Классификация термопластов по их свариваемости.

В связи с тем, что сварка плавлением на заключительном этапе связана с течением расплава, свариваемость пластмасс оценивают по таким характеристикам, как энергия активации вязкого течения, температурный интервал вязкотекучего состояния и вязкость расплава. В свете этих представлений становится очевидным, что чем меньше энергия активации вязкого течения и вязкость расплава и чем больше температурный интервал вязкотекучести, тем более вероятно образование высококачественного сварного соединения.

За количественные показатели свариваемости приняты: температурный интервал вязкотекучести ΔТ, минимальное значение вязкости η_min и градиент изменения вязкости в этом интервале [5].

По свариваемости все термопластичные пластмассы можно разбить по этим показателям на четыре группы (табл.3).

 

Таблица 3

Классификация пластмасс по свариваемости

Группа свариваемости	Температурный интервал ΔТ, °С	Вязкость ηmin, Па·с
Хорошо сваривающиеся		10^2--10^3
Удовлетворительно сваривающиеся		10^4--10^5
Ограниченно сваривающиеся		10^7--10^8

 

По реологическим свойствам пластмассы могут быть разделены на три группы. К первой группе можно отнести неориентированные термопласты, у которых энергия активации вязкого течения значительно меньше энергии химической связи и не превышает 150 кДж/моль; температурный интервал вязкотекучего состояния (Т_т – Т_д) превышает 50°С; вязкость расплава составляет 10²-10⁵ Па^.с. Такие термопласты при нагреве переходят в вязкотекучее состояние без термодеструкции и пребывают в вязкотекучем состоянии в достаточно широком интервале температур. При этом вязкость расплава такова, что при незначительных усилиях может быть обеспечена быстрая и полная его коалесценция. Эти термопласты хорошо свариваются плавлением различными методами сварки в широком интервале режимов. Наиболее типичные представители этой группы термопластов - полиолефины.

Ко второй группе относятся ориентированные термопласты с указанными реологическими свойствами; неориентированные и ориентированные термопласты с высокой энергией активации вязкого течения (близкой к энергии химической связи); термопласты с узким интервалом между температурой текучести и температурой деструкции (менее 50°С) и сравнительно высокой вязкостью расплавов.

Для термопластов с высокой энергией активации вязкого течения существует опасность деструкции при нагреве до вязкотекучего состояния; термопласты с узким температурным интервалом между Тт и Тр могут разлагаться при незначительном перегреве; в ориентированных термопластах при нагреве до вязкотекучего состояния неизбежно нарушается ориентированная структура, обеспечивающая прочность материала, а у термопластов с высокой вязкостью расплава трудно обеспечить полную коалесценцию и перемешивание расплава.

Такие термопласты могут свариваться плавлением только при некоторых обязательных условиях. Для ориентированных материалов и материалов с узким интервалом между Тт и Тд сварка плавлением не должна вызывать разориентацию и деструкцию материала, что возможно только при условии быстрого и локального нагрева до температуры текучести свариваемых поверхностей без проплавления материала по всей толщине.

Что касается термопластов с вязкостью выше 10⁵ Па^.с, то сварка их плавлением возможна только при условии снижения вязкости их расплава в процессе сварки. Следовательно, для обеспечения возможности сварки плавлением термопластов, принадлежащих к этой группе, необходимо в каждом конкретном случае изыскивать оптимальные способы и технологические приемы сварки. К этой группе относятся: поливинилхлорид, полиэтилентерифталат, поликарбонат, плавкие фторопласты и другие термопласты.

К третьей группе относятся термопласты, энергия активации вязкого течения которых превышает энергию химической связи, а также термопласты с вязкостью расплава 10¹¹ - 10¹² Па^.с. Эти термопласты не могут быть переведены в вязкотекучее состояние, то есть не могут свариваться плавлением. К ним относятся, например, поливинилацетат, ацетат целлюлозы, фторопласт-4. Образование соединений таких термопластов возможно только по механизму диффузионной сварки с нагревом поверхностей до температур высокоэластического состояния, с длительной выдержкой под давлением, равным пределу вынужденной эластичности свариваемых материалов, при максимально возможной температуре.

Ускорение диффузионной сварки может быть достигнуто применением растворителей, в которых данный термопласт способен набухать и растворяться. Растворители увеличивают подвижность макромолекул, поэтому температура сварки может быть снижена.

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 Т_д [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 определяется исходя из достижения квазистационарного состояния оплавления по формуле , где t_о – 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).