塑料材料具有质轻、价廉、耐蚀及加工方便等优点,用途非常广泛。

在化工领域,常被加工成各种形状和规格的塔填料,用于气体吸收、液体萃取等单元操作中。

与金属、陶瓷等材料相比,塑料的缺点是液体在其表面的润湿性能差。

材料表面的润湿性能是重要的应用性能之一,如用塑料加工成的塔填料,由于其表面润湿性能差,以提高其润湿性能的研究日益受到人们的重视。

近年来,国内外一些学者做了该方面的研究工作,研究结果表明,塑料经表面处理后,润湿性能得到了较大程度的提高。

本研究用化学糙化法对塑料表面进行了处理,探讨了表面处理对润湿性能的影响,提出了润湿准数(Wet)与表面粗糙度(ε)的关联式。

液体在固体表面的润湿性能通常用固体表面与液体之间的接触角(θ)来表达。

σgs、σgl及σls同时作用于O点,若要使O点保持平衡,必须使界面作用的几个力相互抵消,即:

σgs=σls+σglcosθ

或[MathProcessingError] (1)

此式称为Young方程。

可以看出, θ与各界面张力的相对大小有关。

当σgs>σls, θ<90°,这时液体能润湿固体,称为可润湿, θ越小,润湿性能越好, θ=0°,称为完全润湿;当σls>σgs, θ>90°,称为部分润湿;当θ=180°,称为完全不润湿,如图2所示。

图2接触角与润湿的关系

θ值:1—0°2—<90°3—>90°4—180°

Young方程适用于理想光滑的表面。

定义粗糙因子r为真实粗糙表面积Ar与理想光滑表面积A之比,即r=Ar/A (2)

设粗糙表面的接触角为θr,它与理想光滑表面的接触角θ间的相应关系为:cosθr=rcosθ

或 r=cosθr/cosθ (3)

在式(3)中,由于r总大于1,所以粗糙表面的cosθr总比理想光滑表面的cosθ要大,亦即当θ<90°时,表面糙化将使θ变小,从而有利于润湿,此即表面糙化处理可提高其润湿性能的基本原理。

在塑料的加工过程中,含有的添加剂(如稳定剂、润滑剂、抗氧剂等)和低分子聚合物会向表面扩散,在表面形成弱界面层,称为无定型层。

由于无定型层的形成,使得塑料表面呈现平滑状态,不利于液体在表面的润湿。探花视频

表面糙化处理的原理是,用含氧酸或卤代烃等有机溶剂处理塑料表面,将塑料表面的弱界面层洗去,使微小的凹凸不平的球晶层暴露出来,从而使表面得以糙化。

本研究选用硫酸水溶液为处理液处理塑料表面。

将处理液加入恒温槽中,用恒温水浴加热到所需温度后维持温度不变,再将待处理的塑料样放入恒温槽,处理一定时间后取出,用水冲洗至中性待用。

实验中,选用化工上常用的PP、PE两种塑料进行了表面处理。

对同一塑料样,分别采用不同的温度、时间及处理液硫酸浓度进行处理,以探讨温度、时间及硫酸浓度对表面糙化的影响。

实验中,采用TR240型便携式粗糙度仪对处理前后的塑料样的表面粗糙度进行了测定,结果为三次测定值的平均值。

θ的测定方法有角度法、长度法和重量法等。

本试验采用角度法,即对液滴作切线,量其角度值。

θ的测定用JY-82型接触角测定仪探花在线观看。

测定时,将塑料板片置于平台上,用标准注射装置注一定的水滴于板片上,通过目镜作水滴的切线,直接读出θ值(结果为三次测定值的平均值)。

在处理时间(t)为60min、处理液硫酸浓度(N)为6mol/L的条件下,对塑料样采用不同的温度(T)进行了处理,测定结果如图3所示。

由图3可看出,随着处理温度升高, ε加大,当温度大于60℃后, ε变化不明显;随着处理温度升高, θ减小,当温度大于60℃后, θ变化趋缓。

在处理温度为50℃、处理液硫酸浓度为6mol/L的条件下,对塑料样用不同的时间进行处理,测定结果如图4所示。

由图4可看出,随着处理时间的增加, ε加大,当时间大于75min后,变化不明显;随着处理时间的增加, θ减小,当时间大于75min后, θ变化趋缓。

图3处理温度对表面粗糙度和接触角的影响

1—PP2—PE t=60min;N=6mol/L

图4处理时间对表面粗糙度和接触角的影响

1—PP2—PE T=50℃;N=6mol/L

图5处理液硫酸浓度对表面粗糙度和接触角的影响

1—PP2—PE t=60min, T=50℃

在处理时间为60min、处理温度为50℃的条件下,对塑料样采用不同的处理液硫酸浓度进行了处理,测定结果如图5所示。

由图5可看出,随着处理液硫酸浓度的增加, ε加大,当处理液硫酸浓度大于10mol/L后, ε变化不明显;随着处理液硫酸浓度的增加, θ减小,当处理液硫酸浓度大于10mol/L后, θ变化不明显。

通过比较,可得出用化学糙化法对塑料表面进行处理的适宜操作条件为:处理温度为60℃,时间为75min,硫酸浓度为10mol/L。

在此条件下,PP的θ由处理前的87.3°下降至37.7°,降低了56.82%;PE的θ由处理前的88.3°下降至43.3°,降低了50.96%。

由此可见,塑料经表面糙化处理后,其润湿性能得到很大程度的提高。

液体在固体表面的润湿性能可用θ表示,亦可用润湿准数Wet表示。

为定量表达表面润湿性能与粗糙度的关系,将实验数据回归成以下形式:Wet=Aεm (5)

式中 A, m——常数

本文采用最小二乘法,对实验数据进行了线性回归,回归结果列于表1。

回归的相关系数大于99%。

表1式(5)的回归结果

提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路发展的趋势,而达到这一目的就必须深入轮轨关系的理论研究,改善机车的粘着利用水平。

轮轨关系则是机车车辆、轨道系统中最基本、最复杂的一个问题,是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。

接触理论始于1882年,由H.Hertz发表的经典论文《论弹性固体的接触》。

他提出了椭圆接触面的假设,把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。

Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的基础,但Hertz理论仅局限于无摩擦表面及理想弹性固体,对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。

在轮轨滚动接触力学研究方面作出重大贡献的是荷兰学者KalkerJJ教授,他的一系列研究成果是当今各国铁路公认的权威之作。

1967年Kalker在吸取了众多学者理论的基础上,在其博士论文中用多项式级数表达了具有椭圆接触斑的滚动接触问题的解,从而把二维理论发展成为三维理论。

从60年代到80年代他不断地对其理论进行发展,并且先后研制出了DUVOROL程序和CONTACT程序,可以对Hertz和非的三维弹性体滚动接触问题进行求解。

Kalker的三维非Hertz滚动接触理论在其数值实现过程中,引入了弹性力学中的弹性半空间假设,即将轮轨视为两个无限弹性半空间,因而根本无法精确模拟车轮踏面与钢轨的几何形状,而当列车轮缘与钢轨贴靠形成共形接触或两点接触时,计算模型与实际情况将相差甚远。

另外,基于这种假设的计算对轮轨接触塑性分析更是无能为力。

近几十年来,国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取得了很大进展,但随着铁路技术的不断提高,使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。

在高速和重载的要求下,轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重,而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。

因此,在现有轮轨滚动接触理论的基础上,使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及其相互接触关系,将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。

本文采用了研究弹塑性摩擦接触问题的最新成果——参变量变分原理及基于此原理的有限元参数二次规划法来求解轮轨接触问题。

该理论是由大连理工大学钟万勰院士于1985年首先提出并加以运用的,这一方法是求解数学物理问题中边界待定问题的一种高效的新方法。

弹塑性问题和接触问题都是边界待定问题,在物体受力后,在内部既产生了弹性区又可能产生塑性区,弹性和塑性区域的交界面是待定的;在接触交界面处,两个物体的实际接触区也是待定的。

但这两个边界待定问题的特点都是:待定的边界总是由总体平衡和受物体各部分刚度比制约的内部变形决定的,也就是说需要通过变分才能弄清边界面在何处。

(1)通过研究,得出用化学糙化法对塑料表面进行处理的适宜条件为:处理时间为75min、温度为60℃、处理液硫酸浓度为10mol/L。

(2)塑料经表面糙化处理后,其接触角降低50%以上,故其湿性能得到显著提高。

(3)通过对实验数据的回归,得出了润湿准数Wet关联式,该关联式对塑料的工业应用具有参考价值。