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

Рис. 37.2. Термомеханические кривые:

1 — аморфного полимера; 2 — кристалли­ческого; е — деформация; Т — темпера­туры

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.

НАИМЕНОВАНИЕ И СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ТЕРМОПЛАСТИ

ОТЕЧЕСТВЕННОЙ

Механические

Показа­

тель

предел прочности, МПа

Наименование

ГОСТ, ТУ

Плотность,

г/см3

текучести расплава (ПТР), г/10 мин

1

!

при растяжении

при статическом изгибе

Полиэтилен

высокого

давления

ГОСТ 16337—77Е

0,918—0,93

0,2—20 (при 190 °С)

10—17

12—17

Полиэтилен

низкого

давления

ГОСТ 16338—85

0,949—0,955

0,2—22

22—30

20—35

Полипро­

пилен

ТУ 6-05-1756—78

0,9—0,91

0,2—2,5

25—40

Капрон

ГОСТ 7850—86

1,13

65

90

Поли­

амид-66

ТУ 6-05-211-1404—85

1,14

80

100

Поливинил­

хлорид

(винипласт)

ГОСТ 9639—71

1,34—1,4

45—70

70—120

Пластикат

ПВХ

ОСТ 6-19-503—79

1,18—1,3

10—15

4—20

Полистирол

ГОСТ 20282—86Е

1,05—1,07

2—8 (прн 200 °С и на­грузке 50 Н)

40—42

100

Поли­

карбонат

ТУ 6-05-1668—80

1,2

60—70

90—100

Полнметнл-

метакрилат

ГОСТ 15809—70Е

1,206

60—70

99

Фтцро-

пласт-4(Ф-4)

ГОСТ 10007— 80Е

2,12—2,28

14—

34,5

10,7— 13,7

* Более детальный перечень пластмасс и их характеристики см. «Энциклопедию по-

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

ЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ВЫПУСКАЕМЫХ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ «

свойства

Т еплофизические свойства

Электрические

свойства

относительное удлине­ние при разрыве, %

ударная вязкость (по Шарпи без надреза), кДж/м*

твердость, НВ

!

температура плавле­ния, °С

і теплопроводность, Вт/(м — К)

диэлектрическая про­ницаемость при 10е Гц

тангенс угла диэлект­рических потерь при 10е Гц

500—600

Не разру­шается

14—25

108—115

0,296

2,2—2,3

0,0002—0,0003

300—800

То же

45—58

120—125

0,395

2,4

0,0002—0,0005

200—800

»

60—65

160—170

0,295

2,2

0,0002—0,0005

80—150

100—120

140—150

210—218

0,246

3,6—4

0,03

20—40

90—100

225—265

0,24

3,6—4

0,02

10—50

7—15 (с надре­зом)

130—160

180—220

0,13— 0,15

3,1-3,4

0,015—0,018

160—200

0,13— 0,14

3,1—3,4

2

20—22

140—160

2,7

0,0003—0,0004

50—100

120—140

100—110

220—240

2,6—

3,3

1,8—16

215

250—500

125

29,4—

39,2

327

0,25

1,9—2,1

0,0002—0,00025

лимеров», М.: Советская энциклопедия т. I, II, III, 1972.

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

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ИНТЕРВАЛ ВЯЗКОТЕКУЧЕСТИ НЕКОТОРЫХ ТЕРМОПЛАСТОВ

Материал

Температура теку­чести гт, °С

Температура дест­рукции Гд, °С

Полиэтилен (ПНД)

130—135

230

Полипропилен (ПП)

175—180

250

Полнвиннлхлорнд (ПВХ)

180—200

140

Пентапласт (ПТП)

190—195

230—240

Полистирол (ПС)

150—160

220—230

Полиметилмегакрилат (ПММА)

175—180

170—180

Фторлон 4М (Ф)

285—300

350

Рис 37 3 Параметры, характеризую­щие вязкость полимера в температур­ном интервале вязкотекучести Гт—температура текучести Гд—тем­пература деструкции

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

ТАБЛИЦА 37 З КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАСТМАСС ПО СВАРИВАЕМОСТИ

Группа свариваемости

Темпера­турный интервал А Г, °С

Вязкость Timin, Па с

Градиент вязкости Па с/10 “С

Хорошо сваривающиеся

50

10*—10*

<5

Удовлетворительно сваривающиеся

50

104—10е

>10

Ограниченно сваривающиеся

50

10*—10*

>15

Трудно сваривающиеся

Температура деструкции ниже темпе­

ратуры текучести

10й—10й

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.