7. Сварка пластмасс

Сварка пластмасс – это технологический про­цесс получения неразъемного соединения дета­лей и элементов конструкции из пластмасс, основанный на диффузионно-реологических и (или) химических процессах, которые протекают в зоне соединяемых поверхностей при их нагреве или без нагрева и (или) механических воздействий. В ре­зультате сварки между соединяемыми поверхностя­ми исчезает первоначальная граница раздела, превращаясь в межфазный слой с однородной или разнородной химической структурой. В зависимости от механизма сварки выделяют диффузионно-реологическую сварку и химическую сварку, а в зависимости от вида используемой при сварки пластмасс энергии и способа ее передачи к соединяемым поверхностям способы сварки пластмасс разделяются на классы: термический, термомеханический, механический и электромеханический. Прочность связи между сваренными слоямя определяется когезионной прочностью пластмасс¹³ и условиями нагружения.

Итак, сваркой называют способ создания неразъемного соеди­нения элементов конструкции, при котором полностью исче­зает граница раздела между соединяемыми поверхностями, превращаясь в размытый переходный слой.

Переходный слой при сварке линейных или разветвленных полимеров образуется в результате взаимной диффузии макро­молекул контактирующих материалов, находящихся в вязкоте-кучем состоянии (диффузионная сварка), или в результате хими­ческой реакции присоединения, происходящей между звеньями молекул соединяемых поверхностей (химическая сварка).

Диффузионную сварку разделяют на тепловую, осуществля­емую путем нагревания, и на сварку с помощью растворителя.

Процесс диффузии зависит от физического состояния поли­меров. В твердом стеклообразном состоянии даже при дли­тельном времени контакта и значительных усилиях сжатия сопрягаемых поверхностей взаимной диффузии макромолекул не происходит, материалы не соединяются. В высокоэласти­ческом состоянии при температурах выше Т_с возникает аутогезионное взаимодействие полимерных цепей, главным образом их окончаний и боковых ответвлений [44]. Граница раздела между сопрягаемыми поверхностями может не исчезать, а прочность такого аутогезионного взаимодействия незначи­тельна. В вязкотекучем состоянии (или набухшем от раствори­теля) макромолекулы приобретают способность свободно пере­мещаться в пограничных слоях и диффундировать в такой же вязкотекучий материал. Степень и скорость диффузии опреде­ляются силой межмолекулярного взаимодействия, совмещае-мостью полимеров и условиями протекания процесса. Граница раздела между поверхностями исчезает, а прочность аутогези­онного соединения полимеров одинаковой природы прибли­жается к когезионной прочности материалов. Таким образом, температура сварки должна быть выше Т_пл для кристалличес­ких полимеров или Т_т аморфных полимеров, но ниже темпера­тур их деструкции. При кратковременной сварке продолжи­тельностью 0,05-0,2 с температура может превышать темпера­туру деструкции [16].

Другим условием осуществления процесса сварки является создание давления прижима, в результате которого поверхно­сти сближаются на расстояние, при котором возникает меж­молекулярное взаимодействие. В зоне сварки происходят про­цессы течения расплава полимера, обеспечивающие компен­сацию неровностей и заполнение промежутков между соединяемыми поверхностями. Реологические процессы подготав­ливают возможность протекания диффузии и образования ка­чественного сварного шва. Величина давления прижима зави­сит от вязкости расплава полимера и температуры его размяг­чения. Чем выше вязкость расплава, тем больше давление прижима. Создаваемое при этом контактное давление оказы­вает существенное влияние на прочность сварных швов, осо­бенно при пониженных температурах и небольшой продолжи­тельности нагрева.

По вязкости расплавов соединяемые поверхности должны быть достаточно близкими. Материалы с различной вязко­стью расплавов не могут образовать прочного соединения: бо­лее вязкий материал не диффундирует в менее вязкий, а вы­давливает его из сварного шва [3]. Поэтому особое значение имеет равномерность разогрева соединяемых поверхностей.

Для обеспечения процесса диффузии прижим сопрягаемых поверхностей должен поддерживаться в течение некоторого времени. С увеличением продолжительности прижима проч­ность аутогезионного взаимодействия возрастает, стремясь к определенному пределу — когезионной прочности материала.

Термическое воздействие на полимерный материал приво­дит к изменениям в его молекулярной и надмолекулярной структуре. Под действием повышенных температур при сварке протекают процессы деструкции, структурирования, окисле­ния. При этом выделяются летучие продукты, в большинстве случаев являющиеся токсичными. Кроме того, в материале интенсивно развиваются релаксационные процессы, в результате которых ориентированные материалы разориентируются.

По поведению материала при сварке, объясняемому реоло­гическими характеристиками, полимеры принято разделять на три группы [16, 17].

Первая группа — хорошо свариваемые термопласты. Их энер­гия активации вязкого течения не превышает 150 кДж/моль, температурный интервал вязкотекучего состояния составляет бо­лее 50°, вязкость расплава находится в интервале 10²-10⁵ Па • с. К ним относятся, прежде всего, полиолефины, которые при нагре­ве легко переходят в вязкотекучее состояние. Существенное раз­личие между Т_т и температурой деструкции позволяет широко варьировать режимы сварки.

Вторая группа — сложно свариваемые материалы, для ко­торых требуется подбор оптимальных способов и технологичес­ких приемов. Это термопласты с высокой энергией активации вязкого течения, с узким интервалом между Т_т и температурой деструкции и с высокой вязкостью расплава — более 10⁵ Па • с. При Т_пл имеют место разориентация и уменьшение степени кристалличности полимеров в сварном шве и околошовной об­ласти, что приводит к существенному снижению прочности шва. К этой группе относятся ПВХ, ПК, двухосно-ориентированные пленки из ПЭТФ, ПП и ПА.

Третья группа — плохо свариваемые материалы. Их энергия активации вязкого течения превышает энергию активации разрыва химических связей, а вязкость расплава очень вели­ка — более 10^п-10¹² Па • с. Процесс сварки требует длительно­го контакта соединяемых поверхностей при максимальных давлениях, соответствующих пределу вынужденной эластич­ности.