Содержание

Замер металлосвязи, измерение переходного сопротивления


Замер металлосвязи

Под словом металлосвязь понимается величина, характеризующая связь в цепи между заземляющим устройством и заземляемым объектом. Дефекты металлосвязи, возникающие при коррозии, ошибках при проведении непрофессионального монтажа, разрывах и иных повреждениях, могут привести к короткому замыканию. А от этого, как известно, ничего хорошего ждать не стоит.

В связи с этим существует необходимость в замере металлосвязи, который производится специализированными электролабораториями. Измерения металлосвязи преследуют такие цели, как:

  • определение и основательная проверка целостности и отсутствия повреждений защитных проводников (металлические оболочки кабелей, металлические трубы и пр.) на участке от исследуемого объекта до устройства заземления;
  • проверка наличия цепи между заземлителями и заземляемыми элементами;
  • определение напряжения на корпусе оборудования, находящегося в рабочем режиме.

Главный

критерий качества металлосвязи - сопротивление измеряемого участка (максимально допустимое сопротивление - 0,05 Ом). Надёжность и правильность электрических соединений тщательно проверяется в ходе осмотра, а прочность сварочных соединений – измерением цепи после ударов тяжелого молотка.

Плановый замер металлосвязи осуществляется в соответствии с утвержденными Правилами Устройства Электроустановок, где помимо всего прочего оговаривается, тот факт, что проводники (защитные и системы уравнивания потенциалов) обязательно должны быть качественно соединены, тем самым обеспечивая непрерывность и целостность электрической цепи.

Проводники из стали должны соединяться при помощи сварки. Места соединений располагают так, чтобы обеспечить свободный доступ к ним для проведения дальнейших осмотров, испытаний и измерений. Исключением являются сварные, паяные и спрессованные соединения в обогревательных системах, находящихся в стенах, перекрытиях, полах, грунте.

В соответствии с ПУЭ присоединения к проводящим частям проводников выравнивания потенциалов и нулевых, заземляющих проводников также выполняются сваркой или болтовыми соединениями. Для присоединения электрического оборудования, которое подвергается вибрации или часто демонтируется, употребляются гибкие проводники.

Для того чтобы произвести измерение переходного сопротивления, применяется метод, предусматривающий присоединение первого полюса измерительного прибора к заземлению проверяемого аппарата, а второго полюса – к некоторой опорной точке. Между ними присоединяют источник тока.

Замер металлосвязи – ответственное и довольно сложное мероприятие. Но электролаборатория нашей компании имеет все необходимое для этой процедуры оборудование, а наши первоклассные специалисты гарантируют вам точность и высокое качество электроизмерений.

Для чего нужно проверять металлосвязь, как измерить и какие должны быть параметры у металлосвязи?

Электролаборатория » Вопросы и ответы » Для чего нужно проверять металлосвязь, как измерить и какие должны быть параметры у металлосвязи?

Необходимое по требованиям безопасности защитное заземление нуждается в тщательной проверке всех его компонентов. Такая проверка входит в число выполняемых нашей электролабораторией работ.

Схема заземления тестируется на целостность и правильность подключения следующим образом: проверяется наличие цепи между заземляемым оборудованием и заземляющими проводниками и между заземляющими проводниками и заземлителями.

Качественное заземление является важным неотъемлемым компонентом электротехнического оборудования, обеспечивающим защиту от поражения электрическим током. Для правильной работы защитных систем и предотвращения возможности появления напряжения на металлических корпусах оборудования необходима  проверка металлосвязи. Металлосвязь — это показатель, характеризующий качество связи в цепи. Осуществляя измерение металлосвязи, наши специалисты замеряют сопротивление заземления на всех его участках.

Схема заземления состоит из большого количества соединенных между собой в единую цепь отдельных элементов. В случаях окисления или наличия других повреждений в точках соединений, при недостаточном качестве сварных швов общее сопротивление заземления может существенно увеличиться по сравнению со своим первоначальным или расчетным  значением. И чем больше количество соединений в цепи, тем выше риск превышения предельно допустимых значений сопротивления.

Предельно допустимым переходным сопротивлением защитного проводника является 0,05 Ом. Превышение этой величины свидетельствует о наличии неисправностей и требует принятия мер по их незамедлительному устранению. Чрезмерно высокое сопротивление заземлителя существенно снижает эффективность всей имеющейся системы заземления вплоть до полной ее функциональной бесполезности.

В случае успешного прохождения всех испытаний по результатам измерения металлосвязи на протестированное оборудование специалистами электролаборатории оформляется протокол металлосвязи по установленной форме. Не прошедшее своевременную проверку устройство заземления не пригодно к дальнейшей эксплуатации как не отвечающее требованиям безопасности.

Специалисты нашей электролаборатории предоставят Вам подробную консультацию по всем связанным с электроизмерительными работами вопросам. С расценками на электроизмерительные работы можно ознакомиться тут.

Услуги по проверке и испытаниям металлосвязи в Москве и области.


Для чего делается измерение металлосвязи?

Протокол проверки наличия цепи между заземленными установками и элементами заземленной установки (металлосвязь) - измерения металлосвязи преследуют такие цели, как:

  • определение и основательная проверка целостности и отсутствия повреждений защитных проводников (металлические оболочки кабелей, металлические трубы и пр.) на участке от исследуемого объекта до устройства заземления;
  • проверка наличия цепи между заземлителями и заземляемыми элементами;
  • определение напряжения на корпусе оборудования, находящегося в рабочем режиме.

Главный критерий качества металлосвязи - сопротивление измеряемого участка (максимально допустимое сопротивление - 0,05 Ом). Надёжность и правильность электрических соединений тщательно проверяется в ходе осмотра, а прочность сварочных соединений – измерением цепи после ударов тяжелого молотка.

Плановый замер металлосвязи осуществляется в соответствии с утвержденными Правилами Устройства Электроустановок, где помимо всего прочего оговаривается, тот факт, что проводники (защитные и системы уравнивания потенциалов) обязательно должны быть качественно соединены, тем самым обеспечивая непрерывность и целостность электрической цепи.

Цель проведения измерений проводимости металлосвязи

Слабым компонентом заземления являются точки подключения к электрическим машинам и к контуру заземления. Это связано с окислением поверхностей контактов под действием влажности, агрессивных паров и перепада температуры в гальванопаре железо-медь, которое увеличивает сопротивление соединения. Плохой контакт металлосвязи интенсивно разогревается при пробое изоляции на корпус или утечках, что может привести к обрыву и поражению персонала электрическим током.

Периодичность измерений

  • Периодичность проверки заземления системы типа TN (с заземленной нейтралью) определяется графиком, который составляет специалист, ответственный за эксплуатацию электрооборудования объекта. В остальных случаях — не реже, чем 1 раз в три года
  • Не реже, чем 1 раз в год проводятся измерения сопротивления металлосвязи в помещениях повышенной опасности, складах ЛВЖ-ГСМ, медицинских, учебных и детских учреждениях (ГОСТ Р 50571.28-2006), предприятиях общественного питания.
  • Внеплановые измерения выполняют при проведении аварийных, регламентных или ремонтных работ и при отказе электрооборудования.

Сопротивление элементов металлосвязи

Сопротивление болтового или сварного присоединения оборудования к шине контура заземления не должно превышать 0,01 ±20% Ом. Суммарное сопротивление между единицей оборудования и главной шиной заземления не должно превышать 0,05 Ом. Применяются приборы с классом точности не ниже 0.5 и прошедшие поверку по ГОСТ 8.366-79.

Внешний осмотр

Проверка надежности болтового соединения корпуса оборудования с шиной заземления проводится визуально. При превышении нормируемого сопротивления, наличии видимого загрязнения или окисной пленки соединение разбирают, зачищают контакты, собирают с контрящей шайбой и измеряют сопротивление. Качество сварного соединения проверяют визуально или применяя механическое воздействие. Точки присоединения металлосвязи к оборудованию и шине заземления должны располагаться в легкодоступном месте.

Состав комплексной услуги проверки металлосвязи

По общепринятой методике в состав услуги проверки металлосвязи входит: визуальный осмотр, замеры, исправление дефектов присоединения и составление акта о выполненных работах.

Электротехническая лаборатория ГК «Строй-ТК» предлагает комплексную услугу, в состав которой входит:

  • Визуальный осмотр.
  • Замер сопротивления всех точек присоединения систем: единица оборудования — шина заземления — главная шина контура заземления; единица оборудования — главная шина контура заземления
  • По результатам осмотра и измерений проводится ремонт контактной пары и повторные замеры. На контактные пары, работающие в сложных условиях, наносится защитное покрытие или устанавливаются чехлы.
  • При признаках пробоя или повреждения изоляции электрической машины (нагрев контактов металлосвязи) проводится замер тока утечки на работающем оборудовании. Рекомендуется провести испытания электрооборудования на сопротивление изоляции, которые могут провести специалисты лаборатории.
  • Составление акта сдачи-приемки с указанием сопротивления всех точек присоединения элементов металлосвязи и отметками о ремонте.

Развернутый подход к рутинной операции позволяет заказчику выявить скрытые неполадки, которые могут перерасти в проблемы. Цена услуги проверки металлосвязей зависит только от количества обследуемых и отремонтированных мест соединений. Дополнительные измерения токов утечки или сопротивления изоляции входит в состав цены на услугу.

Произвести расчет электроизмерений на онлайн-калькуляторе.

Уточнить все детали и состав работ, сроки выполнения и заказать услугу можно обратившись к нам в офис по телефону

Другие услуги

Проверка металлосвязи

Проверка металлосвязи – это измерение всех переходных сопротивлений на различных участках нулевого защитного проводника.

Переходное сопротивление соединений контактов должно быть ≤ 0,05 Ом. Если оно выше этого значения это указывает на наличие дефекта соединения. Зачастую, дефекты соединений контактов находятся на поверхности, будь то окислившаяся оголенная жила кабеля или клеммная колодка, слабая затяжка болтового соединения или дефект сварного соединения.

Необходимо помнить, что даже незначительное превышение нормы переходного сопротивления контакта нулевого защитного проводника (например, Rпер = 0,055 Ом) указывает на то, что контактное соединение находится в зоне риска.

Расчетное и измеренное сопротивление цепи проводников должно расходится максимум на ≤ 20%.

Для проведения проверки металлосвязи используются приборы: MI 3102H BT и MIE-500.

На практике проверку металлосвязи выполняют по следующей программе:

  • визуальная проверка всех защитных проводников;
  • механическая проверка имеющихся сварочных соединений;
  • проверка металлосвязи на всех заземлённых частях электроустановки;
  • проверка напряжения на корпусе заземлённого оборудования.

Периодичность согласно ПТЭЭП:

  • для особо опасных установок, наружных установок, кранов, лифтов, стационарных электроплит (в разогретом состоянии), 1 раз/1 года.
  • для большинства объектов, 1 раз/3 года;

В результате проверки металлосвязи составляется Протокол испытания непрерывности защитных проводников, проверка цепи между заземлителями и заземляемыми элементами, уравнивание потенциалов, в котором дается оценка состояния металлосвязи цепи нулевого защитного проводника электроустановки.

Более подробную информацию по проверке металлосвязи Вы можете получить по телефону: +7 (812) 748-26-28.


Металлосвязь

Металлосвязь

Повреждение изоляции и отсутствие электрической цепи в элементах заземления могут привести к непоправимым последствиям: тяжелым электротравмам вплоть до смертельного исхода. Диагностику металлосвязи проводят специалисты, аккредитованные Ростехнадзором. Нормируемые величины в схемах защитных устройств измеряются специальными лабораторными приборами.
Постоянный контроль наличия цепи и качества контактных соединений зануляющих (заземляющих), защитных проводников гарантирует электробезопасность в чрезвычайных ситуациях.

Правила проведения электроизмерений

Проводятся на всех объектах, где имеется электрооборудование.
Периодичность диагностических работ согласно графику указана в нормативно-технической документации.
Планово-предупредительные мероприятия контролируют:

  • Пожарный надзор МЧС;
  • Ростехнадзор;
  • Госэнергонадзор;
  • Госстандарт;
  • Службы охраны труда.

Методика спецпроверки

Исследование состоит из нескольких этапов, итоги заносятся в протокол электротехнических испытаний.


Визуальный осмотр
  1. Проверка наличия заземления (зануления).
  2. Оценка состояния элементов защиты и системы уравнивания потенциалов (СУП).
  3. Выявление дефектов и степени изношенности болтов и сварки в местах крепления контактов.
  4. Осмотр и поиск разрывов изоляции.


Диагностирование электроизмерительными приборами
  1. Тепловизионная проверка контактов соединений.
  2. Проверка площади сечения защитных проводников, проводников основной и дополнительной СУП на соответствие техническому паспорту.
  3. Измерение переходного сопротивления контактных соединений защиты и СУП.
  4. Измерение сопротивления и сравнение фактической проводимости с нормами ПУЭ.
  5. Замер напряжения на заземленном корпусе оборудования.

Замер металлосвязи нашей лабораторией


Доверив нам оценку состояния электрических установок и кабельных линий, вы получите на законных основаниях результаты испытаний, подтверждающие исправность вашего электрохозяйства.
При выявлении потенциально опасных зон, оградите персонал от риска для жизни.
Тепловизионная диагностика контактов поможет избежать возгорания изоляции.
Измерив переходные сопротивления, мы выявим причины утечки электроэнергии.

Измерение сопротивления металлосвязи | Вольт Энерго

Электролаборатория ВОЛЬТ ЭНЕРГО предоставляет услугу по измерению металлосвязи (сопротивление растекания тока на основных заземлителях) на объектах заказчика по всей Украине.

Целью измерения металлосвязи является следующее :

  • определение и проверка непрерывности, а также целостности (отсутствия различных повреждений) защитных проводников на участке от определенного объекта до устройства заземления.
  • определение сопротивления измеряемого участка защитной цепи. Сопротивление измеряется между конкретной проводящей частью и точкой главного проводника, находящейся на самом близком расстоянии от этой части.
  • проведение измерений напряжения на корпусе (заземленном) оборудования, которое проверяется и находится в рабочем режиме, или же – выявление его отсутствия.

Все результаты проведенных испытаний оформляются протоколами электроизмерений, которые в свою очередь объединяются в Техническом отчете, содержащем всю информацию о реальном положении дел на объекте заказчика.

  • определение и проверка непрерывности и целостности защитных проводников
  • определение сопротивления участка защитной цепи
  • проведение измерений напряжения на корпусе оборудования

Периодичность проведения: 1 раз в год

Суть электроизмерения:

Металлосвязь — величина, характеризующая наличие и качество связи в цепи между заземляемым объектом и заземлителем. При возникновении коротких замыканий, дефекты металлосвязи (вследствие коррозии, разрывов, некачественного монтаж при строительстве) могут привести к возникновению высокой разности потенциалов в электрической сети, которая несёт опасность для изоляции цепей, опасность для людей и вызывает повреждение электронной аппаратуры.

Цель измерения металлосвязи

  • определение и тщательная проверка непрерывности и целостности (отсутствия разнообразных повреждений) защитных проводников на участке от определенного объекта, для которого проводятся электроизмерения, до устройства заземления. К защитным проводникам относятся электротехнические металлические трубы, оболочки кабелей из металла;
  • определение сопротивления участка защитной цепи, который измеряется. Сопротивление измеряется между конкретной проводящей частью и точкой главного проводника, находящейся на самом близком расстоянии от этой части;
  • проведение измерений напряжения на корпусе (заземленном) оборудования, которое проверяется и находится в рабочем режиме, или же – выявление его отсутствия.

Качество металлосвязи характеризуется сопротивлением измеряемого участка (предельно допустимым сопротивление контактов заземляющих проводников 0,05 Ом).

Замеры металлосвязи состоят в последовательном измерении сопротивления каждого соединения на всех участках PE-проводника между заземляемым оборудованием и непосредственно «землей» — ГЗШ (главной заземляющей шиной) здания.

Металлосвязь каждого соединения — болтового, сварного, клемного и других — должна быть ниже 0,05 Ом. И если сечения защитных проводников выбраны в соответствии с Правилами устройства электроустановок, то связь оборудования с заземлителем считается надежной.

Работы проводятся в любое удобное для заказчика время !
(перед началом работ, необходимо уведомить Подрядчика о времени проведения работ)

После окончания работ заказчику предоставляются акты выполненных работ, технический отчет, дефектный акт, протоколы электроизмерений, карта нагрузок.

Периодичность проведения электроизмерений сопротивления металлосвязи

Измерение сопротивления металлосвязи проводится согласно нормативным документам – ПУЕ, ПТТЕС, каждый раз после монтажных работ, переоборудования электроустановок и их ремонта. – ПТЕЕС Приложение 1, табл. 25, п.1., а для электроустановок, которые находятся в особо опасных условиях эксплуатации – не реже 1 раза в год. и в соответствии, с установленной на предприятии системою ТОР (технического обслуживания и ремонта) см. Примечания К, М. к данной таблице.
Как правило, проводится вместе с остальными основными электроизмерениями (сопротивление изоляции, фаза-ноль, контур заземления)

Измерение металлосвязи | переодичность, методы, приборы для проверки

Первым пунктом регламента полного обследования электроустановок (ЭУ), рекомендуемого ГОСТ Р 50571.16.2007, предусматривается проверка наличия цепи между заземлителем и заземляемыми частями электрооборудования (металлосвязи), а также целостности СУП и элементов КУП. Кроме того, металлосвязь обязательно проверяется перед выборочным тестированием некоторых отдельных параметров установки. Например, перед испытаниями петли фаза–ноль или измерением сопротивления заземляющего устройства (ЗУ).

Её основная задача – выяснить надёжность гальванической связи между заземлёнными элементами электроустановок зданий и сооружений с контуром заземления. Наличие металлосвязи означает, что в случае появления потенциала на элементах металлоконструкций (наводки, КЗ) он обнулится либо произойдёт срабатывание защитных устройств. Это позволяет быстро устранять опасный для здоровья людей заряд с корпусов электроприборов, распределительных щитов, трубопроводов, оболочек кабелей и т.п.

Проведение проверок наличия цепи между заземлёнными установками помогает локализовать места её повреждений или дефектов. Они могут стать следствием монтажных ошибок, коррозионных процессов, аварий механического либо электротехнического характера.

Как осуществляется проверка целостности цепи

Пред началом тестирования электроустановки на непрерывность защитных проводников она обесточивается. Сотрудниками нашей передвижной электротехнической лаборатории (ЭТЛ) принимаются меры по обеспечению безопасности работ в соответствии с нормами ПТБ.

Установить степень надёжности металлосвязи помогает контроль:

  • за непрерывностью магистралей и проводок;
  • за состоянием соединительных узлов, выполненных посредством сварки или болтовых креплений;
  • за переходными сопротивлениями цепей, связывающих заземлители и заземляемые части ЭУ.

Качество соединительных узлов, неразрывность линий и подводок первоначально определяется с помощью визуального осмотра. Уделяется внимание их целостности и наличию коррозионных дефектов. Сварочные стыки простукиваются молотком.

Диагностические мероприятия по проверке цепи между заземлёнными установками требуют, как и прочие работы в ЭУ, строгого соблюдения инструкций по охране труда. Поэтому их проведение в дождь или при повышенной влажности воздуха запрещается!

Для переходных сопротивлений не обозначено жёстких нормативов. Тем не менее электросопротивление всей цепи металлосвязи с учётом контактов должно иметь фактическое значение не более чем в 1,2 раза выше расчетного или не превышать 0,05 Ом (ПТЭЭП, приложение 3 раздел 28.5).

Если указанные параметры не соблюдаются, то контакты подвергаются более тщательной проверке. Особое внимание уделяется соединениям заземляющих проводок с корпусами ЭУ, а также с главным заземляющим зажимом. Может потребоваться разборка и зачистка их болтовых соединений. После восстановления контактов электроизмерительная проверка цепи между заземлителями и заземлёнными элементами выполняется заново.

В установках с глухозаземлённой нейтралью с рабочим напряжением до 1000 В обязательно контролируется срабатывание защитной автоматики.

Оформление результатов проверки цепей между заземлителями и электроустановками

В процессе тестирования электрооборудования его результаты фиксируются в рабочем (лабораторном) журнале. Полученные значения сравниваются с расчётными либо нормативными данными. На их основании принимается решение о надёжности соединений и неразрывности линий ЗУ. Оно отображается нашими сотрудниками в итоговом отчёте – протоколе проверки цепи между заземлителями и заземляемыми объектами. Протокол подписывается инженерами, проводившими испытание, и начальником лаборатории.

За достоверность результатов, отображаемых в отчёте, специалисты «ЭНЕРГО-КОМАНД» несут ответственность в соответствии с законодательством РФ и требованиями Положения о передвижной ЭТЛ.

Периодичность испытаний

Требованиями ПТЭЭП (п. 2.7.13) проверка наличия цепи между заземлёнными установками и элементами заземлённой установки определяется как составляющая диагностических мероприятий по обследованию ЗУ. В свою очередь, такая диагностика может быть этапом плановых электротехнических измерений в электроустановке. В этом случае периодичность её проведения согласовывается графиком ППР (планово-предупредительных работ) по предприятию. При составлении графиков учитывается рекомендуемая частота проверок:

  • для общественных, административных и прочих объектов с обычным режимом эксплуатации – не реже 1 раза в 3 года;
  • для объектов с опасными или особыми условиями эксплуатации ЭУ – ежегодно.

Внеочередная проверка цепи заземления может потребоваться:

  • для выполнения предписания инспектирующих организаций, например МЧС или Ростестехнадзора;
  • по причине возможного изменения параметров ЗУ после окончания его реконструкции, ремонта либо выявления признаков разрушения.

Почему для проверки целостности цепей заземления следует выбрать ЭТЛ ООО «ЭНЕРГО-КОМАНД»

Электрооборудование, регулярно проверяемое силами наших специалистов, исправно работает на объектах многих известных компаний Московского региона и за его пределами. С нами сотрудничают TELE 2, ADIDAS, ROY ROBSON, ЭКО КУХНИ, ТЕЛЕКОМ ПРОЕКТ (полный список смотрите здесь). Высокому уровню доверия способствует гарантируемое нами качество выполняемых работ, достигаемое благодаря:

  • участию в обследованиях ЭУ персонала «ЭНЕРГО-КОМАНД» с соответствующей электротехнической квалификацией. Диагностика выполняется бригадой, состоящей минимум из 2 специалистов, имеющих группы по электробезопасности не ниже 3-й;
  • использованию для измерения сопротивления металлосвязи современных сертифицированных приборов и приспособлений. Например, таких, как многофункциональный цифровой измеритель Eurotest и электронный тестер влажности Метео-10;
  • строгому соблюдению технического регламента, в том числе учёту указанных в нём факторов, искажающих результат. Так, все замеры осуществляются при температуре воздуха не ниже 00С и не выше +400С (оптимальный диапазон – +10…+300С) и только в светлое время суток. Учитывается также влияние на работу лабораторного оборудования и обследуемых ЗУ магнитных полей – приборы либо отдаляются от источников помех, либо эти источники отключаются.

Кроме того, испытание непрерывности защитных проводников выполняется нами по ценам не выше среднерыночных. При этом они могут быть дополнительно снижены благодаря использованию некоторых скидок или индивидуальных договорённостей с заказчиком.

Узнать цену

Metallic Bonding - Chemistry LibreTexts

В начале 1900-х Пауль Дрюде предложил теорию металлических связей «моря электронов», моделируя металлы как смесь атомных ядер (атомные ядра = положительные ядра + внутренняя оболочка электронов) и валентности. электроны. Металлические связи возникают между атомами металлов. В то время как ионные связи соединяют металлы с неметаллами, металлическая связь соединяет большую часть атомов металла . Лист алюминиевой фольги и медная проволока - это места, где вы можете увидеть в действии металлическое соединение.

Металлы, как правило, имеют высокие температуры плавления и кипения, что свидетельствует о прочных связях между атомами. Даже мягкий металл, такой как натрий (точка плавления 97,8 ° C), плавится при значительно более высокой температуре, чем элемент (неон), предшествующий ему в Периодической таблице. Натрий имеет электронную структуру 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Когда атомы натрия собираются вместе, электрон на 3s-атомной орбитали одного атома натрия делит пространство с соответствующим электроном на соседнем атоме, образуя молекулярную орбиталь - примерно так же, как образуется ковалентная связь.

Разница, однако, заключается в том, что к каждому атому натрия прикасаются восемь других атомов натрия - и совместное использование происходит между центральным атомом и 3s-орбиталями на всех восьми других атомах. К каждому из этих восьми, в свою очередь, прикасаются восемь атомов натрия, которые, в свою очередь, касаются восьми атомов - и так далее, и так далее, пока вы не поглотите все атомы в этом куске натрия. Все из 3s-орбиталей на всех атомах перекрываются, давая огромное количество молекулярных орбиталей, которые простираются по всему куску металла.Конечно, должно быть огромное количество молекулярных орбиталей, потому что любая орбиталь может содержать только два электрона.

Электроны могут свободно перемещаться внутри этих молекулярных орбиталей, поэтому каждый электрон отделяется от своего родительского атома. Считается, что электроны делокализованы. Металл удерживается вместе сильными силами притяжения между положительными ядрами и делокализованными электронами (рис. \ (\ PageIndex {1} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Металлическая связь: Модель электронного моря: Положительные атомные ядра (оранжевые кружки) окружены морем делокализованных электронов (желтые кружки). +} \).

Пример \ (\ PageIndex {1} \): Металлическое соединение из магния

Используйте модель моря электронов, чтобы объяснить, почему магний имеет более высокую температуру плавления (650 ° C), чем натрий (97,79 ° C).

Решение

Если вы проработаете тот же аргумент выше для натрия с магнием, вы получите более сильные связи и, следовательно, более высокую температуру плавления.

Магний имеет внешнюю электронную структуру 3s 2 . Оба этих электрона становятся делокализованными, поэтому «море» имеет вдвое большую электронную плотность, чем в натрии.Остальные «ионы» также имеют в два раза больший заряд (если вы собираетесь использовать этот конкретный взгляд на металлическую связь), поэтому между «ионами» и «морем» будет больше притяжения.

Более реалистично, каждый атом магния имеет 12 протонов в ядре по сравнению с 11 натрием. В обоих случаях ядро ​​экранировано от делокализованных электронов одинаковым количеством внутренних электронов - 10 электронов в 1s 2 2s 2 2p 6 орбиталей. Это означает, что чистое притяжение от ядра магния будет 2+, но только 1+ от ядра натрия.

Таким образом, в магнии будет не только большее количество делокализованных электронов, но также будет большее притяжение к ним со стороны ядер магния. Атомы магния также имеют немного меньший радиус, чем атомы натрия, поэтому делокализованные электроны находятся ближе к ядрам. У каждого атома магния также двенадцать ближайших соседей, а не восемь у натрия. Оба эти фактора еще больше увеличивают прочность связи.

Примечание: Переходные металлы имеют тенденцию к особенно высоким температурам плавления и кипения.Причина в том, что они могут вовлекать в делокализацию как 3d-электроны, так и 4s. Чем больше электронов вы можете задействовать, тем сильнее будет притяжение.

Объемные свойства металлов

Металлы обладают несколькими уникальными качествами, такими как способность проводить электричество и тепло, низкую энергию ионизации и низкую электроотрицательность (поэтому они легко отдают электроны с образованием катионов). Их физические свойства включают блестящий (блестящий) вид, а также они пластичны и пластичны.Металлы имеют кристаллическую структуру, но легко деформируются. В этой модели валентные электроны свободны, делокализованы, подвижны и не связаны с каким-либо конкретным атомом. В данной модели может быть:

  • Проводимость : Поскольку электроны свободны, если электроны из внешнего источника вдавить в металлический провод на одном конце (рис. \ (\ PageIndex {2} \)), электроны пройдут через провод и выйдут наружу. на другом конце с той же скоростью (проводимость - это движение заряда).
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): «Море электронов» свободно течет вокруг кристалла положительных ионов металла. Эти текущие электроны могут проводить электрические изменения при приложении электрического поля (например, от батареи). (CC-BY-SA; OpenStax и Rafaelgarcia).
  • Ковкость и Пластичность : Электронно-морская модель металлов не только объясняет их электрические свойства, но также их пластичность и пластичность. Море электронов, окружающее протоны, действует как подушка, и поэтому, когда, например, по металлу ударяют молотком, общий состав структуры металла не повреждается и не изменяется.Протоны могут быть перегруппированы, но море электронов приспосабливается к новому образованию протонов и сохраняет металл нетронутым. Когда один слой ионов в электронном море движется в одном пространстве относительно слоя под ним, кристаллическая структура не разрушается, а только деформируется (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Ковкость металлов обусловлена ​​каждым из движущихся слоев атомов по отношению друг к другу. Конечная ситуация во многом такая же, как и первоначальная.Таким образом, если мы ударим по металлу молотком, кристаллы не разобьются, а просто изменят свою форму. Это сильно отличается от поведения ионных кристаллов.
  • Теплоемкость : Это объясняется способностью свободных электронов перемещаться по твердому телу.
  • Блеск : Свободные электроны могут поглощать фотоны в «море», поэтому металлы кажутся непрозрачными. Электроны на поверхности могут отражать свет с той же частотой, с которой свет падает на поверхность, поэтому металл кажется блестящим.

Однако эти наблюдения являются только качественными, а не количественными, поэтому они не могут быть проверены. Теория «моря электронов» сегодня выступает лишь как упрощенная модель того, как работает металлическая связь.

В расплавленном металле металлическая связь все еще присутствует, хотя упорядоченная структура нарушена. Металлическая связь не разрушается полностью, пока металл не закипит. Это означает, что температура кипения на самом деле является лучшим показателем прочности металлической связи, чем температура плавления.При плавлении связь ослабляется, а не разрывается. Прочность металлической связи зависит от трех факторов:

  1. Число электронов, делокализованных из металла
  2. Заряд катиона (металл).
  3. Размер катиона.

Сильная металлическая связь будет результатом более делокализованных электронов, что приведет к увеличению эффективного ядерного заряда на электронах на катионе, в результате чего размер катиона будет меньше.Металлические связи прочные и требуют большого количества энергии для разрыва, поэтому металлы имеют высокие температуры плавления и кипения. Теория металлических связей должна объяснить, как такое большое количество связей может происходить с таким небольшим количеством электронов (поскольку металлы расположены в левой части периодической таблицы и не имеют большого количества электронов в их валентных оболочках). Теория также должна учитывать все уникальные химические и физические свойства металла.

Расширение диапазона возможного склеивания

Ранее мы утверждали, что связь между атомами можно классифицировать как диапазон возможных связей между ионными связями (полная передача заряда) и ковалентными связями (полностью разделенные электроны).Когда два атома со слегка различающейся электроотрицательностью объединяются и образуют ковалентную связь, один атом притягивает электроны больше, чем другой; это называется полярной ковалентной связью. Однако простая «ионная» и «ковалентная» связь - идеализированные концепции, и большинство связей существует в двумерном континууме, описываемом треугольником Ван Аркеля-Кетелаара (рис. \ (\ PageIndex {4} \)).

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): треугольник Ван Аркеля-Кетелаара отображает разницу в электроотрицательности (\ (\ Delta \ chi \)) и средней электроотрицательности в связи (\ (\ sum \ chi \)).верхняя область - это область, где связи в основном ионные, нижняя левая область - это металлическая связь, а правая нижняя область - это ковалентная связь.

Треугольника связи или треугольника Ван Аркеля – Кетелаара треугольника (названы в честь Антона Эдуарда ван Аркеля и Дж. А. А. Кетелаара) - это треугольники, используемые для отображения различных соединений с различной степенью ионной, металлической и ковалентной связи. В 1941 году ван Аркель выделил три экстремальных материала и связанные с ними типы склеивания. Используя 36 элементов основной группы, таких как металлы, металлоиды и неметаллы, он разместил ионные, металлические и ковалентные связи в углах равностороннего треугольника, а также предложил промежуточные соединения.Треугольник связей показывает, что химические связи - это не просто особые связи определенного типа. Скорее, типы связей взаимосвязаны, и разные соединения имеют разную степень разного характера связывания (например, полярные ковалентные связи).

Видео \ (\ PageIndex {1} \): Что такое Треугольник Связи Ван Аркеля-Кетелаара?

Использование электроотрицательности - два составных средних значения электроотрицательности по оси x рисунка \ (\ PageIndex {4} \).

\ [\ sum \ chi = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \ label {sum} \]

и разность электроотрицательностей по оси ординат,

\ [\ Delta \ chi = | \ chi_A - \ chi_B | \ label {diff} \]

можно оценить доминирующую связь между соединениями.В правой части рисунка \ (\ PageIndex {4} \) (от ионной до ковалентной) должны быть соединения с различной разницей в электроотрицательности. Соединения с равной электроотрицательностью, такие как \ (\ ce {Cl2} \) (хлор), помещаются в ковалентный угол, а в ионном углу есть соединения с большой разницей электроотрицательностей, такие как \ (\ ce {NaCl} \) ( столовая соль). Нижняя сторона (от металлической до ковалентной) содержит соединения с разной степенью направленности связи. С одной стороны, это металлические связи с делокализованными связями, а с другой - ковалентные связи, в которых орбитали перекрываются в определенном направлении.Левая часть (от ионной до металлической) предназначена для делокализованных связей с различной разностью электроотрицательностей.

Три крайности в отношениях

Всего:

  • Металлические облигации имеют низкое значение \ (\ Delta \ chi \) и низкое среднее значение \ (\ sum \ chi \).
  • Ионные связи имеют от умеренного до высокого \ (\ Delta \ chi \) и умеренные значения среднего \ (\ sum \ chi \).
  • Ковалентные связи имеют среднее значение \ (\ sum \ chi \) от среднего до высокого и могут существовать с умеренно низким значением \ (\ Delta \ chi \).

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Используйте таблицы электроотрицательностей (Таблица A2) и рисунок \ (\ PageIndex {4} \) для оценки следующих значений

  • разница в электроотрицательности (\ (\ Delta \ chi \))
  • средняя электроотрицательность в связи (\ (\ sum \ chi \))
  • процентный ионный характер
  • вероятный тип облигации

для выбранных соединений:

  1. \ (\ ce {AsH} \) (например, в арсине \ (AsH \))
  2. \ (\ ce {SrLi} \)
  3. \ (\ ce {KF} \).

Решение

а: \ (\ ce {AsH} \)

  • Электроотрицательность \ (\ ce {As} \) составляет 2,18
  • Электроотрицательность \ (\ ce {H} \) составляет 2,22

Использование формул \ ref {sum} и \ ref {diff}:

\ [\ begin {align *} \ sum \ chi & = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \\ [4pt] & = \ dfrac {2.18 + 2.22} {2} \\ [4pt] & = 2.2 \ end {align *} \]

\ [\ begin {align *} \ Delta \ chi & = \ chi_A - \ chi_B \\ [4pt] & = 2.18 - 2.22 \\ [4pt] & = 0,04 \ end {align *} \]

  • Из рисунка \ (\ PageIndex {4} \) видно, что связь довольно неполярная и имеет низкий ионный характер (10% или меньше).
  • Связь находится в середине ковалентной связи и металлической связи

b: \ (\ ce {SrLi} \)

  • Электроотрицательность \ (\ ce {Sr} \) составляет 0,95
  • Электроотрицательность \ (\ ce {Li} \) составляет 0,98

Использование формул \ ref {sum} и \ ref {diff}:

\ [\ begin {align *} \ sum \ chi & = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \\ [4pt] & = \ dfrac {0.95 + 0,98} {2} \\ [4pt] & = 0,965 \ end {align *} \]

\ [\ begin {align *} \ Delta \ chi & = \ chi_A - \ chi_B \\ [4pt] & = 0.98 - 0.95 \\ [4pt] & = 0.025 \ end {align *} \]

  • Из рисунка \ (\ PageIndex {4} \) видно, что связь довольно неполярная и имеет низкий ионный характер (~ 3% или меньше).
  • Склеивание вероятно металлическое.

c: \ (\ ce {KF} \)

  • Электроотрицательность \ (\ ce {K} \) составляет 0,82
  • Электроотрицательность \ (\ ce {F} \) равна 3.98

Использование формул \ ref {sum} и \ ref {diff}:

\ [\ begin {align *} \ sum \ chi & = \ dfrac {\ chi_A + \ chi_B} {2} \\ [4pt] & = \ dfrac {0.82 + 3.98} {2} \\ [4pt] & = 2.4 \ end {align *} \]

\ [\ begin {align *} \ Delta \ chi & = \ chi_A - \ chi_B \\ [4pt] & = | 0,82 - 3,98 | \\ [4pt] & = 3.16 \ end {align *} \]

  • Из рисунка \ (\ PageIndex {4} \) видно, что связь довольно полярная и имеет высокий ионный характер (~ 75%).
  • Связь, вероятно, ионная.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Сравните связывание \ (\ ce {NaCl} \) и тетрафторида кремния.

Ответ

\ (\ ce {NaCl} \) представляет собой ионную кристаллическую структуру и электролит при растворении в воде; \ (\ Delta \ chi = 1.58 \), среднее \ (\ sum \ chi = 1.79 \), а тетрафторид кремния ковалентный (молекулярный, неполярный газ; \ (\ Delta \ chi = 2.08 \), средний \ ( \ сумма \ хи = 2,94 \).

Авторы и авторство

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Прямое измерение и модуляция сил координационной связи одиночных молекул в комплексе переходных металлов

Синтез и поверхностная самосборка терпиридиновых лигандов

Терпиридин (терпи) был получен с алкантиольной линкерной группой.Подробная информация о синтезе, химической структуре и молекулярных размерах представлена ​​в дополнительной информации (дополнительный рисунок S1). Образование тиола позволяет этому лиганду самоорганизовываться на золотых поверхностях 10 (рис. 1а) и покрытых золотом наконечниках АСМ. Самоорганизованные монослои (SAM) терпи-производного на поверхности Au (111) с координацией осмия (Os) или без нее систематически изучались методами электрохимии, ECAFM и ECSTM. При согласовании ионов Os с иммобилизованным терпи (рис.1а), фарадеевский сигнал, возникающий от межфазного ЭТ между Os и Au (111) электродом, регистрировался непосредственно с помощью циклической вольтамперометрии (рис. 1б). Линейная зависимость между пиковым током и скоростью сканирования ясно указывает на то, что ионы Os связаны с поверхностью электрода через координацию терпи (дополнительный рисунок S2). Наблюдалась обратимая межфазная ЭТ, и скорость ЭТ была оценена как 25 с -1 по методу Лавирона (дополнительный рис. S3) 32,33 . Популяция терпи на поверхности, оцененная по восстановительной десорбции (дополнительный рис.S4) контролировали, регулируя концентрацию терпиового раствора и время адсорбции. Для настоящей цели в большинстве измерений использовалось эффективное покрытие поверхности (9,0 ± 0,8) × 10 −11 моль · см −2 (то есть на субмонослойном уровне), оцененное по заряду Фарадея.

Рис. 1: Самосборка на поверхности и характеристика терпи-лигандов.

( a ) Схематическое изображение молекул терпи, самоорганизующихся на поверхности Au (111), и координационного связывания ионов Os (не в масштабе).( b ) Циклическая вольтамперограмма ОСТЕРПЫ ПАМ, полученная при скорости сканирования 1 В с −1 . ( c ) АСМ-изображение и ( d ) СТМ-изображение SAM Os-terpy на поверхности Au (111), записанное с помощью ECAFM и ECSTM в фосфатном буфере (10 мМ, pH 7,0). Изображение СТМ, записанное с ключевыми параметрами: I t = 20 пА, В b = −0,4 В, E w = −0,02 В (по сравнению с SCE). Области сканирования: ( c ) 1000 нм × 1000 нм и ( d ) 100 нм × 100 нм.Масштабная линейка, 250 нм ( c ) и 25 нм ( d ).

Поверхностные микроскопические структуры SAM на основе терпи были охарактеризованы с помощью АСМ и СТМ визуализации в электрохимической среде, которые также использовались в силовой спектроскопии АСМ. Изображения АСМ (Рис. 1c и Дополнительный Рис. S5) показывают, что кажущаяся высота комплекса Os-terpy составляет около 2 нм, что согласуется с молекулярными размерами полукоординированного комплекса (Дополнительный Рис. S1). В отличие от физической визуализации с помощью АСМ, in situ СТМ визуализация предлагает электронное картирование молекул и очень чувствительно к молекулярной проводимости.Из-за плохой проводимости только терпи-SAM демонстрируют слабый контраст СТМ, хотя особенности отпечатков пальцев SAM, такие как наноразмерные ямки, четко различимы (дополнительный рис. S6). Координация ионов Os с иммобилизованным терпи приводит к резкому увеличению молекулярной проводимости, как показано на рис. 1d и дополнительном рис. S7. Таким образом, СТМ-изображение согласуется с электрохимическими наблюдениями. В то время как терпи-SAMs являются редокс-инертными, Os-terpy-SAM демонстрируют обратимую и быструю межфазную ET.В целом, электрохимические, АСМ и СТМ характеристики подтверждают, что терпи-SAM образуются на поверхностях Au (111) и могут координироваться с Os. Это закладывает основу для силового спектроскопического анализа одиночных молекул в АСМ.

Прямое измерение координационных сил одиночных молекул

На рис. 2а показаны принципы работы силовой спектроскопии АСМ одиночных молекул, которые более подробно описаны на дополнительном рис. S8. Когда наконечник АСМ приближается к образцу, терпи, связанные с наконечником, взаимодействуют с Os-терпи на поверхности подложки с образованием комплекса ([Os (terpy– (CH 2 ) 6 -S-Au) 2 ] 2 + / 3 + ).Втягивание иглы приводит к диссоциации связи Os – терпи, но не разрывает связь Au – S, которая намного прочнее, чем координационная связь, как описано ниже. Таким образом, могут быть записаны кривые сила-расстояние для процесса диссоциации лиганда Os-terpy.

Рис. 2: Силовая спектроскопия АСМ и разработанные экспериментальные конфигурации.

( a ) Схематическое изображение принципов измерения силовой спектроскопии АСМ для комплекса Остерпи. Отклонение кантилевера определяется положением отраженного лазерного луча и преобразуется в силу взаимодействия, передаваемую через образцы.Кончик, функционализированный лигандом, приближается к образцу и взаимодействует с образцом. ( b ) Схематические иллюстрации четырех типов экспериментальных конфигураций для измерения спектров сил: (I) отсутствие ионов Os, (II) ионы Os, предварительно связанные с подложкой Au (111), (III) ионы Os, предварительно связанные с подложкой Au (111), загружены на наконечник АСМ и ионы (IV) Os предварительно загружены как на подложку, так и на наконечник АСМ.

Чтобы различить, что на самом деле записывают кривые сила-расстояние АСМ, были разработаны четыре экспериментальные конфигурации, схематически показанные на рис.2b. Были получены и статистически проанализированы серии спектров силы (от нескольких сотен до тысяч кривых сила-расстояние) для каждой конфигурации. На рис. 3а сравниваются характерные кривые сила-расстояние при потенциалах холостого хода для четырех конфигураций. В конфигурации (I) ионы Os отсутствуют. Когда наконечник terpy-C 6 -S был приведен в контакт с образцами terpy-C 6 -S-Au (111), не было обнаружено никакой специфической силы взаимодействия (рис. 3a (I)), то есть пика силы не наблюдается.Аналогичные наблюдения применимы к конфигурации (IV) (рис. 3a (IV)), где ионы Os были предварительно загружены как на наконечник АСМ, так и на подложку Au (111). Напротив, четко определенные кривые сила-расстояние были записаны с конфигурациями (II) и (III) и в большинстве случаев характеризовались одиночными пиками силы (рис. 3a (II)). Пики единичных сил предполагают, что координационное взаимодействие, скорее всего, обнаруживается на уровне одной молекулы, хотя они не исключают одновременное протекание нескольких возможных взаимодействий. Ширина пиков находится в диапазоне всего нескольких нм, отражая свертку с движением кантилевера (рис.3). Множественные пики наблюдаются лишь в очень редких случаях с вероятностью не более 5–8% среди представленных спектров сил. Это наблюдение, вероятно, связано с тем, что несколько молекул терпи на острие АСМ иногда взаимодействуют с образцом. Из-за низкой вероятности и для упрощения анализа данных спектры сил с множественными пиками не были включены в наш статистический анализ. Кроме того, в некоторых системах сложно отличить конкретные взаимодействия от неспецифических. Координационное взаимодействие рассматривается как вид специфического взаимодействия.Однако неизвестно, в какой степени сохраняется специфичность по сравнению с обычными специфическими интерактивными системами, такими как антиген-антитело, субстрат-фермент и лиганд-рецептор. Например, один и тот же лиганд (например, терпи) может координироваться с ионами различных металлов, такими как Os, Ru, Zn, Mn и Fe, хотя и с разной силой связывания. Однако мы разработали четыре экспериментальных конфигурации, как показано на рис. 2b. Результаты этих конфигураций показывают, что только конфигурации II и III дают характерные спектры сил, возникающие из-за координационных взаимодействий.Нет (или очень мало) спектров сил с особенностями, полученными для конфигураций I и IV из различных партий измеренных образцов.

Рис. 3. Спектры одномолекулярных сил в различных экспериментальных конфигурациях.

( a ) Сравнение типичных кривых «сила-растяжение» для четырех экспериментальных конфигураций, показанных на рис. 2b. Скорость нагружения (LR) 200 нм с -1 использовалась для записи всех кривых. ( b , c ) Гистограммы распределений координационных сил для конфигураций (II) и (III).Средняя сила оценивается как 97 ± 35 пН ( n = 300) для конфигурации II и 100 ± 40 пН ( n = 432) для конфигурации III.

Статистический анализ, основанный на сотнях кривых силы для каждого случая, показывает, что средняя сила составляет 100 ± 40 пН (рис. 3b), что практически идентично для конфигураций (II) и (III). Это значение хорошо согласуется со значением для системы терпи – Ru (95 пН, без потенциального контроля) 27 , но значительно ниже, чем для ковалентной связи. Например, предыдущие исследования АСМ показали, что связь C – Si разрывается на 2.0 нН (ссылка 17), связь Si – Si при 2,1 нН (ссылка 20) и связь Au – S при 2,5 нН (ссылка 28). Таким образом, сила координационной связи Os-terpy составляет около 5% от силы ковалентной связи. Координационные связи долгое время считались особым видом сверточных связей в координационной химии. Однако неизвестно, насколько прочной должна быть координационная связь. Сила 100 пН на первый взгляд удивительно мала. Однако процесс замещения лиганда, индуцированный АСМ, нельзя рассматривать исключительно как процесс диссоциации.Замена лиганда - это вместо этого синхронная диссоциация выходящего терпи-лиганда и ассоциация входящих лигандов, предположительно молекул воды, чтобы завершить координационную сферу. Это понятие подтверждается вычислениями ДПФ, которые описаны ниже.

Координационные силы связи, зависящие от окислительно-восстановительного состояния

ECAFM может одновременно контролировать окислительно-восстановительное состояние комплекса переходного металла и регистрировать спектры сил. Эта способность дает возможность исследовать, как окислительно-восстановительное состояние атома металла влияет на прочность связи в координации металл-лиганд.В данном случае Os-terpy SAM электроактивен, и его окислительно-восстановительное состояние можно контролировать с помощью электрохимических потенциалов, приложенных к подложке. Как зарегистрировано с помощью вольтамперометрии (например, рис. 1b), формальный окислительно-восстановительный потенциал (то есть в равновесном окислительно-восстановительном состоянии) составляет около +40 (± 5) мВ (по сравнению с насыщенным каломельным электродом (SCE)). Наблюдаемый окислительно-восстановительный потенциал хорошо согласуется с окислительно-восстановительной парой Os 2 + / 3 + , частично координированной с полипиридиновыми лигандами 10,11 . Было записано и статистически проанализировано большое количество кривых сила-расстояние для координационного связывания при различных рабочих потенциалах подложки.

На рисунке 4a сравниваются типичные спектры силы AFM, записанные при +185, −15 и −215 мВ соответственно. Соответствующие гистограммы показаны на рис. 4b – d. В полностью окисленной форме (то есть с рабочим потенциалом, приложенным при +185 мВ), координационная сила связи оказалась такой высокой, как 190 пН при средней силе около 130 пН. Сила уменьшалась примерно до 100 пН, когда комплекс Os-терпи был частично восстановлен при -15 мВ. Координационная связь была дополнительно ослаблена до 80 пН при -215 мВ, когда комплекс находился в полностью восстановленной форме.Больше спектров силы было записано при различных рабочих потенциалах и статистически проанализировано, и соответствующие гистограммы показаны на дополнительном рисунке S9. Зависимость средних сил от рабочих потенциалов показана на рис. 4д. Таким образом, зависимый от окислительно-восстановительного состояния переход является систематическим из полностью восстановленной формы в полностью окисленную форму с сигмоидной зависимостью (то есть формой « S »).

Рис. 4. Координационные силы переходного металла, зависящие от окислительно-восстановительного состояния.

( a ) Сравнение типичных кривых силы-удлинения для взаимодействий между подложками Os-terpy-C6-S-Au (111) и наконечниками terpy-C6-S (то есть конфигурацией II) при различных рабочих потенциалах ( по сравнению с SCE) +185 мВ (полностью окисленное состояние), −15 мВ (частично восстановленная, но близкая к равновесной форме) и −215 мВ (полностью восстановленная форма). LR составлял 200 нм с -1 . ( b - d ) Соответствующие гистограммы распределения координационных сил. Средняя сила, основанная на статистическом анализе: ( b ) 130 ± 60 пН ( n = 292) при +185 мВ, ( c ) 100 ± 30 пН ( n = 250) при -15 мВ. и ( d ) 80 ± 30 пН ( n = 328) при −215 мВ.( e ) Зависимость средних сил развязывания от окислительно-восстановительных состояний, контролируемых рабочими потенциалами; используемые данные представляют собой средние значения трех или четырех серий независимых экспериментальных измерений.

Как новаторское внедрение метода Hinterdorfer et al. 34 , АСМ силовая спектроскопия, зависящая от скорости нагружения (LR), предложила эффективный подход для оценки ключевых параметров, которые характеризуют события одномолекулярного взаимодействия.Метод использовался для широкого круга химических и биологических систем 35,36,37,38 , хотя в некоторых случаях оцененные параметры могут отличаться на порядок даже для одних и тех же систем. Наши измерения AFM были сосредоточены на спектрах LR-зависимых сил при трех различных степенях окисления комплекса Os-terpy. На основе статистического анализа тысяч спектров сил зависимости средних сил от LR представлены на рис. 5. Согласно модели единственного барьера, корреляция между силой разрушения (или развязывания) и LR рационализируется следующим образом: приближенная форма (уравнение 1) 38,39 .

Рисунок 5: Зависимость координационных сил развязывания от LR.

( a ) В окисленном состоянии (+224 мВ относительно SCE). ( b ) В состоянии равновесия (+37 мВ относительно SCE). ( c ) В пониженном состоянии (-166 мВ по сравнению с SCE). Сплошные линии представляют собой наилучшее линейное соответствие экспериментальным данным.

, где F u - сила развязывания, χ β - расстояние (энергетический барьер) от положения равновесия, r - LR, k eff - эффективная пружина. константа используемого кантилевера АСМ, υ - скорость отвода кантилевера АСМ, k off - константа кинетической скорости диссоциации при нулевой силе, k B - постоянная Больцмана, а T - температура Кельвина.

Параметры χ β и k от , таким образом, можно оценить по наклону и пересечению графика зависимости измеренной силы от LR, соответственно (см., Например, рис. 5). Недавно описанный подход был использован для оценки константы кинетической скорости связывания ( k на ) 37 . Кажущуюся константу диссоциации ( K d ) или константу сродства ( K a ) можно затем получить по уравнению 2:

, кроме того, энергию Гиббса активации (ΔE a ) для диссоциации Координационная связь в различных окислительно-восстановительных состояниях сравнивается на основе их значений k от .Чем меньше значение k от , тем выше свободная энергия активации диссоциации. Чтобы сравнить свободную энергию активации диссоциации в различных окислительно-восстановительных состояниях, мы определяем свободную энергию активации диссоциации, необходимую для окисленной формы ((ΔE a ) Ox ) как единицу. Относительная свободная энергия активации для равновесного ((ΔE a ) Eq ) и восстановленного ((ΔE a ) Re ) состояний, таким образом, получается с использованием следующих соотношений 38 .

Оцененные параметры суммированы в таблице 1. Эти важнейшие параметры усилили систематические эффекты окислительно-восстановительного состояния на координационные взаимодействия, наблюдаемые при прямом сравнении сил (рис. 4e), но с более подробной информацией. Хотя все параметры указывают на одну и ту же тенденцию к эффектам окислительно-восстановительного состояния, их чувствительность и степень могут быть совершенно разными. Значения k от обеспечивают четкое различие, по крайней мере, в 3 раза между полностью окисленным и восстановленным состояниями.Значения K d (или K a ) заметно различаются среди окислительно-восстановительных состояний, но они значительно больше, чем полученные с помощью традиционных подходов среднего ансамбля к комплексам переходных металлов на основе терпи в гомогенном растворе. Для Os – terpy нет данных K d , но для других переходных металлов (например, Mn, Co, Ni, Cd и Fe) K d находится в диапазоне 10 −8 От до 10 −3 M, в зависимости от pH раствора, ионной силы и наличия или отсутствия других лигандов 40,41 .С одной стороны, расхождение может быть частично связано с высокой неопределенностью в оценках параметра k на с помощью AFM , как также отмечалось в предыдущих отчетах по другим системам 34,35,36,37 . С другой стороны, прямое сравнение не подходит, потому что значения K d оцениваются в очень разных экспериментальных условиях в АСМ и в гомогенном растворе. В гомогенных водных растворах диссоциация комплекса в свободном состоянии происходит самопроизвольно.В конфигурации АСМ комплекс Os – терпи иммобилизован на поверхности Au (111), а его диссоциация вызывается внешними механическими силами (то есть за счет ретракции кантилевера АСМ). Прямое сравнение других систем вызвало аналогичные проблемы 34,35,36,37,38 . Таким образом, более значимы относительные значения параметров, оцененные с помощью силовой спектроскопии АСМ в одной и той же системе при различных экспериментальных условиях. Различия в свободной энергии активации диссоциации заметны, но не существенны.Тем не менее, в данном случае эти параметры открывают возможность количественного взгляда на зависимые от окислительно-восстановительного состояния координационные взаимодействия на уровне одной молекулы.

Таблица 1 Сравнение важнейших параметров, характеризующих координационные взаимодействия Os – terpy в различных степенях окисления.

Таким образом, эффекты окислительно-восстановительного состояния значительны. Хотя подробные причины в настоящее время полностью не изучены, разные силы отражают более высокую прочность сцепления для Os 3+ , чем для Os 2+ .Более ранние исследования методом DFT для аналога терпи (2,2'-бипиридина) показали, что структурные изменения, вызванные переключением центрального окислительно-восстановительного состояния металла, незначительны, когда комплекс иммобилизован на поверхностях Au (111) 42,43 . Связывание Os-terpy σ может быть сильнее для Os 3+ , чем для Os 2+ , но это частично уравновешивается относительно более слабым донорством π-back в окисленном состоянии. Распределение электронного заряда по комплексу отличается в двух окислительно-восстановительных состояниях, поскольку заряд перемещается с периферии комплекса на металл при окислении 42,43 .Кроме того, фактором могут быть разные энергии стабилизации поля лигандов (LFSE). LFSE выше для Os 2+ d 6 , чем для Os 3+ d 5 в полностью гексакоординированном [Os (terpy) 2 ] 2 + / 3 + . Однако наблюдаемые относительно низкие окислительные потенциалы предполагают, что полная тридентатная координация обоих терпи-лигандов маловероятна. Вместо этого координация остаточных лигандов H 2 O / OH - может снизить окислительный потенциал и привести к более высокому LFSE для Os 3+ , чем для Os 2+ .Чтобы понять ключевые факторы, определяющие координационную силу сцепления, мы выполнили моделирование и расчеты методом DFT.

DFT-расчеты координационной тянущей силы

DFT-моделирование было сосредоточено на различных силах разрыва связей в окисленной и восстановленной формах комплекса и на решающей роли замещения лиганда terpy / H 2 O в процессе разрыва связи.

До непосредственного приближения к тянущим силам поверхности потенциальной энергии терпи и деформации лиганда H 2 O и электронные структуры комплексов рассчитывались по следующей схеме.Поверхность потенциальной энергии терпи-лиганда сначала была рассчитана путем вращения двух концевых пиридиновых звеньев в течение всего цикла (дополнительный рисунок S10). Результаты показывают, что терпи способствует плоской геометрии с двумя концевыми пиридинами в конфигурации транс- относительно среднего пиридина (то есть N ↑ N ↓ N ↑). Энергозатраты на вращение одного пиридинового блока, преобразование пиридинов в конфигурацию цис (то есть N ↓ N ↓ N ↓) составляет около 0,3 эВ, что согласуется с предыдущими отчетами 44 .Почти такая же энергия требуется для вращения второго пиридинового звена. Как следствие, с точки зрения энергии конфигурация cis N ↓ N ↓ N ↓ на 0,6 e В менее стабильна, чем конфигурация trans-. На свойства конъюгации не влияет ориентация терпимых атомов азота, поскольку затраты энергии основаны главным образом на стерическом или электростатическом отталкивании между заряженными атомами азота. Это подтверждается анализом Бадера (дополнительный рисунок S11).

Далее были рассмотрены магнитные свойства комплекса.Возможные низко- и высокоспиновые состояния для Os 2+ (d 6 ): 0 и 2, а также 1/2 и 5/2 для Os 3+ (d 5 ). Рассчитаны энергии для структур, релаксированных по Пердью – Берк – Эрнцерхольф (PBE) комплексов [Os (terpy) 2 (H 2 O) n ] 2 + / 3 + (рис. 6а) а также для [Os (терпы) (H 2 O) 3 ] 2 + / 3 + и [Os (OH 2 ) 6 ] 2 + / 3 + . Во всех случаях состояния с низкими спинами были значительно более стабильными, чем состояния с высокими спинами, с очень похожими различиями Δ E HS / LS для PBE, PBE0 и B3LYP.Δ E HS / LS для [Os (OH 2 ) 6 ] 3+ рассчитывается как от 4,3 до 4,5 эВ, что выше, но находится в том же диапазоне, что и 2,3 эВ, по сравнению с Os 3 + полностью координирован с двумя терпи-лигандами. Бадер-анализ фрагментов Os 2 + / 3 + (терпи) использовали в качестве эталона (дополнительный рис. S11). Полученное распределение электронов разумно. Например, все атомы донора азота отрицательно заряжены полной неподеленной парой, что объясняет, почему предпочтение отдается конфигурации транс-.Заряд получают в основном от соседних атомов углерода. Атомы-доноры кислорода также имеют отрицательный заряд, причем основная часть заряда передается атомами водорода лиганда. Положительный заряд на атомах водорода является дробным и колеблется от 0,10 до 0,05. Примечательно, что распределение электронов у терпимых атомов азота, кислорода и углерода существенно не нарушается при добавлении осмия в любой из двух степеней окисления. Окисление Os 2+ до Os 3+ , однако, приводит к совместному донорству электронов от металлического центра и терпи-лиганда, то есть к тому, что Os дополнительно отдает лиганду половину электрона.Остальные дырки распределены по всей сопряженной системе, что в основном регистрируется как небольшая потеря заряда на ароматических атомах водорода со средним зарядом 0,15 и 0,20 на атом водорода для Os 2+ и Os 3+. окислительно-восстановительных состояний соответственно.

Рис. 6. Моделирование методом DFT разрывных сил разрыва в растворах.

( a ) Схематические изображения целевых систем разрыва связи. В двух степенях окисления исследованы три исходные конфигурации: ( 1 ) [Os (terpy) 2 ] - это осмий в октаэдрическом лигандном окружении, обеспечиваемом атомами азота (синий) двух молекул терпи.( 2 ) [Os (терпи) 2 (H 2 O)] координируется со второй молекулой терпи через два атома азота. Несвязывающая группа повернута примерно на 90 °, обеспечивая координацию молекулы воды. ( 3 ) [Os (терпи) 2 (H 2 O) 2 ] осмий координирован с одним атомом азота второго терпи-лиганда, причем две молекулы воды занимают координационные центры. Среднее пиридиновое звено терпи систематически перемещалось на 0.С шагом 2 Å. На каждом приращении расстояние Os – N (среднего пиридинового звена) сохранялось фиксированным, а все другие степени свободы позволяли ослабить. Заметной побочной реакцией был перенос протона от водного лиганда к некоординированному азоту терпи. ( b ) Возможные изменения энергии смоделированных систем разрыва связей в водном растворе. Сплошные линии соответствуют расчетным данным для Os 2+ (черные линии) и Os 3+ (красные линии) соответственно.Наклоны были получены из этих линейных аппроксимаций, и значения перечислены на правой панели b . Ясно, что состояние Os 2+ способствует полному связыванию с терпи, но когда вода занимает координационные места, связь терпи – Os 3+ становится сильнее. Следует отметить, что энергия начинает выравниваться, когда расстояние Os-терп превышает 1,0 Å.

С доступными электронными и молекулярными структурами на заключительном этапе моделировалась энергия притяжения Os 2 + / 3 + .Были обнаружены только очень небольшие структурные различия между октаэдрическими [Os (терпи) 2 ] 2+ и [Os (терпи) 2 ] 3+ . Длина связи Os – N в среднем пиридиновом звене составляет около 2,01 Å для обоих окислительно-восстановительных состояний. Две другие длины связи Os – N немного различаются, то есть около 2,10 и 2,05 Å для Os 2+ и Os 3+ соответственно. Эталонная структура была создана путем расслабления всех структур во время моделирования разрыва связи с зарядом 2.5. Затем моделирование было начато с расслабленной геометрии комплексов с различной координацией терпи и молекул воды (дополнительная информация, рис. S12), смещение среднего пиридинового звена с шагом 0,2 Å. На каждом приращении среднее расстояние Os – N было фиксированным, в то время как всем другим степеням свободы позволяли релаксировать с теми же критериями (0,05 эВ Å -1 ). На рисунке 6a и дополнительном рисунке S13a показаны три смоделированные целевые конфигурации. Энергии затягивания ( E - E [dr Os – N = 0]) для каждой конфигурации были рассчитаны и нанесены на график в зависимости от расстояния Os – N (dr Os – N ) для обоих окислительно-восстановительных состояний.Изменение длины связи не показано за пределами 1 Å, где связь терпи – Os начинает разрываться. Примечательно, что в некоторых случаях происходит перенос протона между молекулой воды и терпимым атомом азота, что дает ступеньку на кривой потенциальной энергии.

Сила тяги оценивалась как наклон наилучшего линейного соответствия (рис. 6b и дополнительный рис. S13) в энергетическом профиле. Наклон более крутой, то есть тянущая сила сильнее, когда терпи полностью скоординирована с Os 2+ , но это резко меняется, когда одна или две молекулы воды скоординированы (дополнительный рис.S13b). Таким образом, наблюдается явная разница в изменении энергии для двух окислительно-восстановительных состояний, при этом Os 3+ демонстрирует значительно более сильную связь и более сильную силу связи с двумя молекулами воды, каждая из которых занимает координационный сайт. Таким образом, рассчитанные силы качественно согласуются с экспериментальными данными и предлагаются как наиболее благоприятное согласование Os 2 + / 3 + с терпи в условиях эксперимента. Следует отметить, что количественные значения рассчитанных тяговых сил значительно выше наблюдаемых (то есть nN по сравнению с pN).Это несоответствие, вероятно, связано с ограничениями данной модели. Полная координация потребует как нескольких шагов реорганизации и более жестких условий, так и обратного порядка стабильности в пользу Os 2+ .

Для приближения моделирования к экспериментальным условиям была добавлена ​​сольватационная оболочка из 25–30 молекул воды вокруг каждого комплекса. Молекулам воды позволили расслабиться вокруг комплекса (дополнительный рис. S12), и были выполнены расчеты для обоих окислительно-восстановительных состояний в каждой конфигурации.Связь между энергией вытягивания и расстоянием Os – N показана на рис. 6б. По сравнению с вакуумом (дополнительный рис. S13b), добавление единственной сольватной оболочки не меняет тенденции относительной энергии вытягивания, но заметно увеличивает координационную прочность связи Os 3+ (рис. 6b).

В целом, моделирование с помощью DFT предполагает следующее: потенциальные поверхности терпи показывают, что конфигурация N ↑ N ↓ N ↑ предпочтительнее, чем конфигурация N ↓ N ↓ N ↓; тройные атомы углерода и водорода несут значительный положительный заряд; за пределами 1 Å, где связь Os – терпи разрывается, терпи способствует переносу протона от лиганда H 2 O, образуя пару лигандов терп (H + ) –ОН - ; атомы азота терпи заряжены отрицательно, но OH - несет наибольший отрицательный заряд и сильнее взаимодействует с Os 3+ , чем с Os 2+ ; и окислительно-восстановительное состояние Os значительно влияет на прочность связи.Os 2+ способствует полному лигированию терпи, вероятно, из-за большей стабилизации поля лиганда, тогда как Os 3+ способствует координации с одним или двумя терпи-лигандами, при этом сайты других лигандов заняты водой. Наконец, сольватация увеличивает прочность связи и силу растяжения Os 3+ и способствует связыванию лиганда Os 3+ по сравнению с Os 2+ . Последнее согласуется с экспериментальными данными и указывает на решающую роль замены лиганда в процессе вытягивания; хотя, как уже отмечалось, количественное соответствие требует более полной вычислительной схемы с полным включением растворителя.

Шесть шагов к обеспечению прочности связи резины с металлом

Резина во многих формах способна связываться с металлами всех видов. Фактически, связанная резина прочнее, чем в исходном состоянии, поэтому производители во многих отраслях промышленности полагаются на соединение резины с металлом для своих компонентов. Резина не только обеспечивает очень прочное сцепление с металлом, но также может использоваться для объединения нескольких деталей в единую сборку.

Выполнив шесть шагов, начиная с проектирования детали и заканчивая тестированием, изготовитель резины и производитель могут убедиться, что соединение достаточно прочное для применения и условий эксплуатации.

1. Оцените конструкцию и геометрию детали на предмет технологичности.

В любом новом проекте DFM - это первый шаг. Изготовитель обычно указывает геометрию металлической вставки, а также марку и тип металла. Инженеры формовочной фирмы оценит конструкцию в свете своих знаний о процессах формования резины.

Геометрия детали может создавать проблемы в процессе формования, поскольку резина, заполняющая форму, имеет очень низкую вязкость. Форма должна быть спроектирована для принудительного отключения или зажима металлической вставки, чтобы уменьшить количество вспышки.

Ориентация детали в пресс-форме - еще одно важное соображение. Вертикальные отсечки не обеспечивают оптимального давления в полости для отверждения резины, а также приводят к избыточному выпариванию, что требует затрат на вторичные операции, что приводит к более высокой цене за штуку. По возможности, формовщик должен ориентировать деталь горизонтально для более прочного соединения.

Штампованные металлические вставки также могут создавать проблемы для прочности сцепления, поскольку процесс штамповки не всегда обеспечивает надежное соблюдение жестких допусков.

Инженеры и химики формовочной фирмы могут посоветовать лучший способ спроектировать и произвести детали, требующие соединения резины с металлом.

2. Определите, как металл будет реагировать на резину.

Хотя большинство металлов можно использовать в резиновой формовке вставок, каждый металл имеет различный химический состав, который может реагировать на тип используемой резины. Важным шагом является определение наиболее подходящего типа и марки металла для данной области применения, а также оптимального типа резины для данной области применения.

Одним из проблемных материалов является латунь, содержащая свинец, который химически противодействует соединению резины. Более мягкие, легко режущиеся латунные материалы имеют более высокое содержание свинца и их трудно склеивать. Лучшая прочность связи может быть достигнута при минимально возможном уровне содержания свинца. Каучук FKM, который является химически инертным, также может быть трудно склеиваемым. Инженеры и химики формовочной фирмы могут посоветовать лучший резиновый материал и при необходимости разработать индивидуальные составы для конкретного применения.

Типы металлических подложек, которые могут быть успешно склеены резиной, включают:

Сталь

  • 430FR
  • 17-7 PH
  • 17-4 PH
  • 304
  • 303
  • 330
  • 26–1
  • 4140
  • AISI 1050
  • Сталь холоднокатаная
  • AISI 420B
  • E-1050

Латунь

Алюминий

3. Приобретите вставку

После того, как все стороны согласятся выбрать подходящий материал для вставки, производитель или формовщик может закупить вставку в соответствии с окончательными спецификациями.Поручая формовщику закупать вставку, производитель может сэкономить время и полагаться на отношения с поставщиками формовочной фирмы для обеспечения качества.

4. Подготовьте деталь

Способность формовочной фирмы подготовить деталь к максимальной прочности сцепления является ключевым моментом. При подготовке вставки необходимо учитывать сложный химический состав взаимодействия металла и резины, а также влияние самого процесса формования.

Подготовка включает в себя один или все из следующих шагов:

  • Обработка поверхности дробеструйной очисткой из оксида алюминия для увеличения площади склеивания
  • Очистка вставки растворителем, например, метилэтилкетоном, для удаления остатков машинного масла или смазки
  • Нанесение термоактивированной грунтовки и адгезионных систем, таких как фенольная смола, окунанием, распылением или вручную с использованием кистей для художников
  • Обжиг загрунтованной вставки для обеспечения ее высыхания и подготовки к формованию
  • Маскировка части вставки, чтобы закрыть все, кроме определенной области, где резина должна склеиваться

Большинство адгезивов разбавлено химически чистым растворителем, таким как метанол, что облегчает нанесение клея или окунание.Очень важно, чтобы было разработано правильное соотношение смеси клея и метанола, чтобы гарантировать, что толщина клея и процент твердого вещества достаточны для обеспечения прочного соединения. Если смесь слишком вязкая, это может привести к тому, что клей не схватится должным образом из-за отверждения кожи или сметания со вставки из-за протекания резины под высоким давлением в полость. Хорошая формовочная фирма будет проводить испытания для обеспечения надлежащего процентного содержания твердых частиц и толщины клея при каждом производственном цикле.

5. Используйте лучшие процессы формования

Формование со вставкой или повторное формование выполняется методами компрессионного или трансферного формования, в зависимости от формы и размера склеиваемой металлической детали.

Компрессионное формование

Включает предварительное формование неотвержденной резины определенной формы и веса, которую помещают в полость формы. Когда форма закрыта, две пластины давят на эластомер, который затем заполняет полость. Эластомер выдерживают под давлением и нагревают до тех пор, пока резина не затвердеет, что позволяет детали сохранять свою форму.

Трансферное формование

Начинается с предварительно формованной неотвержденной резины, которую помещают в передаточную ванну замкнутой системы формования.Плунжер / плунжер затем распределяет резину по полостям для придания формы детали, которая затем отверждается путем приложения давления и тепла в течение определенного периода времени.

После завершения процесса формования резины типичные вторичные операции включают снятие заусенцев для удаления излишков резины, последующее отверждение, очистку и специальную упаковку.

На протяжении всего процесса формования резины важно соблюдать правила обращения с деталями и их хранения, как после подготовки вставки, когда были нанесены клеи, так и после формования детали, чтобы избежать загрязнения.Резиновые детали и вставки должны быть сухими, очищенными от пыли и грязи, и обращаться с ними должны только операторы в перчатках. Когда деталь будет готова, ее следует хранить при комнатной температуре вдали от прямых солнечных лучей. Кроме того, деталь следует держать вдали от сварочных работ, которые выделяют озон, который может повредить резину.

6. Испытания с прототипами или готовыми деталями

Испытания обычно проводятся, чтобы увидеть, как деталь реагирует на напряжение в результате сжатия, растяжения, сдвига или кручения.В зависимости от детали производители могут пожелать создать прототип литого компонента для тестирования, чтобы оценить ряд систем склеивания, а не ждать окончания производства, чтобы протестировать готовую деталь. Когда резина приклеивается к металлическим деталям, единственные методы испытаний для определения прочности связи включают разрушение детали.

Согласно LORD Corporation, производителям линии клеев для эластомеров Chemlok: «Существует большое количество доступных типов испытаний. Цель состоит в том, чтобы оценить прочность соединения на границе раздела резиновой подложки с помощью какого-либо разрушающего испытания.Простые разрушающие тесты, такие как очистка вручную или зачистка, являются обычными для визуальных результатов. Различные испытательные машины, такие как тестеры на разрыв, являются более научными и позволяют количественно оценить производительность, измеряя силу, необходимую для разрыва соединения. Во всех случаях разрушающее испытание, как ручное отслаивание, так и машинное испытание, помогает определить качество соединения ».

ASTM International публикует Стандартные методы испытаний адгезии каучуков к жестким субстратам (ASTM D429), которые включают методы «получения сравнительных значений испытаний на адгезию производственных деталей, когда конструкция позволяет подготовить подходящие образцы для испытаний.См. Http://www.astm.org/Standards/D429.htm для получения дополнительной информации.

Когда каждый этап процесса соединения резины с металлом выполняется профессионально, конечным результатом является связанный компонент, который прочнее, чем сумма его частей. От автомобильных приложений до гидравлики и пневматики до медицинских устройств, производители используют соединение резины с металлом, чтобы гарантировать, что их наиболее важные функции не будут нарушены из-за слабого соединения.

Точные измерения энергии диссоциации связи - Химический факультет

Наконец, мы использовали тот факт, что двухатомный переходный металл с открытой d-подоболочкой молекулы имеют чрезвычайно большое количество низкоэнергетических электронных состояний, чтобы определить энергии связи с высокой точностью за счет наблюдения резкого порога предиссоциации в перегруженном вибронном спектре.Это обеспечило следующие энергии связи:

Димеры группы никеля Катионы переходных металлов:
Ni 2 2,042 (2) эВ Ti 2 + 2.435 (2) эВ
NiPt 2.798 (3) эВ В 2 + 3.140 (2) эВ
Pt 2 3,14 (2) эВ Co 2 + 2.765 (1) эВ
Co 3 + 2,086 (2) эВ
Ранние и поздние интерметаллиды: В 3 + 2.323 (1) эВ
TiCo 2.401 (1) эВ TiO + -Mn 1,763 (1) эВ
VNi 2,100 (1) эВ
YCo 2.591 (1) эВ Димеры и тримеры других металлов:
YNi 2.904 (1) эВ Rh 2 2.4059 (5) эВ
ZrCo 3.137 (1) эВ Al 3 2,701 (5) эВ
ZrNi 2,861 (1) эВ
NbCo 2.729 (1) эВ Переходный металл - Облигации основной группы:
NbNi 2.780 (1) эВ Карбиды:
TiC 3.857 (4) эВ
Алюминиды переходных металлов: ZrC 4.892 (10) эВ
AlV 1,489 (10) эВ HfC 4.426 (3) эВ
AlCr 2.272 (9) эВ ThC 5,060 (3) эВ
AlCo 1,844 (2) эВ VC 4.109 (3) эВ
AlNi 2.29 (5) эВ NbC 5,620 (4) эВ
TaC 4.975 (3) эВ
Многосвязные двухатомные металлы: WC 5.289 (8) эВ
TiV 2,068 (1) эВ FeC 3.961 (19) эВ
TiNb 3,092 (1) эВ NiC 4.167 (3) эВ
В 2 2,753 (1) эВ Нитриды:
VZr 2.663 (3) эВ VN 4.997 (2) эВ
TiZr 2,183 (1) эВ Силициды:
NbCr 3.0263 (6) эВ TiSi 2.201 (3) эВ
Zr 2 3,052 (1) эВ ZrSi 2,950 (3) эВ
CrW 2.867 (1) эВ HfSi 2,871 (3) эВ
VSi 2.234 (3) эВ
NbSi 3.080 (3) эВ
TaSi 2.999 (3) эВ
WSi 3.103 (3) эВ
FeSi 2.402 (3) эВ
РуСи 4.132 (3) эВ
OsSi 4.516 (3) эВ
CoSi 2.862 (3) эВ
RhSi 4.169 (3) эВ
IrSi 4.952 (3) эВ
NiSi 3,324 (3) эВ
PtSi 5.325 (9) эВ
Сульфиды:
VS 4.535 (3) эВ
WS 4.935 (3) эВ
FeS 3.240 (3) эВ
NiS 3.651 (3) эВ
Селениды:
TiSe 3.998 (6) эВ
ZrSe 4,902 (3) эВ
HfSe 5.154 (4) эВ
VSe 3.884 (3) эВ
NbSe 4.834 (3) эВ
TaSe 4.705 (3) эВ
FeSe 2.739 (6) эВ
NiSe 3,218 (3) эВ
Хлориды:
WCl 3.818 (6) эВ

Мы сделали намного больше вкладов, чем перечисленные здесь, часто обеспечивая качественный понимание связи в соединениях, содержащих переходные металлы. Это просто слишком много, чтобы резюмировать в такой короткой статье.

Прочность адгезионного соединения - обзор

37.3.9 Адгезионное соединение

ABS

Было проведено исследование влияния предварительной обработки вакуумной плазмой на прочность адгезионного соединения на АБС.Были использованы два типа высокопрочных эпоксидных клеев: Eccobond ® 2332 (однокомпонентный клей) и Eccobond ® 45W1 (двухкомпонентный клей). Eccobond ® 2332 отверждался в течение 1 часа при 120 ° C (248 ° F), Eccobond ® 45W1 использовался в соотношении 1: 1 с Catalyst 15 и отверждался в течение 24 часов при комнатной температуре. Образцы, обработанные плазмой, склеивали в течение одного дня после обработки плазмой.

Результаты показали, что прочность сцепления предварительно обработанных плазмой образцов в три раза выше, чем у образцов, не обработанных плазмой.

Артикул: Lippens P: Предварительная вакуумная плазменная обработка улучшает адгезию пластмасс экологически безопасным и экономичным способом. Joining Plastics 2006, Труды конференции, Лондон, Великобритания, апрель 2006 г.

GE Plastics: Cycolac GPM 6300

Было проведено исследование для определения прочности сцепления типичной матрицы пластмасс и наиболее подходящих для них клеев. Испытание на блочный сдвиг (ASTM D 4501) использовалось, потому что оно накладывает нагрузку на более толстую часть испытуемого образца; Таким образом, образец может выдерживать более высокие нагрузки до разрушения основы.Кроме того, благодаря геометрии образцов для испытаний и блокирующего приспособления для сдвига, усилия отслаивания и раскола в соединении сводятся к минимуму.

Подложки разрезали на блочные образцы для испытаний на сдвиг размером 1 дюйм × 1 дюйм × 0,125 дюйма (25,4 × 25,4 × 3,175 мм). Все склеиваемые поверхности были очищены изопропиловым спиртом. Образцы для испытаний шлифовали вручную с использованием износостойкой губки для снятия изоляции 3 М. Шероховатость поверхности определялась с помощью Surfanalyzer 4000 с расстоянием перемещения 0,03 дюйма (0,76 мм) и скоростью перемещения 0.01 дюйм / секунду (0,25 мм / с).

Хотя значения прочности сцепления в таблице 37.4 дают хорошее представление о типичных значениях прочности сцепления, которые могут быть достигнуты, а также о влиянии многих наполнителей и добавок, они также сталкиваются с рядом ограничений. Например, хотя добавки и наполнители были выбраны потому, что они считались репрезентативными для наиболее часто используемых добавок и наполнителей, существует множество типов каждой добавки и наполнителя, производимые многими разными компаниями, и разные типы одной и той же добавки или наполнителя. не может иметь такой же эффект на склеиваемость материала.Кроме того, добавки и наполнители были испытаны по отдельности в таблице 37.4, поэтому влияние взаимодействий между этими различными наполнителями и добавками на склеиваемость материалов невозможно было измерить.

Таблица 37.4. Прочность на сдвиг адгезива Cycolac GPM 6300 ABS к ABS, полученному с использованием клея, поставляемого Loctite Corporation c

Антиоксидант; ; 23.1) b
(& gt; 23.1) b 9 Стекло % Стекловолокно типа 3450 b 33850 (& gt; 23.1) b
Состав материала Клей Loctite
Black Max 380 (мгновенный клей, резина 40181 917 (Мгновенный клей, нечувствительный к поверхности) Prism 401 / Prism Primer 770 Super Bonder 414 (Мгновенный клей, общего назначения) Depend 330 (двухкомпонентный акрил без смешивания) Loctite 3105 (светоотверждаемый клей)
Смола без наполнителя 3 среднекв. 950
(6.6)
& gt; 3500 a
(& gt; 24.1) a
& gt; 3350 b
(& gt; 23.1) b
& gt; 3500 .1 () gt; a 300
(2,1)
& gt; 3500 b
(& gt; 24,1) b
Шероховатая 48 rms 14002 a 909,79
(& gt; 24.1) a
& gt; 3350 b
(& gt; 23.1) b
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
1300
(9,0)
& gt; 3500 b
(& gt; 240008)
0,1% Irgaphos 168 0,16% Irganox 245 0,04% Irganox 1076 950
(6,6)
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
& gt; 3500 a
(& gt; 24.1) a
150
(1,0)
& gt; 3500 b
(& gt; 24,1) b
УФ-стабилизатор 0,4% UV5433 10,4% UV3346 90,19 Irganox
(6,6)
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
& gt; 3350 b
(& gt; 23,1) b
& gt; & gt; 24.1) а 300
(2.1)
& gt; 3500 b
(& gt; 24,1) b
Огнестойкий 13,5% DE83R 3% Хлорез 700 S 4% 772VHT 699 950 Оксид сурьмы ; 3500 a
(& gt; 24.1) a
& gt; 3350 b
(& gt; 23.1) b
& gt; 3500 a
(& gt; 9033) 300
(2,1)
& gt; 3500 b
(& gt; 24.1) b
Средство для подавления дыма 5% борат цинка Firebrake ZB 650
(4,5)
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a 339338
& gt; 3500 a
(& gt; 24.1) a
300
(2.1)
& gt; 3500 b
.1 & gt;
Смазка 0.2% N, N'-этиленбисстеарамид 950
(6,6)
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
& gt; 3350 b
(& gt;
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
300
(2,1)
& gt; 3500 b
(& gt; 24,1) b
950
(6.6)
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
& gt; 3350 b
(& gt; 23.1) b
& gt; 2400; .1 () gt; a 300
(2,1)
& gt; 3500 b
(& gt; 24,1) b
Краситель 4% 7526 краситель 633 950
a
(& gt; 24.1) a
& gt; 3350 b
(& gt; 23.1) b
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
300
(2,1)
& gt; 3500 b
(& gt; 24,1) 28 9039 Антистатический
3% Armostat 550 & gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
& gt; 3500 a
(& gt; 24,1) a
& gt; 3500 a
(& gt; 24.1) a
300
(2.1)
& gt; 3500 b
(& gt; 24.1) b

Еще одно соображение, которое необходимо учитывать при использовании этих данных для выбора клея. Комбинация / пластик - это то, насколько хорошо метод испытания на сдвиг блока будет отражать нагрузки, которые адгезивное соединение будет испытывать в «реальных» приложениях. Клеевые соединения предназначены для максимизации растягивающих и сжимающих напряжений, а также для сведения к минимуму напряжений отслаивания и раскола, поэтому величина первых двух обычно намного больше, чем двух последних.Таким образом, прочность клея на сдвиг, как правило, наиболее важна для характеристик клеевого соединения, но поскольку все соединения испытывают некоторые напряжения отслаивания и раскола, их влияние не следует игнорировать.

Наконец, выбор лучшего клея для конкретного применения включает в себя больше, чем выбор клея, который обеспечивает наивысшую прочность сцепления. Другие факторы, такие как скорость отверждения, устойчивость к окружающей среде, термическое сопротивление, пригодность для автоматизации и цена, будут играть большую роль в определении оптимальной адгезивной системы для конкретного применения.

Эффективность клея : моментальные клеи Prism 401 и Super Bonder 414, Flashcure 4305 и Loctite 3105, светоотверждаемый акриловый клей, создавали связи, которые были прочнее, чем подложка из АБС-пластика. Прочность склеивания, достигаемая с помощью структурных клеев Speedbonder h4000 и h5500, клея 3030, эпоксидных клеев Hysol E-90FL и E-20HP и термоклея Hysol 3631, не приводила к разрушению основы, но работала исключительно хорошо. Однако добавление антистатика привело к значительному статистически значительному увеличению прочности сцепления, достигнутой на АБС.Клеи-расплавы Hysol 1942 и 7802 неизменно обеспечивают самую низкую прочность сцепления.

Обработка поверхности : придание шероховатости поверхности привело к статистически значительному увеличению прочности сцепления, достигаемой при использовании мгновенного клея Black Max 380 и клея Depend 330. Эффект придания шероховатости поверхности невозможно определить для мгновенных клеев Prism 401, Prism 4011, Super bonder 414 и светоотверждаемых клеев Loctite 3105 и 3311, поскольку связи, создаваемые этими клеями, были прочнее, чем у подложки из АБС как для обработанного, так и для необработанного АБС .Точно так же не удалось определить эффект от использования Prism Primer 770 в сочетании с мгновенным клеем Prism 401 или мгновенного клея для медицинских устройств Prism 4011 с Prism Primer 7701.

Дополнительная информация : АБС-пластик может растрескиваться под действием неотвержденных цианоакрилатных клеев, поэтому любые излишки клея следует немедленно удалить с поверхности. АБС совместим с акриловыми клеями, но их активаторы могут разрушить их до того, как клей затвердеет. Излишки активатора следует немедленно удалить с поверхности.ABS несовместим с анаэробными клеями. Рекомендуемые очистители поверхности - изопропиловый спирт и Loctite ODC Free Cleaner & Degreaser.

Артикул: Руководство по дизайну Loctite для склеивания пластмасс, Vol. 4 , Руководство по проектированию для поставщиков, Loctite Corporation, 2006.

ABS

ABS можно приклеивать в исходном состоянии с использованием анаэробных, цианоакрилатных, УФ, эпоксидных и структурных акриловых клеев.

Ссылка: Руководство для инженеров по клеям, Руководство по проектированию для поставщиков, Permabond Engineering Adhesives.

GE Plastics: Cycolac

Совместимость общих клеевых групп с АБС приведена в таблице 37.5.

Таблица 37.5. Совместимость общих адгезивных групп с ABS

9329 4 909 4
Оценка характеристик Оценка материала Рейтинги совместимости общих адгезивных групп a
Акриловые материалы

0 Ципоэтилен 917x23 917x23 918 7000 917l 918 918 b 917l 918 918 b 917l 918 918 b 917l 917 8 917 b 918 918 918

Прочность Cycolac ABS 1 4 1 3 5
Ударопрочность Cycolac ABS
Заполнение зазоров Cycolac ABS 2 1 5 3 1
Время отверждения Cycolac ABS 5
Простота применения Cyco lac ABS 3 4 1 3 2

Ссылка: Методы: склеивание, склеивание растворителем и дизайн швов , Технический отчет поставщика (# SR-401A), Borg-Warner Chemicals, Inc.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *