Вязкоупругие свойства и релаксационные процессы в полимерах
18.04 вторая часть лекции
Прочность сварных соединений примерно равна 90-100% прочности основного материала. Данный способ используют при изготовлении труб из листового полиэтилена, для соединения труб встык, при варки фланцев к трубам, для герметизации мягкой полимерной тары и упаковок.
При контактном способе нагрев свариваемых деталей осуществляется:
Нагреватель соприкасается с наружной поверхностью изделия и теплота передается через всю толщину (способ пригоден для изделий из пленок и тонких листов)
Нагреватель соприкасается непосредственно со свариваемыми поверхностями (можно сваривать более толстые изделия: пластмассовые трубы, для сварки пластмассовых конструкций и тд)
Сварка путем нагрева наружной поверхности осуществляется нагревателем, который одновременно спрессовывают соединяемые детали (по-другому сварка называется “контактно-тепловая прессованием”). Может проводиться с одно и двухсторонним нагревом.
Одна из разновидностей термоконтактных сварок - термоимпульсная сварка. Применяется для соединения термопластичных пленок (полистирол). Отличается от сварки прессования тем, что для ее осуществления используются металлические ленты с большим электрическим сопротивлением, которое, нагреваясь импульсом электрического тока, разогревает свариваемых материал за доли секунды. Охлаждение осуществляется под давлением. Охлаждаемые поверхности не прилипают к нагревательному инструменту.
Термоимпульсная сварка может быть также с односторонним и двухсторонним нагревом.
Сварка нагретым присадочным материалом.
Свариваемые поверхности нагреваются и между ними непрерывно подается расплавленный присадочный материал. Такая сварка ещё называется “сварка экструдируемой присадкой” (присадочный материал может поступать непрерывно из экструдера или периодически из литьевой машины). Данным видом сварки сваривают пластмассы, имеющие низкую температуру перехода в вязко-текучее состояние, имеющее низкую температуру текучести. При этом присадочные и свариваемые материалы должны быть одним и тем же (одинаковыми). Данный вид используется для сварки листов, пленок, труб.
Сварка с помощью ИК излучения
Основана на превращении лучистой энергии в тепловую внутри соединяемых материалов. Данным способом сваривают почти все пленки, не требующие больших давлений. Прочность соединений, полученных данным видом сварки выше, чем сварка нагретым инструментом, тк материал не подвергается термоокислительной деструкции. Ик-излучение имеет электромагнитную природу. Ик-лучи, как и видимый свет, отражаются, преломляются и приглашаются другими телами. Сварка основана на способности ИК-лучей отдавать свою энергию поглощающим телам. По степени поглощения материала и ИК судят о нагреве его лучистой энергией.
Схема нагрева полимерного материала ИК-излучения
Источник излучения испускает световые и ИК-лучи, которые частично отражаются, образуя отраженную часть излучения; часть поглощается, образуя тепловую энергию внутри материала; а часть лучей проходит в облучаемое тело и составляет пропущенную часть.
Для лучистого нагрева характерно:
Наличие воздушной среды, которая характеризуется низкой теплопроводностью, следовательно потеря теплоты и нагрев воздуха минимальны, КПД нагревателя высокий.
Отсутствие прямого контакта между нагревателем (излучателем) и нагреваемым материалов
Имеется зависимость оптических характеристик материалов от спектрального состава лучистого потока, что позволяет в некоторых пределах управлять режимами лучистого нагрева, т.е. каждый материал характеризуется определенным ИК-спектром, и если спектр совпадает с ИК-излучением, излучение поглощается, происходит нагрев, и наоборот.
По ухудшению степени прозрачности при воздействии ИК лучей полимеры располагаются в следующем порядке: фторопласты, полиолефины, ПВХ, ПЭТ, полиамиды, пентопласты. Степень поглощения и ИК лучей зависит от молекулярной структуры материала, от наличия добавок, которые могут существенно изменять поглощательную способность полимеров. Важную роль играют для интенсификации данного вида сварки подложка. Она должна хорошо поглощать ИК излучение, при этом она, нагреваясь, передаёт тепло, прозрачным для ИК излучения материалом, кроме этого она должна быть достаточно упругой. В большинстве случаев полимерные плёнки считаются в некоторой степени прозрачной для ИК излучения. Для таких плёнок излучение нагревает подложку и за счёт теплопроводности нагревается материал. Скорость сварки зависит от интенсивности и плотности энергии излучения, степени поглощения ИК излучения материалом, толщиной свариваемого материала и типа подложек.
Высоко-частотная сварка (или сварка ТВЧ - токами высокой частоты)
Сварка в поле токов высокой частоты основана на генерации теплоты в соединяемых полимерных изделиях. Основное условие для нагрева материала - наличие в его молекулах звеньев, имеющих дипольное строение и способных поляризоваться под действием внешнего поля . (Диполь - система разноименных зарядов)
Поляризация молекул в поле ТВЧ происходит вслед за изменением направления электрического поля и с той же частотой, но с некоторым запаздыванием. Запаздывание свидетельствует о том, что молекулы продолжают преодолевать силы, препятствующие смещению зарядов и ориентации диполи, на что требуется затраты энергии. Эта энергия преобразуется в тепловую, причем тепловыделение происходит во всем объеме материала. Интенсивность теплообразования зависит:
от характеристик внешнего поля (напряжённости и частоты)
От силы тока
От свойств материала
Чтобы охарактеризовать способность полимера нагреваться в электрическом поле - ввели величину - фактор диэлектрических потерь, равный произведению диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерь.
Токами высокой частоты сваривают полимеры, у которых К больше, чем 1/100
Сюда относится ПВХ, ПВА, ПА, эфиры целлюлозы, полиуретаны, полиметилметакрилаты (все пластики с определенной полярностью). Низкий фактор потерь у полиэтилена, полистирола, ПЭТФ и др - это хорошие, высокочастотные диэлектрики. Чтобы их сварить ТВЧ токами высокой частоты - необходимо доп приспособление, поэтому их так не сваривают.
Расходуемое на поляризацию молекул полимеров при сварке энергия определяет весь ход процесса. Здесь не имеют значения ни размеры полимера, теплопроводность материала, поскольку тепловыделение идёт по всему объему независимо от толщины и теплопроводности. Это принципиальное отличие от других видов сварки. Нагрев места сварки происходит очень быстро и относительно равномерно по толщине. При сварке ТВЧ можно не применять присадочные материалы.
Способы сварки ТВЧ:
Прессовые
Роликовые
Точечные
1 и 2 способов используются для получения непрерывных швов. В качестве примера -использование для хранения медицинских изделий и препаратов.
Ультразвуковая сварка.
Основана на том, что УЗ колебания вызывают механические высокочастотные колебания в свариваемых деталях, которые преобразуются в тепловую энергию, идущую на образование шва между свариваемыми поверхностями. Колебания вырабатываются генератором, преобразуются в механические с помощью электроакустического преобразователя. В данном случае механические колебания и давления режима действуют по одной линии, перпендикулярной к свариваемым поверхностям.
Процесс образования соединения условно делят:
Нагрев соединяемых материалов до вязко-текучего состояния
Между нагретыми поверхностями контакта возникают связи, обуславливающие получение неразъемного соединения. Оценкой процесса образования соединения сварки может служить характеристика интенсивности поглощения полимерами УЗ колебаний и температура их плавления. Об этом судят по коэффициенту затухания колебания, характеризующему интенсивность поглощения энергий механических УЗ колебаний в зависимости от физ мех свойств материала,
где Ф - частота колебаний, е - модуль упругости, ро - плотность среды, ню - коэффициент внутреннего трения
Чем больше Бетта (коэф затухания), тем меньше энергия будет подводиться к границе раздела свариваемых деталей, тем меньшую толщину должны иметь детали для получения надёжных соединений.
В зависимости от Бетта, пластмассы делятся на 3 группы
B < 0,35 см (-1)
E = 3×10
B
Первая группа - жёсткие полимеры, жёсткие пластмассы, хорошо свариваются. Полистирол, ПММК, сополимеры стирола
Полужесткие пластмассы. Свариваются пластики, имеющие толщину до 10 мм, продолжительность сварки увеличивается. Сюда относят ПП, жёсткий ПВХ, ПЭТ, поликарбонаты
Мягкие пластмассы. Свариваются толщиной не более 1-2 мм, сложно свариваются, прочность соединения незначительная. ПЭ высокой и низкой плотности, фторопласты. Контактная УЗ сварка. Контактная - передаваемая механическая энергия от волновода равномерно распределяется по всей поверхности контакта. Передаточная - механические колебания вводятся в определенной точке или на небольшом участке поверхности. В этом случае передача и распределение механической энергии зависит от упругих свойств материала.
УЗ сварка может быть прессовая и непрерывная.
Основные технологические параметры
Амплитуда смещения конца рабочего инструмента
частота колебаний
Давление прижима
Продолжительность сварки
Одно из преимуществ УЗ сварки - необязательно очищать поверхность, можно сваривать загрязненные поверхности
Сварка- трение
Осуществляется вследствие трения соединяемых деталей, в результате возникают свободные радикалы на поверхности, и как следствие - сварка поверхностей.
Сварка-флюсом
Флюс - спец вещество. Изготавливают его, тщательно перемешивая фтор-углеродное масло и фторопласт 4. Перед сваркой на поверхности детали наносится слой флюса, далее поверхности прижимаются под давлением, затем их нагревают и выдерживают до полного удаления фтор-углеродного масла. Остатки флюса удаляются.
Ядерная сварка
Поверхности облучаются нейтронами. В результате ядерных реакций на поверхности происходит их нагрев и соединение.