СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПЛАСТМАССЫ (Зайцев К. И.)

37.1. Состав и свойства

37.1.1. Получение пластмасс

Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических нли ес­тественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимериза­ции или поликондеисацни мономеров в присутствии катализаторов при строго определенных температурных режимах и давлениях.

В полимер с различной целью могут вводиться наполнители, стабили­заторы, пигменты, могут составляться композиции с добавкой органических и неорганических волокон, сеток и тканей.

Таким образом, пластмассы в большинстве случаев являются многоком­понентными смесями и композиционными материалами, у которых техноло­гические свойства, в том числе н свариваемость, в основном определяются свойствами полимера.

В зависимости от поведения полимера при нагревании различают два вида пластмасс — термопласты, материалы, которые могут многократно на­греваться и переходить прн этом из твердого в вязкотекучее состояние, и реактопласты, которые могут претерпевать этот процесс лишь однократно.

37.1.2. Особенности строения

Пластмассы (полимеры) состоят из макромолекул, в которых более или ме­нее регулярно чередуется большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в длинные цепи, по форме которых различают линейные полимеры, разветвленные и сетчато­пространственные.

По составу макромолекул полимеры делятся на три класса:

1) карбоцепные, основные цепи которых построены только из углерод­ных атомов;

2) гетероцепные, в основных цепях которых, кроме атомов углерода, содержатся атомы кислорода, азота, серы;

3) элементоорганические полимеры, содержащие в основных цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана н других элементов.

Макромолекулы обладают гибкостью и способны изменять форму под влиянием теплового движения их звеньев или электрического поля. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы от­носительно друг друга. Не перемещаясь в пространстве, каждая макромо­лекула находится в непрерывном движении, которое выражается в смене ее конформаций.

Гибкость макромолекул характеризует величина сегмента, т. е. число звеньев в ней, которые в условиях данного конкретного воздействия на по­лимер проявляют себя как кинетически самостоятельные единицы, например в поле ТВЧ как диполи. По реакции к внешним электрическим полям раз­личают полярные (ПЭ, ПП) и неполярные (ПВХ, полиаксилонитрнл) по­лимеры. Между макромолекулами действуют силы притяжения, вызванные ваи-дер-ваальсовьш взаимодействием, а также водородными связями, ион­ным взаимодействием. Силы притяжения проявляются при сближении макро­молекул на 0,3—0,4 нм.

Полярные и неполярные полимеры (пластмассы) между собой несов­местимы— между их макромолекулами не возникает взаимодействия (при­тяжения), т. е. они между собой не свариваются.

37.1.3. Надмолекулярная структура, ориентация

По структуре различают два вида пластмасс — кристаллические и аморфные. В кристаллических в отличие от аморфных наблюдается не только ближ­ний, но и дальний порядок. Прн переходе из вязкотекучего состояния в твер­дое макромолекулы кристаллических полимеров образуют упорядоченные ассоциации-кристаллиты преимущественно в виде сферолитов (рнс. 37.1). Чем меньше скорость охлаждения расплава термопласта, тем крупнее вы­растают сферолиты. Однако и в кристаллических полимерах всегда оста­ются аморфные участки. Изменяя скорость охлаждения, можно регули­ровать структуру, а следовательно, и свойства сварного соединения.

Резкое различие продольных и поперечных размеров макромолекул при­водит к возможности существования специфического для полимеров ориен­тированного состояния. Оно характеризуется расположением осей цепных макромолекул преимущественно вдоль одного направления, что приводит к проявлению анизотропии свойств изделия из пластмассы. Получение ори­ентированных пластмасс осуществля­ется путем их одноосной (5—10-крат­ной) вытяжкн при комнатной или повышенной температуре. Однако прн нагреве (в том числе и при свар­ке) эффект ориентации снижается или исчезает, так как макромолеку­лы вновь принимают термодинамиче­ски наиболее вероятные конфигура­ции (конформации) благодаря эн­тропийной упругости, обусловленной движением сегментов.

Рис. 37.1. Фрагмент сферолитной структуры кристаллического термопласта (полипро­пилена)

37.1.4. Реакция пластмасс на термомеханический цикл

Все конструкционные термопласты прн нормальных температурах находятся в твердом состоянии (кристаллическом нлн застеклованном). Выше темпе­ратуры стеклования (Тст) аморфные пластмассы переходят в эластическое (резиноподобное) состояние. Прн дальнейшем нагреве выше температуры плавления (Тпл) кристаллические полимеры переходят в аморфное состоя­ние. Выше температуры текучести Тт и кристаллические, и аморфные пласт­массы переходят в вязкотекучее состояние Все эти изменения состояния обычно описываются термомеханическимн кривыми (рнс. 37.2), являющи­мися важнейшими технологическими характеристиками пластмасс. Образо­вание сварного соединения происходит в интервале вязкотекучего состоя­ния термопластов. Реактопласти при нагреве выше Гт претерпевают ради­кальные процессы и в отличие от термопластов образуют пространст­венные полимерные сетки, не способ­ные к взаимодействию без их разрушения, на что требуется при­менение специальных химических

присадок

37.1.5. Основные пластмассы для сварных конструкций (табл. 37.1)

Наиболее распространенными конст­рукционными пластмассами являют­ся группы термопластов на основе полиолефинов: полиэтилена высокого и низкого давления, полипропилена, полиизобутилена [1].

Полиэтилен [..—СН2—СН2—.. ,]п высокого и низкого давления — кристаллические термопласты, отличающиеся между собой прочностью, жест­костью, температурой текучести. Полипропилен [—СН2—СН(СН3)—]„ более температуростоек, чем полиэтилен, и обладает большей прочностью н жест­костью.

В значительных объемах используются хлорсодержащие пластики на ос­нове полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.

Поливинилхлорид (ПВХ) [—(СН2—СНС1—)]п — аморфный полимер ли­нейного строения, в исходном состоянии является жестким материалом При добавке к нему пластификатора можно получить очень пластичный и хо - ■ рошо сваривающийся материал — пластикат. Из жесткого ПВХ — винипла­ста — изготавливают листы, трубы, прутки, а из пластиката — пленку, шланги и другие изделия. Из ПВХ изготавливаются также вспененные мате­риалы (пенопласты).

Значительную группу полимеров и пластмасс на их основе составляют полиамиды, содержащие в цепи макромолекул амидные группы [—СО—Н—]. Это в большинстве кристаллические термопласты с четко выраженной тем­пературой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным образом алифатические полиамиды, используемые для изготовления воло­кон, отливки деталей машин, получения пленок. К полиамидам относятся, в частности, широко известные поликапролактам н полнамид-66 (капрон).

Наибольшую известность из группы фторлонов получил политетрафтор - этнлен-фторлон-4 (фторопласт 4). В отличие от-других термопластов при нагреве он< не переходит в вязкотекучее состояние даже при температуре деструкции (около 415 °С), поэтому его сварка требует особых приемов [1]. В настоящее время химической промышленностью освоен выпуск хорошо сваривающихся плавких фторлонов: Ф-4М, Ф-40, Ф-42 и др. Сварные кон -

струкцин из фторсодержащих пластиков обладают исключительно высокой стойкостью к агрессивным средам и могут воспринимать рабочие нагрузки в широком диапазоне температур.

На основе акриловой и метакриловой кислоты производятся акрило­вые пластики. Наиболее известная в практике производная на их основе — пластмасса полнметилметакрилат (торговая марка «плексиглас»). Эти пластики, обладающие высокой прозрачностью, используются как свето­проводящие изделия (в виде листа, прутков и т. д.) Нашли применение также сополимеры метилметакрилата и акрилонитрила, которые обладают большей прочностью н твердостью. Все пластики этой группы хорошо сва­риваются

Хорошей прозрачностью отличается группа пластиков на основе поли­стирола. Этот линейный термопласт хорошо сваривается тепловыми спосо­бами

Для изготовления сварных конструкций преимущественно в электротех­нической промышленности используют сополимеры стирола с метнлстиро - лом, акрилоннтрилом, метилметакрилатом и, в частности, акрнлонитрилбута - диенстирольные (АБС) пластики. Последние отличаются от хрупкого поли­стирола более высокой ударной прочностью и теплостойкостью.

В сварных конструкциях находят применение пластмассы на основе по­ликарбонатов — сложных полиэфиров угольной кислоты. Они обладают более высокой вязкостью расплава, чем другие термопласты, однако свариваются удовлетворительно. Из них изготавливают пленки, листы, трубы и раз­личные детали, в том числе декоративные. Характерными особенностями яв­ляются высокие диэлектрические и поляризационные свойства.

37.1.6. Механические и служебные свойства пластмасс (табл. 37.1) и{1]

37.2. Формообразование деталей из пластмасс

Термопласты поставляются для переработки в гранулах размером 3—5 мм. Основными технологическими процессами изготовления полуфабрикатов и деталей из них являются: экструзия, литье, прессование, каландрирование, производимые в температурном интервале вязкотекучего состояния.

Трубопроводы из полиэтиленовых и поливинилхлоридных труб приме­няют дляї транспорта агрессивных продуктов, в том числе иефти и газа с содержанием сероводорода и углекислоты и химических (неароматнче - ских) реагентов в химическом производств?. Резервуары и цистерны для перевозки кислот и щелочей, травильные ванны и другие сосуды облицо­вываются пластмассовыми листами, соединяемыми с помощью сварки Гер­метизация пластикатом помещений, загрязняемых изотопами, покрытие по­лов линолеумом также осуществляются с помощью сварки. Консервация пищевых продуктов в тубы, коробки и банки, упаковка товаров и почто­вых посылок резко ускоряются с применением сварки.

Машиностроительные детали. В химическом машиностроении сварива­ются корпуса и лопатки различного рода смесителей, корпуса и роторы на­сосов для перекачки агрессивных сред, фильтры, подшипники и прокладки из фторопласта, из полистирола сваривается осветительная арматура, из капрона неэлектропроводные шестерни, валики, муфточки, штоки, из фтор - лона — несмазывающиеся подшипники, вытеснители топлива и т д.

37.3. Оценка свариваемости пластмасс

37.3.1. Основные стадии процесса сварки

Процесс сварки термопластов состоит в активации свариваемых поверхностей деталей, либо находящихся уже в контакте (сварка ТВЧ, СВЧ), либо приводимых в контакт после (сварка

нагретым инструментом, газом, ИК-излучением и т. д.) или од­новременно с активизацией (сварка трением, УЗ-сварка) (см. т. II «Способы сварки пластмасс»). При плотном контакте активированных слоев должны реали­зоваться силы межмолекулярного взаимодействия. В процессе образования сварных соединений (при охлажде­нии) происходит формирование надмолекулярных структур

в шве, а также развитие полей собственных напряжений и их релаксация. Эти конкурирующие процессы определяют конеч­ные свойства сварного соединения. Технологическая задача сварки состоит в том, чтобы максимально приблизить по свой­ствам шов к исходному — основному материалу.

37.3.2. Механизм образования сварных соединений

Реологическая концепция. Согласно реологической концепции [2], механизм образования сварного соединения включает два этапа — на макроскопическом и микроскопическом уровнях. При сближении под давлением активированных тем или иным способом поверхностей соединяемых деталей вследствие сдвиго­вых деформаций происходит течение расплава полимера. В ре­зультате этого удаляются из зоны контакта ингредиенты, пре­пятствующие сближению и взаимодействию ювенильных макро­молекул (эвакуируются газовые, окисленные прослойки). Вслед­ствие разности скоростей течения расплава не исключено и перемешивание макрообъемов расплава в зоне контакта. Только после удаления или разрушения дефектных слоев в зоне кон­такта, когда ювенильные макромолекулы сблизятся на расстоя­ния действия Ван-дер-Ваальсовых сил, возникает взаимодейст­вие (схватывание) между макромолекулами слоев соединяемых поверхностей деталей. Этот аутогезионный процесс происходит на микроуровне. Он сопровождается взаимодиффузией макро­молекул, обусловленной энергетическим потенциалом и неравно­мерностью градиента температур в зоне свариваемых поверх­ностей.

Итак, чтобы образовалось сварное соединение двух поверх­ностей, необходимо прежде всего обеспечить течение расплава в этой зоне.

Течение расплава в зоне сварки зависит от его вязкости: чем меньше вязкость, тем активнее происходят сдвиговые деформа­ции в расплаве — разрушение и удаление дефектных слоев на контактирующих поверхностях, тем меньшее давление необхо­димо прилагать для соединения деталей.

Вязкость расплава в свою очередь зависит от природы пла­стмассы (молекулярной массы, разветвленности макромолекул полимера) и температуры нагрева в интервале вязкотекучести. Следовательно, вязкость может служить одним из признаков, определяющих свариваемость пластмассы: чем она меньше в ин­тервале вязкотекучести, тем лучше свариваемость и, наоборот, чем больше вязкость, тем сложнее разрушить и удалить из зоны контакта ингредиенты, препятствующие взаимодействию макро­молекул. Однако нагрев для каждого полимера ограничен опре­деленной температурой деструкции ТА, выше которой происхо­дит его разложение — деструкция. Термопласты различаются по

граничным значениям темпера­турного интервала вязкотекуче - сти, т. е. между температурой их текучести Тт и деструкции Гд (табл. 37.2).

Классификация термопластов по их свариваемости. Чем шире интервал вязкотекучести термо­пласта (рис. 37.3), тем практи­чески проще получить каче­ственное сварное соединение, ибо отклонения по температуре в зоне шва отражаются менее на величине вязкости. Наряду с интервалом вязкотекучести и ми­нимальным уровнем в нем значений вязкости заметную роль играет в реологических процессах при образовании шва гра­диент изменения вязкости в этом интервале. За количествен­ные показатели свариваемости приняты: температурный интер­вал вязкотекучести АТ, минимальное значение вязкости rjmin и градиент изменения вязкости в этом интервале [2].

По свариваемости все термопластичные пластмассы можно разбить по этим показателям на четыре группы (табл. 37.3).

Сварка термопластичных пластмасс возможна, если мате­риал переходит в состояние вязкого расплава, если его темпе­ратурный интервал вязкотекучести достаточно широк, а гра­диент изменения вязкости в этом интервале минимальный, так как взаимодействие макромолекул в зоне контакта происходит по границе, обладающей одинаковой вязкостью.

В общем случае температура сварки назначается, исходя из анализа термомеханической кривой для свариваемой пласт­массы, принимаем ее на 10—15° ниже Тл [1]. Давление прини­мается такое, чтобы эвакуировать расплав поверхностного слоя

в грат либо разрушить его, исходя из конкретной глубины про­плавления и теплофизических показателей свариваемого мате­риала. Время выдержки tCB определяется исходя из достижения квазистационарного состояния оплавления и проплавления либо Q

по формуле tCB = t0eRT, где t0 — константа, имеющая размер­ность времени и зависящая от толщины соединяемого мате­риала и способа нагрева; Q — энергия активации; R — газовая постоянная; Т — температура сварки.

При экспериментальной оценке свариваемости пластмасс фундаментальным показателем является длительная прочность сварного соединения, работающего в конкретных условиях по сравнению с основным материалом.

Испытываются образцы, вырубленные из сварного соедине­ния, на одноосное растяжение. При этом временной фактор мо­делируется температурой, т. е. используется принцип темпера­турно-временной суперпозиции, основанный на допущении, что при данном напряжении связь между длительной прочностью и температурой однозначна (метод Ларсона-Миллера).

37 3.3. Методы повышения свариваемости

Схемы механизма образования сварных соединений терно - пластов [2]. Повышение их свариваемости может производиться за счет расширения температурного интервала вязкотекучести, интенсификации удаления ингредиентов или разрушения де­фектных слоев в зоне контакта, препятствующих сближению и взаимодействию ювенильных макромолекул.

Возможно несколько путей:

введение в зону контакта присадки в случае недостаточного количества расплава (при сварке армированных пленок), при сварке разнородных термопластов присадка по составу должна обладать сродством к обоим свариваемым материалам;

введение в зону сварки растворителя или более пластифици­рованной присадки;

принудительное перемешивание расплава в шве путем сме­щения соединяемых деталей не только вдоль линии осадки, но и возвратно-поступательно поперек шва на 1,5—2 мм или нало­жением ультразвуковых колебаний. Активизация в зоне кон­такта перемешивания расплава может производиться после оп­лавления стыкуемых кромок нагревательным инструментом, имеющим ребристую поверхность. Свойства сварного соедине­ния могут быть улучшены последующей термической обработ­кой соединения. При этом снимаются не только остаточные на­пряжения, но возможно исправление структуры в шве и около­шовной зоне, особенно у кристаллических полимеров. Многие из изложенных мероприятий приближают свойства сварных соеди­нений к свойствам основного материала.

При сварке ориентированных пластмасс во избежание потери их прочности вследствие переориентации при нагреве до вязко­текучего состояния полимера применяют химическую сварку, т. е. процесс, при котором в зоне контакта реализуются ради­кальные (химические) связи между макромолекулами. Химиче­скую сварку применяют и при соединении реактоплдстов, детали из которых не могут переходить при повторном нагреве в вязко­текучее состояние. Для инициирования химических реакций в зону соединения при такой сварке вводят различные реагенты в зависимости от соединяемого вида пластмасс [1]. Процесс хи­мической сварки, как правило, производится при нагреве места сварки.