAD cartography environment, automated and the intellectualized labelling surface texture mark’s method has not provided in this graphics software. Therefore,the discussion convenience quick labelling surface texture mark’s method,to enhances the cartography the efficiency and the quality, reduces the labor intensity to have the positive significance. In analysis national standards GB/T131-2006 “Product Geometry Technology standard (GPS) In Technical Product Document Surface texture Method of portrayal” in the foundation, from the surface texture mark’s plan,labelled the position,the direction as well as the surface texture mark value note writes, proposed one kind labelled the surface texture mark convenience feasible method in Auto CAD.
表面结构 篇4
聚吡咯与人体内神经组织具有相容性, 聚吡咯作为神经桥接物进行缺损神经桥接在国内进行了大量研究, 展现良好的发展前景。本方法所得到的聚吡咯衍生物拟应用在SPR生物传感器上, 可对导电聚合物与蛋白质, DNA分子之间相互作用进行研究, 根据SPR光谱有关理论, 可计算出结合蛋白质的质量、吸附的动力学曲线, 获得抗原-抗体结合的动力学常数, 这对治疗、检测、诊断等都具有非常实用的价值。为此, 利用吡咯制备其有关的衍生物单体-丙烯酰吡咯, 然后以偶氮二异丁腈 (AIBN) 为引发剂使单体进行自由基聚合, 并对聚合产物进行结构和表面形貌表征。
1实验部分
1.1样品的制备
首先利用吡咯钾盐与丙烯酰氯在冰水浴、N2保护下反应, 合成丙烯酰吡咯, 然后以AIBN为引发剂通过自由基聚合来合成PAP。将PAP溶于N, N-二甲基甲酰胺 (DMF) 中配为质量分数为1%的溶液, 将溶液旋涂到经过预处理的金膜表面。涂膜的表面可与吡咯在Fe3+溶液中进行化学法聚合, 形成聚合物薄膜的表面。将涂有PAP的金膜浸在三氯化铁 (0.135g/10mL去离子水) 中, 然后加入吡咯 (0.104mL/10mL去离子水) , 在室温下聚合, 即可得到更厚的聚合物膜。示意图见图1。
1.2样品的性能表征
样品化学结构的表征采用德国Bruker公司生产的TENSOR27型傅立叶变换红外光谱仪。薄膜的表面形貌采用AFM进行分析。
2结果与讨论
2.1样品化学结构的红外光谱分析
由图2中PAP的红外光谱可以看出, 2935cm-1为聚丙烯基中亚甲基 (-CH2-) 的伸缩振动峰, 1720cm-1为丙烯酰基中羰基 (-C=O) 的吸收峰, 1400cm-1为吡咯环上不饱和双键 (-CH=CH-) 弯曲振动的吸收, 1300cm-1则为吡咯环上三级胺的吸收, 1200cm-1和1080cm-1位置则为碳-氮键的吸收, 740cm-1则为吡咯环上C-H弯曲振动的吸收位置;另外, 没有发现不饱和烯烃C=C的特征峰, 说明单体已经聚合, 证明了此聚合物就是需要的产品。
2.2样品表面粗糙度及表面形貌分析
图3为聚合物膜AFM非原位表面形貌图像。
在图3中, 明显看出纯金膜a的表面存在很多均匀的颗粒, 涂膜的表面则非常平整、均匀, Ra仅为0.897, 说明涂膜覆盖了金膜表面原有的小孔。涂膜表面与吡咯聚合后所产生的聚合表面c与a、b相比发生了改变, 聚合后, 表面粗糙度增大, Ra=6.005。图4是与图3中c相对应的立体形貌图。可见, 立体形貌图与上面所分析的内容是一致的。
3结论
通过丙烯酰氯和吡咯钾盐来合成丙烯酰吡咯, 然后直接通过自由基聚合以AIBN为引发剂来合成PAP, 将其制成膜, 然后与吡咯聚合, 研究其结构和表面形貌。结果表明:
(1) 没有发现不饱和烯烃C=C的特征峰, 单体已经聚合;
(2) AFM非原位表面形貌图像和AFM三维立体形貌图都表明, 与纯金膜的表面Ra仅为0.897相比, 涂膜表面与吡咯聚合后所产生的聚合表面粗糙度增大, Ra=6.005。
参考文献
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表面结构 篇5
膨胀石墨的孔结构和表面化学组成对其物化性能有着很大影响,利用扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对550～920℃制备的膨胀石墨形态结构和表面功能基团进行了表征,结果表明:在蠕虫状的.膨胀石墨粒子表面和内部存在大量的网状孔洞,这些网络状孔洞是由10～50nm厚的石墨片叠合而成的平行塌陷片层构成;膨胀石墨表面化学组成以C、O元素为主,其它元素含量较低,其表面存在有-C=O、-C-O和-O-O-(过氧基团)等功能基团.
作 者：杨建国 吴承佩 YANG Jian-guo WU Cheng-pei 作者单位：杨建国,YANG Jian-guo(安徽工业大学化学与化工学院,安徽,马鞍山,243002)
吴承佩,WU Cheng-pei(中国科学技术大学高分子科学与工程系,安徽,合肥,230026)
随机结构粗糙表面的湿润性研究 篇6
然而,荷叶表面实际上是不规则的微纳复合结构,荷叶表面阶层结构类似于Koch曲线所描述的分形结构[3]。分形几何学是一门以非规则几何形态为研究对象的几何学。目前,国内外在表征和研究材料表面的微观结构、接触机理和表面粗糙度等方面越来越多地使用分形几何这一有力的数学工具[4]。而物体表面呈现出随机性、多尺度性和自仿射性,即具有分形的基本特征,因而使用分形几何来研究表面形貌将是合理、有效的。本研究采用分形几何构造随机表面,建立对应的接触角模型,分析随机分形结构表面的分形维数和结构参数对其表面润湿性的影响,对于丰富固液界面润湿理论和制备类似荷叶超疏水表面具有重要的意义。
1 分形维数及其计算方法
分形的重要参数有分形维数D和特征长度A,它们可以衡量表面轮廓的不规则性,理论上不随取样长度和仪器分辨率差别而产生变化,并能反映表面形貌的本质特征。分形维数D表征表面轮廓的致密程度,是定量刻画分形特征的重要参数。但由于侧重面不同,有多种定义和计算方法。常见的有相似维数、豪斯道夫维数、容量维数、计盒维数等,其中豪斯道夫维数较常用。设一个整体S划分为N个大小和形态完全相同的小图形,每个小图形的线度是原图形的r倍,则豪斯道夫维数为:
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目前,表面轮廓分形维数计算的常用方法主要有尺码法、盒维数法、方差法、轮廓均方根法、功率谱法、结构函数法等。研究表明[5],结构函数法所得表面轮廓分形维数的稳定性和准确性较高。以下仅介绍结构函数计算分形维数方法。
对于分析曲线Z(x),其结构函数离散形式的表达式为[6]:
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式中:Δt为采样间隔,N为总采样数,Zi为轮廓线(采样点)对其最小二乘中线的偏距,n=1,2,…。
用最小二乘法拟合所得logS(τ)-logτ直线的斜率α与分形维数D的关系为:
D=(4-α)/2 (3)
2 随机结构表面的构造
为了探究随机粗糙表面的润湿性,采用在模拟材料表面轮廓中常用的分形函数构造随机分形结构。在模拟材料表面轮廓时应用较多的是Weierstrass-Mandelbrot分形函数(简称WM分形函数),它具有连续性、处处不可微和自仿射性,是表示随机轮廓的典型函数,B.Bhushan等[7]对WM函数进行了修正,得到如下形式(简称MB函数):
undefined
式中:Z(x)表示表面轮廓,x表示轮廓的扫描坐标,D为分形维数(1
3 随机结构表面的接触角模型
分形结构是粗糙表面的一种,可以通过变换粗糙度因子r,近似用(L/l)D-2替代粗糙度因子r,则可以得到分形结构的Wenzel接触角模型[8]:
cosθf=(L/l)D-2cosθe (5)
式中:(L/l)D-2表示表面粗糙度因子,L和l分别表示分形结构表面的上限和下限的极限尺度,D是三维分形维数(2≤D<3),θe为本征接触角,θf为表观接触角。
分形结构表面的Cassie模型接触角可以写成:
cosθf=fs(1+rcosθe)-1=fsrcosθe+ fs-1
=fs(L/l)D-2cosθe-fv (6)
式中:fs和fv分别表示表面上固体和空气所占面积分数(fs+fv=1)。
4 随机结构表面的润湿性分析
对于随机分形结构表面,轮廓曲线的起伏峰值Zmax、Zmin可以看成分形结构表面的上限极限尺度L和下限极限尺度l。如图1的随机MB分形结构表面,其轮廓曲线的上极限尺度L和下极限尺度l随分形维数D的变化情况如表1所示。
参照荷叶表面选取本征接触角θe为105°,fs和fv分别取为0.2056、0.7944,对于图1和表1的随机分形结构表面,得到其Wenzel、Cassie接触角与分形维数的关系,如图2所示。
从图2可知,对于随机分形结构表面,表观接触角随着分形维数的增加而增大,这是因为分形维数越大,分形结构越致密,从而接触角越大。此外,Wenzel模型接触角在100~150°之间,即使分形维数趋于最大的3.0,表观接触角也不能达到超疏水的150°,不适合用于制备超疏水表面;而Cassie模型接触角在150~170°之间,可以获得更大的表观接触角,更适用于制备超疏水表面。
5 结论
随机分形结构表面的分形维数越大,结构越致密,接触角越大;分形结构微/纳尺度参数L、l之比越大,接触角越大;可以通过控制材料的表面结构,改善材料表面的疏水性能;Wenzel模型随机分形结构表面最大接触角都小于150°,不适合用于制备超疏水表面;Cassie模型随机分形结构表面最大接触角大于150°,更适合用于制备超疏水表面。本研究为超疏水表面的制备以及材料表面润湿性的控制提供了理论基础。
摘要：依据荷叶表面具有的不规则自相似微纳双重结构,引入分形几何学构造类似荷叶的随机分形结构,建立相应的Cassie、Wenzel模型接触角方程,分析随机分形结构的分形维数和结构参数对其润湿性的影响。结果表明:分形结构表面的分形维数越大,结构越致密,接触角越大;分形结构中微/纳尺度参数之比越大,接触角也越大。然而,随机结构即使分形维数趋于最大的3.0,Wenzel模型表观接触角也不能达到超疏水的150°,Cassie模型最大表现接触角大于150°;更适合用于制备超疏水表面。
关键词：随机结构,粗糙表面,分形维数,接触角模型,润湿性
参考文献
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规则微观结构粗糙表面浸润性研究 篇7
材料的浸润特性常用表观接触角进行表征, 公认的超疏水材料定义是接触角大于150°, 而本征接触角大于150°的材料在自然界不存在。Barthlott[10]和Neinhuis[11]通过观察具有超疏水自清洁特征植物叶表面的微观结构, 发现超疏水特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物共同引起的。因此要获得超疏水材料必须同时满足两个条件:材料表面能低以及一定的粗糙度。Onda等[12]利用分形理论将粗糙表面的接触角公式进行了变换, 然而分形结构模型的粗糙度是非常大的, 甚至接近于无穷大, 因此由分形理论得到的浸润特性与现实情况有较大出入。陈晓玲等[13]认为粗糙表面的润湿性可以由液滴在投影面上与固、液、气三相接触的面积比来衡量, 提出了一种新的液滴表观接触角的计算方程, 然而由新的计算方程得到的接触角范围过宽。潘光等[14]分析了微观结构的几何参数对表观接触角的影响, 但分析模型仍旧采用的经典Wenzel模型及Cassie模型。这两种模型可以进行定性分析, 但定量分析时就具有较大的误差。本实验设计并加工了4组具有不同规则微观结构的粗糙表面, 研究其浸润特性并试图提出新的表观接触角预测公式。这4种微观结构分别为圆柱、圆孔、方柱和方孔。
1 超疏水表面浸润性理论
1.1 理想光滑表面的浸润特性理论
关于固体表面浸润性的研究最早可以追溯到1805年, Young等提出的著名的Young′s方程成为人们研究固-液润湿作用的基础。该方程的应用条件是理想表面, 即固体表面是组成均匀、平滑、不变形和各向同性的, 而真实固体表面是具有一定粗糙度的。
1.2 粗糙表面的浸润性理论
Wenzel和Cassie先后在Young′s方程的基础上对浸润模型加以拓展并提出了粗糙表面的接触角预测方程。
Wenzel提出的模型假设液体始终能填满粗糙表面上的凹槽 (图1 (a) ) , 粗糙表面的存在使得液体与固体的实际接触面积要大于表观几何上观察到的面积。由能量关系与Young′s方程推得式 (1) 。
式中:r定义为粗糙度, 是指实际的固-液界面接触面积与表观固-液界面接触面积之比;θr是Wenzel模型下粗糙表面的接触角;θ为固体材料的本征接触角。
Cassie提出的模型是将粗糙不均匀的固体表面设想为固体和空气组成的复合表面 (图1 (b) ) , 而液滴在粗糙表面上的接触也是一种包含液-固和气-液的复合接触。进而推导出式 (2) 。
式中:θ1和θ2分别为液体在成分1和成分2表面的本征接触角;f1和f2分别表示成分1和成分2所占的单位表观面积分数。
2 实验
2.1 具有规则微观结构的粗糙表面的设计及制备
超疏水材料的构建方法很多, 如气相沉积法、阳极氧化法、模板法、自组装法、异相成核法、等离子体处理法、光刻蚀法等[15]。其中异相成核法、等离子体处理法、气相沉积法、阳极氧化法、模板法及自组装法形成的均为非规则微观结构的超疏水表面, 这些方法因制作简单、成本低而具有良好的应用前景, 但表面微观结构的非规则性, 使其难以应用于机理模型的研究。光刻蚀法则可以制成具有规则形状、固定大小和分布的超疏水表面, 为研究具有规则微观结构的超疏水表面的浸润特性带来了可能。
本实验采用光刻蚀法制备了4种结构特征的粗糙表面, 分别为圆柱、圆孔、方柱和方孔, 设计方案如图2所示。考虑到加工工艺问题, 微观结构的特征尺寸d和h均取为30μm, 调节间距a的大小, 进而得到粗糙度不同的表面。每种特征的粗糙表面制作9个, 粗糙度由1.2~2.0均匀分布。
使用的加工材料为聚二甲基硅氧烷 (PDMS) , 实测该种材料的本征接触角为109.8°, 如图3所示。
通过光刻蚀法构建具有规则微观结构的粗糙表面, 首先需要制作掩膜板, 在掩膜板上形成所需的图像;再将刻有图像的掩膜板对准涂好光刻胶的晶圆, 进行曝光处理, 曝光后光刻胶的性质和结构发生变化, 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质;然后用显影剂把可以溶解的部分去掉, 剩下有图案的部分;接着进行刻蚀, 通过刻蚀把晶圆上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉;最后再去除光刻胶, 完成粗糙表面的制作。图4为所制作的粗糙表面。
2.2 实验仪器
实验采用SL200B标准型光学接触角仪 (美国科诺公司) 、UI-1240SE-C图像传感器 (德国IDS公司) 和VS-7516M工业远心镜头进行图像法测量。
2.3 实验方法
粗糙表面的浸润性通常用其表观接触角来表征。实验过程是用美国科诺公司的SL200B标准光学接触角仪分别测量不同微结构、不同粗糙度的粗糙表面的表观接触角。接触角的测量方法选用悬滴法, 使用的液体为去离子水, 取水滴体积为4μL。
3 结果分析与讨论
3.1 微观结构特征为柱形的粗糙表面
表面特征为圆柱和方柱的两组粗糙表面的实测接触角与Wenzel模型、Cassie模型的预测值如图5和图6所示。
此两组微观结构特征为柱状的粗糙表面的实测接触角大都接近150°, 其中微观结构为方柱、编号为1和2的两个粗糙表面的表观接触角大于150°, 满足了超疏水材料表观接触角大于150°的条件。然而实测值与Cassie模型预测值及Wenzel模型预测值有较大差距, 可见对于微观结构特征为柱状的粗糙表面, Wenzel模型和Cassie模型均不能准确预测其接触角值。究其缘由, 对于Wenzel模型, 真实情况下液体并不总能填满粗糙表面的结构内部。如图7所示的情况下, 液滴与粗糙表面的接触并非仅仅是固-液一元接触, 而是包含固-液、气-液的二元复合接触。对于Cassie模型, 粗糙表面并不是简单的复合表面, 而是具有一定粗糙度的复合表面。粗糙度与复合界面的成分对表面浸润性具有同样不可忽视的影响。
如图7所示, 液体侵入柱体根部, 却恰好未浸润底部平面。假设固-液界面的表观接触面积为S, 而实际接触面积为固-液接触面积S1与柱体根部的气-液接触面积S2之和。由于粗糙度r的存在, 其实际接触面积为rS。
在Cassie模型中, 气-液接触面积所占光滑复合表面面积的比例为f2, 则图7中柱体根部气-液接触面积为:
固-液接触面积为:
那么, 固-液接触面积S1占整个复合接触面积rS的比例为:
气-液接触面积S2占整个复合接触面积rS的比例为:
在恒温、恒压的平衡情况下, 由于界面的微小变化而引起的体系的自由能变化为:
平衡时, dE=0, 则有:
根据Young′s方程:
可知:
式中:θr为表观接触角, r为表面粗糙度, f2为液体与空气的接触面积与表面投影面积的比值, θ1为固-液本征接触角, θ2为固-气本征接触角。
将两组柱形粗糙表面的Wenzel模型预测值、Cassie模型预测值、实测值与由式 (10) 得到的修正值绘于图8和图9中。
由式 (10) 的假设条件可以认为是液滴恰好未完全浸润柱体的极限情况;而根据Cassie方程的假设条件可知, Cassie方程为液体完全未侵入表面结构的极限情况。所以实测值理应介于这两个方程所得的预测值之间, 液体侵入表面的程度愈严重, 实测值应愈接近式 (10) 得到的预测值;反之, 则实测值愈接近由Cassie方程计算得到的预测值。
图8和图9中的实测值与上述论断相符, 图中除个别数据外绝大部分实测接触角确实位于Cassie模型预测值与式 (10) 的预测值之间。而对于粗糙度较小的粗糙表面, 比如粗糙度为1.3的表面, 微型圆柱间的距离较大, 液体更易侵入粗糙表面内部, 所以其实测接触角的值更接近于式 (10) 的预测值。反之, 对于粗糙度较大的粗糙表面, 比如粗糙度为2的表面, 液滴难以进入粗糙表面的结构内部, 其实测接触角更接近于Cassie模型预测值。
对于微观特征为圆柱形、粗糙度为1.2的粗糙表面, 由于其表面的柱体间距很大, 表面极易被液体完全浸润, 以至于该表面接触角的值更接近于Wenzel模型的预测值。
3.2 微观结构特征为孔状的粗糙表面
孔状结构与柱状结构的区别在于:当孔状粗糙表面上有液滴时, 液滴下方的气体与大气是不连通的;而当柱状粗糙表面上有液滴时, 其下方的气体与大气是相连通的。
对于圆孔状微观结构的粗糙表面, 液滴侵入结构内部的过程可以视为等温过程。
对于整个液滴:
式中:G为液滴重力, FSL为固体表面对液滴的支撑力, N为粘附力, FVL为液滴底部封闭空气对液滴的作用力, 2πr1γ为毛细力, θ1为材料的本征接触角。则液滴对底部封闭空气的作用力为:
液滴底部封闭空气压强的增加量为:
式中:ρ为水的密度, V为水的体积, f2为气液接触表面与表观接触面积之比, S2为气液接触面积, S为表观接触面积。
式中:rsl为固-液表观接触面积的半径。如图10所示, 粗糙表面上的水滴呈球缺状, 固-液表观接触面即为该球缺的底面。球缺体积公式为:
式中:V为球缺的体积, 也就是水滴的体积;H为球缺的高度;R为球缺的半径。此外, 球缺高度H、球缺半径R和球缺底面的半径rsl存在如下关系:
根据接触角的定义, 还可以得到:
式中:α为表观接触角。
联立式 (13) -式 (17) 可求得Δp的范围。对于圆孔状微观结构的粗糙表面, Δp的最小值为72.5Pa, 最大值为453Pa。对于等温压缩过程, 则压缩比:
由式 (18) 求得压缩比的范围为-0.043~-0.0072。可见水滴很难侵入结构内部, 孔深因素引起的粗糙度的变化对接触角的影响很小, 所以微观结构特征为孔状的粗糙表面的接触角完全适合由Cassie模型来预测。另外, 由于水滴很难侵入孔状结构内部, 因此孔状的粗糙表面与柱状结构的粗糙表面相比疏水性能更稳定, 此特性在实际应用中具有很重要的意义。
图11和图12分别是微观结构为圆孔和方孔的两组粗糙表面的实测表观接触角、Wenzel模型预测值和Cassie模型预测值, 它们证实了Cassie模型可以较好地预测微观结构特征为孔状的粗糙表面的接触角这一结论。
然而相对于方孔结构的粗糙表面, 圆孔结构粗糙表面的接触角实测值存在较大的振荡。在显微镜下可以观察到, 由于加工工艺不完善, 圆孔状粗糙表面有较多缺陷 (图13) 。拔模引起的微观结构的缺陷是造成实测值振荡的直接因素。另外, 孔状结构易被污染, 且被污染之后难以清洁, 此亦为实测值振荡的原因之一。
4 结论
本实验制备了4组具有不同规则微观结构的疏水粗糙表面, 并研究了影响其表观接触角的因素, 对粗糙表面的接触角进行分类研究, 分别针对柱状、孔状两种粗糙表面提出各自的新的接触角预测模型, 通过实验验证了预测模型的准确性。研究还发现, 相对于孔状结构, 柱状结构更容易得到较大的接触角, 具有更好的超疏水性。对于孔状粗糙表面, 液滴难以侵入其微结构内部, 适用于Cassie模型, 且相对于柱状表面具有更稳定的疏水性能, 此特性在实际应用中具有重要意义。
参考文献
表面结构 篇8
1 混凝土建筑墙体表面气泡的成因
引起混凝土结构表面气泡的原因较多, 也较复杂, 但经过归纳, 在施工中产生气泡的最主要原因是由于材料、施工方法不当所造成的。
1.1 原材料使用不当
1.1.1
根据骨料级配密实原理, 在施工过程中, 如果使用材料本身级配不合理, 粗骨料偏多, 细骨料较少, 碎石材料中针片状颗料含量过多, 以及在生产过程中实际使用砂率比试验室提供的砂率要小, 此时细粒料不足以填充粗集料之间的空隙, 导致集料不密实, 形成产生气泡的自由空隙。
1.1.2 水泥的多少和水灰比的大小, 也是导致气泡产生的重要原因。
在试验室试配混凝土时, 考虑水泥用量主要是针对强度而言, 如果在能够满足混凝土强度的前提下, 一定限度内增加水泥用量, 减少水的用量, 气泡会减少。但如果不减少水的用量, 气泡数量是否减少不确定, 同时也增加了混凝土的粘度, 影响了搅拌混凝土时产生气泡的排出, 而水量较多也使自由水较多易形成气泡。在水泥用量太少的混凝土拌合物中, 由于水化反应耗费用水较少, 使得薄膜结合水、自由水相对较多, 从而让气泡形成的几率增大, 这就是用水量较大、水灰比较高的混凝土易产生气泡的原因所在。
1.1.3 掺合料也会直接影响气泡数量。
当混凝土中水泥的含量可以保证混凝土的强度时, 用掺合料代替部分水泥, 可以改善混凝土的和易性, 活性料还对强度有一些提高, 适量的掺合料能改善混凝土的和易性, 形成的胶合料能填塞骨料间的空隙, 减少气泡的产生。但掺加过量的掺合料会导致混凝土的粘度增加, 影响气泡的排出, 故混凝土中掺合料较多是导致气泡产生的原因。
1.1.4 减水剂等外加剂对气泡的影响也不可忽视。
不同的类型和掺量都会影响气泡的数量和大小。试验结果表明, 减水剂ZB-1A掺量0.7%的混凝土表面气泡数量是不掺减水剂的混凝土的3.5倍, 而且掺量越大影响越明显。
1.2 搅拌时间不合理
搅拌时间短会导致搅拌不均匀, 气泡产生的密集程度就不同。但搅拌时间过长又会使混凝土中带进的空气气泡更多。
1.3 温度变化的影响
混凝土受水泥水化热作用、大气及周围温度、电气焊接等因素影响而冷热变化时, 发生收缩和膨胀, 能产生表面气泡。温度表面气泡区别其它表面气泡最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。其多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。这种表面气泡的产生通常无一定规律。
1.4 施工方法不当
《混凝土泵送技术规程》 (GB/T10-95) 中规定“混凝土浇注分层厚度, 宜为300～500mm”但是在实际施工时, 往往浇注厚度都偏高, 由于气泡行程过长, 即使振捣的时间达到要求, 气泡也不能完全排出, 这样也会造成混凝土结构表面气泡。
振捣工艺不当。混凝土振捣不充分, 混凝土里的气泡就没有时间排出。但如果过振, 会使小气泡又出现破裂形成大气泡。由于设计断面尺寸比较小, 截面变化处不容易振捣, 气泡不易逸出。
墙体内大型预留洞口底模未设排气孔, 混凝土对称下料时产生气囊, 或钢制模板封闭太严, 表面排气困难。
使用的脱模剂不合理。混凝土结构面层的气泡一旦接触到粘稠的脱模剂, 就很难随着振捣而上升排出。直接导致混凝土结构表面出现气泡。
2 混凝土建筑墙体表面气泡的防治措施
2.1 配合比方面的预防措施
2.1.1 尽量减小水灰比和控制外加剂中引气剂的含量, 使混凝土中的含气量一般混凝土控制在4%以内。而水灰比越小, 产生的气泡会越少。
2.1.2 在规范允许的条件下, 尽量采用较大粒径级配连续的骨料配制混凝土, 因为增大骨料粒径, 可减少用水量而使混凝土的收缩和泌水随之减少。实践表明, 采用较大粒径的骨料配制同样强度的混凝土, 在水灰比相同的条件下水泥用量可减少40kg-50kg, 用水量也会相应减少。石子规格可根据施工条件, 尽量选用粒径较大、级配良好的石料, 以减少水和水泥用量, 使混凝土的收缩性和泌水性减小, 同时使水泥的水化热减少, 降低混凝土的升温。但骨料粒径增大以后, 易引起混凝土的离析。
2.1.3 引气剂的质量对混凝土表面产生气泡的影响很大。对高标号、高性能混凝土我们一定要选用引气气泡小、分布均匀稳定的引气型外加剂。
2.2 混凝土搅拌方面的预防措施
严格控制加水量。加强计量控制, 使用水量尽量按照配合比要求。
严格控制搅拌时间。混凝土的不均匀搅拌会导致外加剂在混凝土中的不均匀分布, 从而起不到外加剂的作用。
如果用商品混凝土, 也要保证混凝土的均匀性。有的商品混凝土因为某种原因到现场时混凝土的坍落度损失很大.这时可能会利用外加剂进行二次调配, 在这种情况下一定要加强对混凝土的搅拌, 保证其均匀性。
2.3 工艺方面的预防措施
减少温度对气泡产生的影响, 但温度变化较大时, 采取适当的保温措施。
首先混凝土的运输浇筑必须满足施工要求, 当炎热季节浇筑混凝土时, 混凝土搅拌场站宜对砂石骨料采取遮阳、降温措施;当采用泵送混凝土施工时, 混凝土的运输宜采用混凝土搅拌运输车, 混凝土搅拌运输车的数量应满足混凝土连续浇筑的要求。
混凝土的铺摊厚度应根据混凝土的和易性及所用振捣器的作用深度确定, 泵送混凝土的铺摊厚度不大于500mm, 非泵送混凝土的铺摊厚度不大于400mm。要严格控制振捣的时间, 振捣要密实, 做到不欠振、不过振、不漏振。需要分层次浇注时, 在上层混凝土浇注前, 应充分润湿已浇混凝土, 并且将表面清理干净。
墙体内大型预留洞口底模设排气孔, 使气泡能及时排出。合理安排浇注顺序, 给气泡排出留出时间和空间。采用质量好的脱模剂, 避免脱模剂对气泡的粘滞作用。
2.4 气泡的治理措施
2.4.1 经过我公司的多年经验总结, 采用与浇注混凝土同品种、同标号、同配比的水泥和粉煤灰修补的效果很好。在混凝土刚拆模时进行, 用适当粘稠度的混合浆对蜂窝、麻面等小气泡进行修补, 然后用拆下来的模板进行压实、抹面。通过这样的处理之后, 基本看不出是修补过的。
2.4.2 当气泡较大时, 应与建设单位、监理单位、设计单位根据具体情况协调处理。
3 结束语
如上所述, 通过对以上四个方面的深入研究, 我们可以得出, 对于外型简单、线条单一的砼墙面, 一般来说表面气泡问题较易得到控制, 但对于外型复杂, 折曲面较多的墙体结构, 表面气泡的控制问题就显得相当棘手, 并往往影响到结构表面的光滑和美观, 给人产生一种不密实的视觉效果。对此, 为了减少和预防表面气泡, 我们不但要抓住施工振捣这一要害环节, 同时还应从混凝土的配比、搅搅、施工工艺等方面的质量控制着手, 才能保证墙体表面的平整、光滑, 使之符合设计的外观要求, 以及耐久性要求。
摘要：房建结构中, 如果砼墙体表面产生较大气泡、连通气泡, 使混凝土表面形成大麻点的气泡孔, 不但对外观质量产生影响, 更为主要的, 是对墙体结构的耐久性带来的潜在影响。本人结合多年工程实践经验, 对砼墙体表面气泡的诱发成因进行了详细分析, 总结出了产生气泡的诸多因素, 并从控制砂子细度模数、调整混凝土配合比、改进施工工艺、提高混凝土密实度等方面提出了消除墙体气泡的办法, 在实践应用中取得了良好的控制效果。
关键词：房建工程,砼墙体,气泡病害,成因分析,技术措施
参考文献
[1]卜良桃, 王济川.《建筑结构加固改造设计与施工》.长沙.湖南大学出版社, 2002.
[2]李委.《混凝土表面蜂窝麻面形成原因及抑制方法》.中国新技术新产品.2009年第14期.
表面活性剂化学结构与性质的研究 篇9
洗净作用和增溶都要求活性剂有较大的亲水性, 硫酸钠皂、铝皂都行。消泡剂应采用H LB值较小的活性剂, 脂肪酸、醇、醚等可能有效, 所以, 聚醚和Tw een是有效的消泡剂。
2 亲水基位置对表面活性剂性质的影响
亲水基位置在分子中间 (亲油基链中间) 的比在末端的润湿力 (渗透力) 强, 亲水基在分子末端的比在只间的去污力好。例如, 渗透剂O T (琥珀酸二异辛酯磺酸钠) 润湿、渗透性很好。洗净能力来说, 亲水基在末端效果较好。对有苯环的活性剂, 亲水基在苯环上的位置决定其性能。亲水基在邻位的润湿性最好, 同位次之, 对位的最差, 起泡力的次序刚好与环氧乙烷上述相反。PEP型化合物与相对分子质量相近的EPE型化合物相比浊点更低即亲水性更差, 起泡能力特低。
3 亲油基种类对表面活性剂性质的影响
活性剂的亲油基结构, 虽然一般皆为长链C—H基, 但也有各种结构, 对活性剂的性质也有影响。根据经验, 亲油性的大小顺序如下;脂肪族烷烃>环烷烃>脂肪族烯烃>带脂肪族的芳香烃>芳香族烃>带弱亲水基的烃基在进行油水乳化而选择乳化剂时, 除考虑乳化剂的适合H LB值外, 尚应考虑亲油基与油的亲和力, 如果亲和力差, 则表面活性剂分子容易脱离油珠, 自身缔合成胶束而溶于水中, 使油珠失去保护膜而分离出来, 一般经验是, 两者的结构越接近, 则亲和力越好。因此对原油的乳化, 以带脂肪族烃基或脂肪基芳香族烃基活性剂为宜。
4 分子大小对表面活性剂性质的影响
同一种活性剂, 憎水基中碳原子数增加, 浓度、cm c皆减少, 降低界面张力性能增强。相对分子质量小的, 润湿、渗透性较好;相对分子质量大的, 洗涤作用、乳化作用、分散作用较好。
5 表面活性剂在起泡作用中的应用
具有起泡作用的活性剂叫起泡剂。起泡作用也是由于活性剂在气液界面上的吸附形成活性剂的薄膜, 并使界面张力大大下降, 从而增加了气液的接粗面, 使泡沫易于产生, 加之活性剂产生了一定强度的保护膜, 可以防止气体合并变大, 因此具有一定稳泡性, 为使泡沫更加稳定, 常加稳泡剂。油田上用起泡作用有泡沫堵水、泡沫驱油等。
6 表面活性剂在乳化作用中的应用
由于乳化液的吸附可以大大降低两相间的界面张力, 使乳状液易形成。同时, 由于吸附产生了一定厚度的界面膜, 可以防止乳状液珠合并变大, 使乳状液有一定的稳定性。例如, 油田利用乳化作用进行原油破乳, 稠油乳化降粘等。
参考文献
[1]付美龙, 唐善法, 黄俊英.油田应用化学 (第一版) .武汉大学出版社.
混凝土结构表面气泡的防治实践 篇10
1 工程概况
某商业写字楼工程,结构形式为高层钢筋混凝土框架剪力墙结构,地下2层,地上18层,建筑檐口高度为66.6 m。地下室外墙体厚度为400 mm,混凝土标号为C45P16,C50P16抗渗混凝土,首层柱截面为850 mm×850 mm,地上1层～6层墙柱混凝土标号为C50,标准层采用钢质大模板施工,混凝土均为泵送商品混凝土。工程于2002年9月开工,在结构施工过程中,3次出现了较严重的表面气泡现象,分别是地下2层墙体混凝土冬季施工阶段、首层墙体施工阶段和标准层墙体施工阶段。实测最大气泡直径有2.5 cm,深度有2.0 cm,而且数量很多,分布不均匀。
2 原因分析
本工程基础及9层以下的墙柱采用高标号混凝土,较严重的气泡现象也主要发生在这一区域。从气泡的分布特点上看气泡主要产生在墙体上,而梁板上很少,对同一构件是上部较多下部少,说明气泡的产生与构件的厚度有关,同时也与振捣时间、浇筑厚度等有关;结合考虑材料的原因从气泡产生的时间段上看主要为3个阶段:1)地下部分C40,C50抗渗混凝土,混凝土中掺加引气减水剂,为冬施阶段,采用竹木胶合模板,水质脱模剂;初步分析认为此时的表面气泡是由于混凝土掺外加剂原因和振捣时间不足引起的;在后续的施工中加强了对混凝土浇筑振捣工艺的监控,结果表明气泡减少了。2)首层墙柱C50普通混凝土,施工时期为解除冬施后,采用竹木胶合模板,此时的混凝土配比中粉煤灰增加较多,水灰比较大。3)标准层C50普通混凝土,施工时期为解除冬施后,采用钢质大模板,油性脱模剂,此时水灰比大,砂率相对小。另外,在气泡消除效果不明显的情况下还更换了混凝土搅拌站以对配合比进行彻底调整,从而使气泡有了较大幅度的减少。混凝土配比变化调整情况具体见表1。
结合以往的经验,产生气泡的原因归纳如下:1)高标号混凝土水泥用量多,水灰比(水胶比)小(0.36),混凝土坍落度小,较粘,气泡不宜排出;2)与某些外掺剂以及水泥自身的化学成分有关。施工中为了改善混凝土的可泵性,加入引气减水剂,产生大量气泡来增大混凝土流动性,由于引气剂掺量较大,产生的气泡较多,在振捣作用下易汇聚为大气泡;3)由于水泥用量大,即使掺加了引气减水剂,但混凝土的粘滞阻力仍很大,振捣时间不足时气泡不易被带出;4)冬施期间为防止混凝土达到临界强度之前受冻,要让混凝土早强,这样替代料(可以改善和易性)不能掺量太多,水泥用量相对较多,所以混凝土较夏季更粘,对气泡排除更加不利;5)标准层施工用脱模剂为油性,粘度很大,施工中又涂刷不均,太厚,影响气泡上升,限制了表面气泡的排出,而用竹胶板水质脱模剂时气泡相对较少;6)钢制模板封闭太严,表面排气困难;7)操作工人振捣时间不足(此类混凝土的振捣时间应比普通混凝土长),未按操作规程进行;8)一次浇筑厚度太大,致使振捣效果不好,气泡更难以排出。对于高标号混凝土的浇筑厚度要严格控制,应比普通标号混凝土浇筑厚度小;9)商品混凝土运送道路较远,混凝土坍落度损失很快,到现场时已很粘,影响气泡的排除;10)冬施后施工时添加了太多的掺合料,将导致混凝土粘滞阻力增大,气泡不易排除。本例中更换的配比降低了掺合料用量,明显减少了气泡;11)骨料级配不合理,粗集料过多,细粒料偏少,针片状颗粒含量过多。本例采取了增大砂率(36%～38.5%)的办法改善了气泡多的状况;12)冬施后混凝土配比用水量较大,混凝土水灰比相对较高,更换配比后用水量由175 kg减少到166 kg,水灰比由0.36减小到0.34,气泡有明显的减少。
3解决方法
1)选择合理级配的骨料,确定适宜的砂率。严格控制针片状颗粒含量,严把材料关。2)选择合适的水灰比。要通过试验的方法多进行比较,从中选择既能保证混凝土强度,又能使混凝土的可施工性能最佳的水灰比。建议在高标号混凝土中尽量选用标号高的水泥,以减小水泥用量,降低粘度。另外要尽量取小的水灰比,减少自由水的出现。3)加强施工控制,努力降低实际生产与试验之间的偏差。施工过程中要及时做好材料含水率检测,随时调整现场配合比,集料要车车过秤。4)选用质量优良的外掺剂和水泥,同时也要确定合理的用量。最可靠的选择办法是多做几种试件,从而对性能、用量做统一认定,尽量减少减水剂的使用。5)重视混凝土的振捣,要从选择振捣设备、振捣时间、振捣半径、振捣频率和浇筑厚度方面入手,保证按照正确的操作工艺进行操作。6)模板应保持光洁,脱模剂要涂抹均匀且不宜涂得太多太厚,钢模采用表面层刷油时,可以在油中适当掺入滑石粉。7)对高标号混凝土尽量缩短运输距离,避免坍落度过大的损失。8)严格控制掺合料的掺加量,避免增大混凝土的粘滞阻力。
4结语
通过对气泡产生原因的分析,采取一定的针对性措施,混凝土的表面气泡是可以减少到合理范围的。就目前的工程实践情况看,要避免气泡的大量产生,一定要从材料的优选、配比的优化及振捣工艺等方面着手。
摘要：结合工程实例,分析了混凝土表面气泡产生的原因,并对其产生机理从材料、工艺和施工条件方面进行了分析,进而对混凝土材料的优选、配比的优化及振捣工艺等提出了一些减少气泡的有效措施。
关键词：混凝土,气泡,措施
参考文献
[1]王迎春.三峡工程混凝土表面气泡形成原因分析[J].材料科学与工程学报,2003(1):41-43.
[2]傅智.新拌混凝土振动结构粘度研究[J].公路交通科技,1996,13(3):1-9.