1 Определение

Термин "сварка пластмасс" обозначает неразъемное соединение полимерных изделий без их растворения или изменения химического состава, исключительно за счет нагрева, с использованием или без использования присадочного (дополнительного) материала. В это определение не включаются процессы, двусмысленно описываемые как "холодная сварка", так как в этих процессах поверхность частично растворяется и склеивается с изменением химического состава.

Сварка имеет место, когда свариваемые поверхности (и, возможно, присадочный материал в зазоре между ними) приводятся в вязко-текучее состояние за счет нагрева, а затем прижимаются друг к другу. После остывания сваренные детали, в идеальном случае, образуют единую монолитную деталь.

Из всех групп известных полимеров только термопласты способны при нагреве переходить в пластическое (вязко-текучее) состояние, а при последующем остывании – снова твердеть без заметного изменения химических или физических свойств. Реактопласты, эластомеры и наполненные смолы такой особенностью не обладают, поэтому классическими методами сварки не соединяются.

Звенья макромолекул термопластов, как и у полимеров других групп, соединены между собой химическими связями. А вот соседние макромолекулы термопластов, в отличие от полимеров других групп, связаны друг с другом связями совершенно другой природы – т.н. силами Ван-дер-Ваальса, возникающими между отдельными звеньями соседних макромолекул. Пока температурные колебания звеньев недостаточны для преодоления этих сил, макромолекулы лишены подвижности друг относительно друга, и термопласт остается в твердом состоянии.

Для сварки двух изделий из термопластов и получения единого монолитного изделия необходимо вначале привести материал свариваемых поверхностей в вязко-текучее состояние, т.е. разорвать силы Ван-дер-Ваальса. Для этого свариваемые поверхности нагревают до определенной температуры – температуры пластификации. Возросшая кинетическая энергия звеньев макромолекул разрывает силы Ван-дер-Ваальса и позволяет макромолекулам перемещаться друг относительно друга. Важно не перегреть материал – если сообщить звеньям макромолекул чрезмерно большую кинетическую энергию, могут порваться и химические связи между некоторыми звеньями макромолекул, в результате снижаются прочностные характеристики материала.

Пластифицированные свариваемые поверхности прижимают друг к другу с существенным давлением. Давление прижима обеспечивает течение и перемешивание расплавленного материала в зоне сварки, с одновременным выдавливанием воздуха, а также с разрывом и перемешиванием тонкого слоя загрязнений, возможно, находящегося на свариваемых поверхностях. В микрообъемах расплавленного вещества, смешанного за счет приложения давления, дальнейшее перемешивание макромолекул происходит за счет диффузии.

При дальнейшем остывании зоны сварки силы Ван-дер-Ваальса снова связывают звенья соседних макромолекул, оказавшиеся близко друг к другу. По окончании остывания сваренные детали образуют единое монолитное изделие.

Определение «сварка полимеров» можно без потери смысла сузить до определения «сварка термопластов». В обиходе, однако, большей популярностью пользуется определение «сварка пластиков». Так и будем далее называть.

2 Свариваемые термопласты

По соотношению прочности сил Ван-дер-Ваальса и химических связей между звеньями макромолекул термопласты условно делятся на три группы.

Первая группа – термопласты, у которых энергия связей между макромолекулами намного ниже энергии химической связи между звеньями макромолекулы. Температура перехода такого полимера в вязко-текучее состояние намного (на 50°С и более) ниже температуры термодеструкции – начала разрыва химических связей между звеньями макромолекулы.

Такие материалы можно нагревать до вязкотекучего состояния, а также удерживать в вязкотекучем состоянии в сравнительно широком диапазоне температур, без опасности заметной термодеструкции материала.

Замечание: В принципе, любой полимер при нагреве до вязкотекучего состояния в большей или меньшей степени подвергается термическому шоку, т.е. частичным температурным разрушениям молекулярных цепочек. Уменьшение длины молекулярных цепочек (средней молекулярной массы материала) ведет к снижению прочностных характеристик полимера. Поэтому следует избегать нагрева материала до температур выше, чем необходимо для его формования или сварки.

Наиболее типичными представителями термопластов первой группы являются полиэтилен (ПНД, ПСД, ПВД) и полипропилен (ПП).

Замечание: Сшитый полиэтилен (PEX) получают методом физического или химического воздействия на полиэтилен. Сшитый полиэтилен относится к группе реактопластов, а не термопластов. Попытки нагрева изделий из PEX до вязко-текучего состояния не достигают цели, а приводят к полной термодеструкции материала.

Вторая группа – термопласты, у которых температура перехода в вязкотекучее состояние не намного (менее чем на 50°С) ниже температуры термодеструкции.

Для формовки и сварки полимеров этой группы тщательно подбирают технологические режимы и обеспечивают равномерный тщательно контролируемый нагрев, стараясь исключить перегрев материала.

Типичными представителями термопластов второй группы являются поливинилиденфторид (ПВДФ, или Фторопласт-2) и поливинилхлорид (ПВХ). Строго говоря, чистый ПВХ относится к термопластам третьей группы (см. ниже). Поэтому в состав ПВХ добавляют стабилизаторы, снижающие термодеструкцию материала при нагреве.

Третья группа – термопласты, у которых температура начала термодеструкции ниже температуры активации вязкого течения. Такие полимеры нельзя перевести в вязко-текучее состояние, избежав значительной термодеструкции.

К таким материалам относится, например, политетрафторэтилен (ПТФЭ, или Фторопласт-4).

Пред.   1     2     3     4   След.