ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РЕАКТОПЛАСТОВ

При химической сварке реактопластов используется способность поверхностных слоев отвержденного стеклопластика к эластическим и пластическим деформациям и к химической реакции дальнейшего отверждения, что создает условия для формирования взаимным смачиванием контакта смоляных пленок соединяемых поверхностей деталей и непосредственного химического взаимодействия связующего на соединяемых поверхностях [29, 36]. Сварка отвержденных реактопластов зависит от природы функциональных групп полимера, механизма и степени отверждения материала, поскольку степень отверждения влияет на концентрацию функциональных групп и пластичность материала и может служить критерием способности реактопластов свариваться. Отсутствие пластических деформаций в материале с высокой степенью отверждения существенно сказывается на прочностных характеристиках соединения и не позволяет получить соеднненне с удовлетворительной прочностью.

Для химической сварки отвержденных реактопластов в процессе формирования деталей, идущих на сборку, необходимо обеспечить недоотвержденность и остаточную пластичность полимера в поверхностном слое; сплошность поверхностного слоя полимера и отсутствие иа нем антиадгезионных смазок и других загрязняющих поверхностей веществ; волнистость поверхности не выше V-VI классов.

При малой толщине поверхностной смоляной пленки на пластике и высокой степени его отверждения (более 85 %) рекомендуется применять химическую сварку с присадкой, в качестве которой используется одно- или двухкомпонентиое вещество (связующее аналогичной природы), способное реагировать с функциональными группами связующего отвержденного пластика. Количество прнсадки, наносимой на соединяемые поверхности, должно быть минимальным (5 мг/см), но достаточным для заполнения межвыступного пространства микрорельефа поверхности детали. В практике в качестве присадочного материала часто применяют пленку реактопласта на основе связующего, аналогичного связующему свариваемого материала, ио с меньшей степенью отверждения.

При сварке реактопластов на основе ненасыщенных полиэфиров используют привитую сополимеризацию, для чего на соединяемые поверхности наносят раствор инициатора полимеризации (например, перекиси бепзоила в ненасыщенном мономере - стироле, винилтолуо-ле, диаллилфталате) или неотвержденную полиэфирную смолу в виде тонкой пленки. Сварка пластмасс на основе отвержденных кремний-органических смол производится с помощью органических перекисей илн растворов кремнийорганических соединений, а на основе эпоксидных полимеров - с помощью метилолфенолов [15].

Технологический процесс сварки отвержденных реактопластов включает следующие операции: подготовку поверхностей, в том числе механическую; нанесение присадкн; сближение поверхностей за счет прохождения эластических и пластических деформаций поверхностного слоя смолы и всего объема детали; выдержка (от десятков секунд до нескольких минут) соединения при нагревании до 180- 220 °С и давлении 4-6 МПа. В процессе последней операции происходит формирование контакта поверхностей на молекулярном уровне и образование соединения за счет хи.мпческой реакции доотверждения.

Процесс химической сварки можно регулировать, изменяя режим нагревания, осуществляя подготовку поверхностей, регулируя степень отверждения связующего на стадии формирования деталей. Увеличение температуры нагревания шва и давления сварки расширяет воэ-

можные области проведения химической сварки, поэтому с ростом степени отверждения связующего в пластике необходимо повышать давление и температуру сварки.

Механическая подготовка соединяемых поверхностей при химической сварке отвержденных пластмасс в отличие от склеивания не играет существенной роли.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТЕРМОПЛАСТОВ

Химическая сварка термопластов осуществляется с помощью присадочных материалов, способных образовать переходной слой, структура которого аналогична структуре материала соединяемых деталей. Для нанесения на соединяемые поверхности присадочные материалы растворяют в подходящем растворителе. Рекомендуемые присадочные материалы для химической сварки термопластов [15] приведены ниже:

Тип соединяемого полимерного материала Присадочный материал

Сшитый ПЭ.......Перокснды н другие соединения

Сшитый ПВХ......Полиамины

Полинмнды.......Полиамины, полниэоаиаиаты

ПЭТФ..........Перокснды, полннзоцианаты

ПА ...........Многоосновные кислоты и их ангидриды

Фторсополимеры.....Полнамнны

Химическая сварка термопластов с использованием присадочных материалов возможна прн следующих условиях [15]: скорость взаимодействия присадки с термопластом должна быть больше скорости диффузионных процессов; пластическое течение аморфной фазы материала должно обеспечиваться только в соединяемых слоях, а остальной материал должен иметь температуру, меньшую температуры плавления или разориентации кристаллической фазы полимера; растворитель для присадки должен вызывать набу.хание полимера и быстро испаряться с его поверхности.

Химическая сварка термопластов без применения присадочных материалов может быть выполнена при действии на материал в зоне шва нейтронного или рентгеновского излучения достаточной мощности [15].

Глава 11

СВАРКА РАЗНОТИПНЫХ ПОЛИМЕРОВ

ХАРАКТЕРИСТИКА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

10СТ0ЯННЫЙ рост объемов производства и применения поли- мерных материалов требует решения проблемы сварки изделий, изготовленных из разнотипных пластмасс, что, в свою очередь, позволяет решить ряд важных технических задач, в частности создать многослойные материалы с принципиально новыми свойствами, а также резко повысить эксплуатационные характеристики существующих многослойных материалов на основе разнотипных полимеров.

Свариваемость разнотипных полимерных материалов определяется их совместимостью, которая может оцениваться плотностью и вязкостью расплавов, наличием в составе молярной доли сополимеров более 50 %, а в ряде случаев - более 80 % идентичных звеньев. Па этом основаны способы сварки разнотипных материалов, заключающиеся в подборе режимов нагрева, при которых каждый из свариваемых

материалов имеет оптимальную текучесть в зоне шва; введении низкомолекулярных добавок в зону сварки полимеров; прививке к одной из свариваемых поверхностей сополимера, частично совместимого с каждым из свариваемых материалов; использовании прослоек из сополимеров, имеющих в своем составе мономерные звенья обоих свариваемых полимеров; обеспечении реакции взаимодействия, вводимого в зону шва, полифункционального вещества с материалом соединяемых поверхностей.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СОВМЕСТИМЫХ

И ЧАСТИЧНО СОВМЕСТИМЫХ ПОЛИМЕРОВ

Для материалов, способных обеспечивать достаточно плотную упаковку макромолекулярных образований при их соединении в вязко-текучем состоянии, эффективен способ сварки с нагревом свариваемых плоскостей.

Нагрев материалов, имеющих разные температуры плавления, можно производить при помощи нагревателей с регулируемой температурой на каждой из его поверхностей. Глубина проплавления при этом регулируется по времени нагрева материалов.

Совместимость комбинаций соединяемых полимеров можно определять по величине отношения их коэффициентов линейного расширения (ai/czj) и энергий поверхностного натяжения (о/о). Высокая прочность сварного шва может быть обеспечена только в комбинациях материалов, имеющих отношение ai/a.< 1,2 и а/о< 2,0 [401.

Сварка ие произойдет, если а,/а2> 1,2 и of/o2> 20- Если только одно из отношений превышает указанное предельное значение, то при определенных условиях еще можно получить качественные сварные соединения (табл. 40).

40. Характеристики свариваемости ряда комбинаций полимерных материалов

Технологические параметры сварки нагретым инструментом комбинаций материалов, приведенных в табл. 40, подбираются по данным табл. 41.

При тепловой сварке разнотипных материалов необходимо учитывать особенности тепловых воздействий на каждый из них. Например, сварку пленки из полиэтилена, имеющей диапазон температур свариваемости 130-220 °С, и пленки полиэтилентерефталата, д}блированной полиэтиленом, необходимо производить при температуре 150-160 "С. При большей температуре происходит уменьшение прочности сварного соединения вследствие дезориеьтации ПЭТФ [10],

41. Технологические параметры сварки полимерных изделий нагретым инструментом [40]

Примечания: 1. Давление при нагреве равно 0,05 МПа, при сварке - 0,3 МПа.

2. Глубина проплавления свариваемых материалов - 0,6 мм.

Сварка разнотипных полимеров с применением промежуточного слоя из одного или нескольких сополимеров используется для соединения полимеров, имеющих преимущественно неполярные или слабополярные звенья. Прн этом звенья, присущие макромолекулам одного из соединяемых полимеров, постепенно заменяются в сополимерах промежуточных слоев звеньями макромолекул другого полимера {15]. В результате на каждой границе можно обеспечить плотное молекулярное соединение однотипных звеньев и прочность, сравнимую с прочностью соединяемых полимеров. Значительное количество полимерных материалов имеют определенное процентное соотношение однотипных или близких по составу звеньев, которые при сварке могут образовывать достаточно прочное соединение. Поэтому условием образования качественного сварного соединения с применением промежуточного слоя из набора сополимеров считается наличие в зоне контакта молярной доли чужеродных звеньев не более 25 % [16]. Например, соединение полиэтиленовой пленки с пленками полистирола, поливинилацетата и поливинилового спирта можно осуществлять с использованием прослоек из сополимера этилена с виниловым спиртом и сополимера этилена с винилацетатом при содержании в них молярной доли звеньев этилена не менее 80 %. Возможен также набор пакетов сополимеров этилена с последовательным замещением звеньев этилена звеньями свариваемого с полиэтиленом полимерного материала (табл. 42).

Путем изменения состава макромолекул за счет использования сополимеров с последовательным изменением процентного соотношения молекулярных звеньев можно обеспечить свариваемость разнотипных материалов на уровне предела прочности менее прочного из свариваемых материалов (табл. 43).

Способ создания на поверхности одного из соединяемых изделий привитого слоя второго полимера наиболее эффективен для образования на границе соединения физических связей, которые реализуются за счет полярных групп привитого слоя. Поэтому формировать такой слой целесообразно на менее полярном из соединяемых полимеров [16].

Прививка мономера происходит за счет его проникания в аморфные участки основного полимера, что обеспечивает неравномерное покрытие поверхности осноьы. С увеличением количества прививаемого мономера наблюдается глубинное его проникновение. Это влечет за собой образование гетерогенности основы, снижает степень кристалличности и прочность основного материала. Оптимальное массовое содержание привитого материала составляет для указанных в табл. 44 пар 1-2 %. Но даже в этом случае прочность сварного соединения не достигает величины, требуемой для надежной эксплуатации,

42. Оптимальные параметры сварки полиэтиленовых пленок с пленками характерных полимеров

• Цифры указывают содержание звеньев этилена в сополимерах, последова-гельно изменяющееся при переходе от одного свариваемого материала к другому.

43. Прочность сварных соединений характерных разнотипных фторсодержащих полимеров и сополимеров [28j

Комбинации свариваемых материалов

Предел прочности при расслаивании, Н/см

без присадкн

с присадкой гексамитилен-днамнна

ПВФ+СВФГФП (85) ПВФ+СВФТФЭ (65) ПВФ+СВФТРФЭ (50) ПВФ+СВФТФХЭ (25) СВФГФП (85)+СВФТФЭ (65) СВФГФП (85) + СВФТРФЭ (50) СВФГФП (85) + СВФТФХЭ (25) СВФГФП (85) + ПТФХЭ СВФТФЭ (65) + СВФТРФЭ (50) СВФТФЭ (65) + СВФТФХЭ (25) СВФТФЭ (65) + ПТФХЭ СВФТРФЭ (50) + СВФТФХЭ (25) СВФТРФЭ (50) + ПТФХЭ СВФТФХЭ (25) + ПТФХЭ

0,05

16,5*

0,05*

0,05*

24,5

0,05*

0,05*

0,05*

0,05

24,5

20,5

17,5

19,5

14,5*

14,5*

9,5*

21,5

примечание. Цифры в скобках указывают содержание звеньев винилиденфторида в сополимерах; • «-разрушение сварного шва.

44. Примеры свариваемых пар разнотипных кристаллизующихся термопластов с промежуточным слоем привитого сополимера

Примечание. Ф24-30 - сополимер винилиденфторида с тетрафторэтиленом.

Подбор температуры сварки разнотипных полимеров следует производить по оптимальным режимам сварки более иизкоплавкого из них. Для плохо свариваюшихся по диффузионному механизму разнотипных полимеров возможно эффективное использование способа химической сварки путем введения в зону сварки ди-, три-, тетраминов или диизоционатов.

Химическая сварка предусматривает введение в зону сварки полифункционального вещества, способного одновременно вступать в химическую реакцию взаимодействия с макромолекулами обоих соединяемых полимеров.

На выбор реагента влияют типы функциональных групп рассматриваемых полимеров, которые способны к реакции соединения в процессе сварки. Необходимыми условиями осуществления реакции взаимодействия являются правильный выбор присадочного реагента, достаточно активного к функциональным группам свариваемых полимерных материалов, сближение компонентов на расстояния, достаточные для протекания реакции, определение интервала температур, при котором соединяемые полимеры наиболее активны к реакции взаимодействия с присадочным реагентом.

Температура реакции подбирается для каждой пары полимерных материалов так, чтобы скорости реакции были примерно равными. Например, при сварке пленки ПМ-1 из группы полиимидов с пленкой из фторсополимера Ф-32-20 (сополимер трифторхлорэтилена с вннили-деифторидом) наиболее эффективным реагентом служит полиэтилен-полиамин. Процесс сварки должен происходить при температуре 220 °С, давлении прижима 0,5 МПа и длительности сварки 30 с.

Химическая сварка предпочтительна, когда требуется уменьшить температурные деформации сварного шва, обеспечить стойкость соединений к действию тепла или растворителей [15].

Химическая сварка и метод соединения с помощью прослоек из сополимеров обеспечивают почти одинаковую прочность соединений, большую, чем при способе соединения по привитому сополимеру (табл. 45).

При использовании рассмотренных способов сварки свойства изделий в наименьшей степени изменяются прн соединении с помощью прослоек из сополимеров.