Фторопласты

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Процессы, происходящие при сварке фторсодержащих полимер­ных материалов, аналогичны процессам, протекающим при сварке других термопластов, однако имеют ряд характерных особенностей. Сварка-это процесс образования соединения за счет контакта активированных нагревом поверхностей. В свароч­ной зоне при этом происходит активация свариваемых поверх­ностей, взаимодействие свариваемых поверхностей при их кон­такте, формирование структуры материала в зоне контакта.

При нагреве свариваемых поверхностей повышается энергия теплового движения макромолекул и при температурах, близких к температуре текучести, начинается движение сегментов, приво­дящее к перемещению макромолекул друг относительно друга.

Иногда процессу активации сопутствуют и другие явления, обусловленные специфическими особенностями применяемых источников энергии: смещение диполей под воздействием высо­кочастотного электрического поля при ВЧ сварке, механические колебания ультразвуковой частоты при сварке ультразвуком и др. Для активации свариваемых поверхностей растворимых полимеров могут быть использованы также растворители, а при химической сварке-вещества, вступающие в химическое взаимо­действие со свариваемым материалом.

Процессы взаимодействия активированных свариваемых по­верхностей при их контакте наиболее важны, поскольку именно они ответственны за свойства сварного соединения. В процессе образования сварных соединений происходит формирование надмолекулярной структуры в зоне контакта, которая должна быть максимально приближенной к структуре основного ма­териала.

Механизм образования сварных соединений при сварке фтор- полимеров, как и других термопластов, зависит от температуры сварки. При температуре ниже температуры текучести полимера (при сварке полимеров типа фторопласта-4) свариваемые поверх­ности находятся в высокоэластическом состоянии и образование сварных соединений обусловлено главным образом диффузией сегментов через границу раздела. Прочность сварных соединений в этом случае возрастает с повышением температуры и увеличе­нием продолжительности сварки. Зависимость прочности от температуры сварки имеет экспоненциальный характер и описы­вается уравнением

<тр = а0вТт,

Где ст - прочность сварного соединения при расслаивании; II - энергия активации; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура сварки; а0 - константа.

Образование прочных соединений в процессе сварки при температуре ниже температуры текучести возможно только при длительном контакте свариваемых поверхностей [6, 7]. При этом в сварных швах сохраняется граница раздела и при определенных режимах нагружения может происходить расслаивание соедине­ния по этой границе.

Фторопласт-4 при температуре сварки (380-390°С) находится в так называемом «перегретом» состоянии. Температура плавле­ния кристаллической фазы полимера составляет 327°С, однако при более высоких температурах, в противоположность обыч­ным кристаллическим термопластам, полимер не переходит в вязкотекучее состояние. Это обусловлено высокой жесткостью макромолекул полимера из-за большого атомного радиуса фтора по сравнению с атомным радиусом водорода, что приво­дит к напряжению связей углеродной цепи полимера и препятст­вует их свободному сворачиванию [14]. В кристаллическом

Состоянии макромолекулы полимера укладываются в чрезвычай­но компактную надмолекулярную структуру (плотность полиме­ра близка к плотности алюминия и составляет 2,3 г/см3) и при переходе полимера в высокоэластическое аморфное состояние сохраняется ближний порядок в укладке макромолекул, что не позволяет последним сворачиваться, делая невозможным течение полимера. Однако перегрев материала настолько велик, что под действием теплового движения при смещении сегментов макро­молекул становятся возможными разрывы основных цепей макромолекул по связям С—С, Этот процесс из-за тесного окружения места разрыва соседними макромолекулами вплоть до температур активной деструкции имеет равновесный харак­тер, при котором каждый образовавшийся радикал либо реком­бинирует, либо образует связь с соседними радикалами [15].

Это явление постоянного образования радикалов и их восста­новления (рекомбинации) в значительной степени облегчает условия протекания диффузии, а также делает возможным образование химических связей через границу раздела по ради­кальному механизму.

Если полимер переходит в расплавленное состояние (как это имеет место в случае большинства плавких фториолимеров), сварка происходит быстро, и продолжительность процесса иногда исчисляется секундами. Прочность получаемых при этом сварных соединений мало зависит от температуры расплава и продолжительности сварки. В сварных швах отсутствуют границы раздела соединяемых поверхностей, швы практически не разрушаются по первоначальной плоскости контакта. Надмоле­кулярная структура материала шва отличается от структуры исходного материала и зависит от условий охлаждения расплава.

Согласно выдвинутой К. И. Зайцевым реологической концеп­ции, механизм образования соединений при этом включает два этапа [16]. На первом этапе происходит макроскопическое течение полимера, при котором из зоны контакта вытесняются ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул (воздушная прослойка, окисленные и дефектные слои), при этом возможно также перемешивание расплава. На втором этапе между сблизившимися макромолекулами возникает межмолеку - лярное взаимодействие, а также происходит взаимная диффузия, обусловленная энергетическим потенциалом и неравномер­ностью теплового поля в месте соединения. При контакте расплавленных поверхностей напряжение сдвига, создаваемое усилием прижима, вызывает перемещение (сдвиг) слоев расплава. Это перемещение способствует окончательному удалению из зоны соединения воздушных прослоек и других инородных включений и приводит к выдавливанию расплава из зоны соединения, что и обеспечивает качественную сварку. Диффузия участков молекулярных цепей и целых макромолекул, а также их разрыв и рекомбинация могут иметь место, однако эти процессы протекают в микрообъемах и являются вторичными.

Высокие прочностные показатели сварных соединений обус­ловливаются главным образом процессами течения и перемеши­вания макрообъемов расплава, что подтверждается влиянием температуры расплава и давления на скорость сдвига расплава. Получение сварных соединений с максимальной прочностью при сварке в вязкотекучем состоянии возможно только при обеспече­нии оптимальной скорости сдвига расплава.

Вязкость фторполимеров, находящихся в вязкотекучем состо­янии, как правило, достаточно высока (Ю3- 108 Па*с). За время нахождения расплава при температуре сварки в материале часто успевают произойти химические и структурные изменения, приводящие к сильному охрупчиванию сварного шва и около - шовной зоны.

Исследования, проведенные на пленках фторопласта-4М и -4МБ с различными показателями текучести расплава (0,5- 20 г/10 мин при 300°С), показали, что соединения с максималь­ной г прочностью могут быть получены только при ПТР = «= 2-9 г/10 мин. Уменьшение ПТР затрудняет сварку и вызывает необходимость повышения либо температуры сварки, либо давления. Для пленок с ПТР = 1 г/10 мин даже при максимально высоких температурах и давлениях получить нерасслаивающиеся сварные соединения невозможно. Сварные соединения пленок с высоким значением ПТР хрупко разрушаются при растяжении практически без деформации. При этом пониженная деформа - тивность сварных соединений начинает наблюдаться при значи­тельно меньших ПТР, чем пониженная прочность. Так, сварное соединение из пленок фторопласта-4МБ с ПТР = 5 г/10 мин разрушаются при очень малых деформацйях, в то время как пониженная прочность соединений при расслаивании наблюдает­ся только для пленок с ПТР = 9 г/10 мин. Низкая прочность сварных соединений из фторопластовых пленок с высоким ПТР обусловлена их повышенной хрупкостью, проявляющейся при условиях нагружения, характерных для испытания сварных соединений на расслаивание.

При сварке пленок из фторопласта-4МБ и -40 расплав, вытекающий из зоны соединения, в ряде случаев не сплавляются с околошовной зоной, что снижает прочность соединений, особенно при изгибающих нагрузках. Вероятность этого особен­но велика в случае пленок, для которых характерно быстрое увеличение ПТР с повышением температуры в интервале темпе­ратур сварки. Таким образом, свариваемость полимера зависит не только от их реологических характеристик, но и от степени изменения вязкости расплава (градиента вязкости) в интервале температур сварки*

Со значительными трудностями сопряжена сварка фторо­пласта-26 и -4НА. Эти полимеры по свойствам занимают промежуточное положение между пластиками и каучуками и имеют высокую вязкость расплава (107-108 Па*с). Сварные соединения фторопласта-26, полученные термоконтактной и высокочастотной сваркой, даже при температурах, близких к температуре термодеструкции полимера, расслаиваются по первоначальной плоскости контакта при напряжениях, не пре­вышающих 20-30% прочности пленок. Для сварки пленок из фторопласта-26 предложено использовать энергию сверхвысокой частоты (СВЧ). При этом за счет заметного снижения вязкости расплава можно получать нерасслаивающиеся сварные соеди­нения за 2-3 с.