Пластмаси, отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

15.08.2015

Пластмаси — отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність
Склад і властивості
Отримання пластмас

Пластмаси — це матеріали, отримані на основі синтетичних або природних полімерів (смол). Синтезуються полімери шляхом полімеризації або поліконденсації мономерів в присутності каталізаторів при строго певних температурних режимах і тисках.

В полімер з різною метою можуть вводитися наповнювачі, стабілізатори, пігменти, можуть складатися композиції з добавкою органічних і неорганічних волокон, сіток і тканин.

Таким чином, пластмаси в більшості випадків є багатокомпонентними сумішами та композиційними матеріалами, у яких технологічні властивості, в тому числі і зварюваність, в основному визначаються властивостями полімеру.

В залежності від поведінки полімеру при нагріванні розрізняють два види пластмас — термопласти, матеріали, які можуть багаторазово нагріватися і переходити при цьому з твердого у в’язко-текучий стан, і реактопласти, які можуть зазнавати цей процес лише одноразово.

Особливості будови

Пластмаси (полімери) складаються з макромолекул, до яких більш або менш регулярно чергується велику кількість однакових або неоднакових атомних угруповань, з’єднаних хімічними зв’язками в довгі ланцюги, за формою яких розрізняють лінійні полімери, розгалужені і сітчасто-просторові.

За складом макромолекул полімери поділяються на три класи:

1) карбоцепні, основні ланцюги яких побудовані тільки з вуглецевих атомів;

2): гетероцепні, в основних ланцюгах яких, крім атомів вуглецю, що містяться атоми кисню, азоту, сірки;

3) элементоорганические полімери, що містять в основних ланцюгах атоми кремнію, бору, алюмінію, титану та інших елементів.

Макромолекули володіють гнучкістю і здатні змінювати форму під впливом теплового руху їх ланок або електричного поля. Ця властивість пов’язана з внутрішнім обертанням окремих частин молекули відносно один одного. Не переміщаючись у просторі, кожна макромолекула знаходиться в безперервному русі, яке виражається у зміні її конформацій.

Гнучкість макромолекул характеризує величина сегмента, тобто кількість ланок у ній, які в умовах даного конкретного впливу на полімер проявляють себе як кінетично самостійні одиниці, наприклад в полі СВЧ як диполі. По реакції до зовнішніх електричних полів розрізняють полярні (ПЕ, ПП) і неполярні (ПВХ, полиаксилонитрил) полімери. Між макромолекулами діють сили тяжіння, викликані ван-дер-ваальсовым взаємодією, а також водневими зв’язками, іонним взаємодією. Сили тяжіння виявляються при зближенні макромолекул на 0,3—0,4 їм.

Полярні і неполярні полімери (пластмаси) між собою несумісні між їх макромолекулами не виникає взаємодії (тяжіння), тобто вони між собою не зварюються.

Надмолекулярна структура, орієнтація

За структурою розрізняють два види пластмас — кристалічні і аморфні. У кристалічних на відміну від аморфних спостерігається не лише близький, але і дальній порядок. При переході з в’язко-текучого стану в тверде макромолекули кристалічних полімерів утворюють впорядковані асоціації-кристаліти переважно у вигляді сферолітів (рис. 37.1). Чим менше швидкість охолодження розплаву термопласту, тим крупніше виростають сферолиты. Однак і у кристалічних полімерах завжди залишаються аморфні ділянки. Змінюючи швидкість охолодження, можна регулювати структуру, а отже, і властивості зварного з’єднання.

Пластмаси, отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

Різке відмінність поздовжніх і поперечних розмірів макромолекул призводить до можливості існування специфічного для полімерів орієнтованого стану. Воно характеризується розташуванням осей ланцюгових макромолекул переважно вздовж одного напрямку, що призводить до прояву анізотропії властивостей вироби з пластмаси. Отримання орієнтованих пластмас здійснюється шляхом їх одновісної (5-10-кратною) витяжки при кімнатній або підвищеній температурі. Однак при нагріванні (в тому числі і при зварюванні) ефект орієнтації знижується або зникає, так як макромолекули знову приймають термодинамічно найбільш ймовірні конфігурації (конформації) завдяки ентропійної пружності, обумовленої рухом сегментів.

Реакція пластмас на термомеханічний цикл

Всі конструкційні термопласти при нормальних температурах знаходяться в твердому стані (кристалічному або застеклованном). Вище температури склування (Тст ) аморфні пластмаси переходять у еластичне (резіноподобное) стан. При подальшому нагріванні вище температури плавлення (Tпл ) кристалічні полімери переходять в аморфний стан. Вище температури текучості ТT і кристалічні і аморфні пластмаси переходять у в’язкотекучий стан Всі ці зміни стану зазвичай описуються термомеханічними кривими (рис. 37.2), які є найважливішими технологічними характеристиками пластмас. Утворення зварного з’єднання відбувається в інтервалі в’язкотекучого стану термопластів. Реактопласти при нагріванні вище ТT зазнають радикальні процеси і на відміну від термопластів утворюють просторові полімерні сітки, не здатні до взаємодії без їх руйнування, на що потрібно застосування спеціальних хімічних присадок.

Пластмаси, отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

Основні пластмаси для зварних конструкцій

Найбільш поширеними конструкційними пластмасами є групи термопластів на основі поліолефінів: поліетилену високого і низького тиску, поліпропілену, поліізобутилену.

Поліетилен [..—СН2 —СН2 —. ]n високого і низького тиску — кристалічні термопласти, що відрізняються між собою міцністю, жорсткістю, температурою плинності. Поліпропілен [—СН2 —СН(СН3 )—]n більш температуростоек, ніж поліетилен, і володіє більшою міцністю і жорсткістю.

У значних обсягах використовуються хлорвмісні пластики на основі полімерів і сополімерів вінілхлориду та винилиденхлорида.

Полівінілхлорид (ПВХ) [—(СН2 —СНСl—)]n — аморфний полімер лінійної будови, у вихідному стані є твердим матеріалом При добавці до нього пластифікатора можна отримати дуже пластичний і добре сваривающийся матеріал — пластикат. З жорсткого ПВХ — вініпласту — виготовляють листи, труби, прутки, а з пластикату — плівку, шланги та інші вироби. З ПВХ виготовляються також спінені матеріали (пінопласти).

Значну групу полімерів і пластмас на їх основі складають поліаміди. містять в ланцюги макромолекул амідні групи [—З—Н—]. Це в більшості кристалічні термопласти з чітко вираженою температурою плавлення. Вітчизняна промисловість випускає головним чином аліфатичні поліаміди, які використовуються для виготовлення волокон, відливки деталей машин, отримання плівок. До полиамидам відносяться, зокрема, широко відомі поликапролактам і полнамид-66 (капрон).

Найбільшу популярність з групи фторлонов отримав политетрафтор-етилен-фторлон-4 (фторопласт 4). На відміну від інших термопластів при нагріванні він не переходить у в’язкотекучий стан навіть при температурі деструкції (близько 415°С), тому його зварювання вимагає особливих прийомів. В даний час хімічною промисловістю освоєно випуск добре сваривающихся плавких фторлонов; Ф-4, Ф-40, Ф-42 та ін. Зварні конструкції з фторовмісних пластиків володіють виключно високою стійкістю до агресивних середовищ і можуть сприймати робочі навантаження в широкому діапазоні температур.

На основі акрилової і метакрилової кислоти виробляються акрилові пластики. Найбільш відома в практиці похідна на їх основі — пластмаса полнметилметакрилат (торгова марка «плексиглас»). Ці пластики, що володіють високою прозорістю, використовуються як светопроводящіе вироби (у вигляді листа, прутків і т. д.) Знайшли застосування також сополімери метилметакрилату та акрилонітрилу, які володіють більшою міцністю і твердістю. Всі пластики цієї групи добре зварюються.

Хорошою прозорістю відрізняється група пластиків на основі полістиролу. Цей лінійний термопласт добре зварюється тепловими способами.

Для виготовлення зварних конструкцій переважно в електротехнічній промисловості використовують сополімери стиролу з метилстиролом, акрилонітрилом, метилметакрилатом і, зокрема, акрилонитрилбутадиенстирольные (АБС) пластики. Останні відрізняються від крихкого полістиролу більш високою ударною міцністю і теплостійкістю.

У зварних конструкціях знаходять застосування пластмаси на основі полікарбонатів — складних поліефірів вугільної кислоти. Вони володіють більш високою в’язкістю розплаву, ніж інші термопласти, однак зварюються задовільно. З них виготовляють плівки, листи, труби і різні деталі, у тому числі декоративні. Характерними особливостями є високі діелектричні та поляризаційні властивості.

Формоутворення деталей з пластмас

Термопласти поставляються для переробки в гранулах розміром 3-5 мм. Основними технологічними процесами виготовлення напівфабрикатів і деталей з них є: екструзія, лиття, екструзія, каландрування, вироблені в температурному інтервалі в’язкотекучого стану.

Трубопроводи з поліетиленових і полівінілхлоридних труб застосовують для транспорту агресивних продуктів, у тому числі нафти і газу з вмістом сірководню, вуглекислоти і хімічних (неароматических) реагентів у хімічному виробництві. Резервуари та цистерни для перевезення кислот і лугів, травильні ванни та інші судини облицьовуються пластмасовими пластинами, що сполучаються за допомогою зварювання Герметизація пластикатом приміщень, загрязняемых ізотопами, покриття підлоги лінолеумом також здійснюються за допомогою зварювання. Консервація харчових продуктів в туби, коробки і банки, упаковка товарів та поштових посилок різко прискорюються з застосуванням зварювання.

Машинобудівні деталі. У хімічному машинобудуванні зварюються корпусу і лопатки різного роду змішувачів, корпусу і роторів насосів для перекачування агресивних середовищ, фільтри, підшипники і прокладки з фторопласту, з полістиролу зварюється освітлювальна арматура, з капрону неелектропровідних шестерні, вали, муфти, штоки, з фторлона — несмазывающиеся підшипники, витискувачі палива і т д.

Оцінка зварюваності пластмас
Основні стадії процесу зварювання

Процес зварювання термопластів полягає в активації зварюваних поверхонь деталей, або вже перебувають у контакті (зварювання ТВЧ, СВЧ ), або приводяться в контакт після (зварювання нагрітим інструментом, газом. ІЧ-випромінюванням і т. д.) або одночасно з активізацією (зварювання тертям. УЗ-зварювання).

При щільному контакті активованих шарів повинні реалізуватися сили міжмолекулярної взаємодії.

У процесі утворення зварних з’єднань (при охолодженні) відбувається формування надмолекулярних структур у шві, а також розвиток полів власних напружень і їх релаксація. Ці конкуруючі процеси визначають кінцеві властивості зварного з’єднання. Технологічна задача зварювання полягає в тому, щоб максимально наблизити за властивостями шов до — основного матеріалу.

Механізм утворення зварних з’єднань

Реологічна концепція. Згідно реологічної концепції, механізм утворення зварного з’єднання включає два етапи — на макроскопічному та мікроскопічному рівнях. При зближенні під тиском активованих тим чи іншим способом поверхонь з’єднуваних деталей внаслідок зсувних деформацій відбувається протягом розплаву полімеру. В результаті цього видаляються із зони контакту інгредієнти, що перешкоджають зближенню і взаємодії ювенільних макромолекул (евакуюються газові, окислені прошарку). Внаслідок різниці швидкостей течії розплаву не виключено й перемішування макрообъемов розплаву в зоні контакту. Тільки після видалення або руйнування дефектних шарів у зоні контакту, коли ювенільні макромолекули зблизяться на відстані дії Ван-дер-Ваальсових сил, виникає взаємодія (схоплювання) між макромолекулами шарів з’єднуваних поверхонь деталей. Цей аутогезионный процес відбувається на мікрорівні. Він супроводжується взаимодиффузией макромолекул, обумовленої енергетичним потенціалом і нерівномірністю градієнта температур у зоні зварюваних поверхонь.

Отже, щоб утворилося зварне з’єднання двох поверхонь, необхідно насамперед забезпечити протягом розплаву в цій зоні.

Протягом розплаву в зоні зварювання залежить від його в’язкості: чим менше в’язкість, тим активніше відбуваються зсувні деформації у розплаві — руйнування і видалення дефектних шарів на контактуючих поверхнях, тим менший тиск потрібно докладати для з’єднання деталей.

В’язкість розплаву в свою чергу залежить від природи пластмаси (молекулярної маси, розгалуженості макромолекул полімеру) і температури нагріву в інтервалі вязкотекучести. Отже, в’язкість може служити одним з ознак, що визначають зварюваність пластмаси: чим вона менша в інтервалі вязкотекучести, тим краще зварюваність і, навпаки, чим більше в’язкість, тим складніше зруйнувати і видалити із зони контакту інгредієнти, що перешкоджають взаємодії макромолекул. Однак нагрівання для кожного полімеру обмежений певною температурою деструкції Тд. вище якої відбувається його розкладання — деструкція. Термопласти розрізняються по граничним значенням температурного інтервалу вязкотекучести, тобто між температурою їх плинності ТT і деструкції Тд (табл. 37.2).

Пластмаси, отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

Класифікація термопластів за їх зварюваності. Чим ширший інтервал вязкотекучести термопласту (рис. 37.3), тим практично простіше отримати якісне зварне з’єднання, бо відхилення по температурі в зоні шва відображаються на величині в’язкості. Поряд з інтервалом вязкотекучести і мінімальним рівнем в ньому значень в’язкості помітну роль відіграє в реологічних процесах при утворенні шва градієнт зміни в’язкості в цьому інтервалі. За кількісні показники зварюваності прийняті: температурний інтервал вязкотекучести ?T, мінімальне значення в’язкості ?min і градієнт зміни в’язкості в цьому інтервалі.

Пластмаси, отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

По зварюваності всі термопластичні пластмаси можна розбити за цими показниками на чотири групи (табл. 37.3).

Пластмаси, отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

Зварювання термопластичних пластмас можлива, якщо матеріал переходить в стан в’язкого розплаву, якщо його температурний інтервал вязкотекучести досить широкий, а градієнт зміни в’язкості в цьому інтервалі мінімальний, так як взаємодія макромолекул в зоні контакту відбувається по межі, яка володіє однаковою в’язкістю.

У загальному випадку температура зварювання призначається, виходячи з аналізу термомеханічної кривої зварюваної пластмаси, приймаємо її на 10-15° нижче Тд. Тиск приймається таке, щоб евакуювати розплав поверхневого шару в грат або зруйнувати його, виходячи з конкретної глибини проплавлення і теплофізичних показників зварюваного матеріалу. Час витримки tCB визначається виходячи з досягнення квазистационарного стану оплавлення і проплавлення або за формулою

Пластмаси, отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

де t0 — константа, що має розмірність часу і залежить від товщини з’єднується матеріалу і способу нагрівання; Q — енергія активації; R — газова постійна; Т — температура зварювання.

При експериментальній оцінці зварюваності пластмас фундаментальним показником є тривала міцність зварного з’єднання, що працює в конкретних умовах порівняно з основним матеріалом.

Випробовуються зразки, вирубані з зварного з’єднання, на зонах розтягнення. При цьому часовий фактор моделюється температурою, тобто використовується принцип температурно-часовий суперпозиції, заснований на припущенні, що при даному напрузі зв’язок між тривалою міцністю до температурою однозначна (метод Ларсона-Міллера).

Методи підвищення зварюваності

Схеми механізму утворення зварних з’єднань термопластів. Підвищення їх зварюваності може проводитися за рахунок розширення температурного інтервалу вязкотекучести, інтенсифікації видалення інгредієнтів або руйнування дефектних шарів у зоні контакту, що перешкоджають зближенню і взаємодії ювенільних макромолекул.

Можливо кілька шляхів:

введення в зону контакту присадки в разі недостатньої кількості розплаву (при зварюванні армованих плівок), при зварюванні різнорідних термопластів присадка за складом повинна володіти спорідненістю до обох зварюваних матеріалів;

введення в зону зварювання розчинника або більше пластифікованої присадки;

примусове перемішування розплаву в шві шляхом зсуву деталей, що з’єднуються не тільки уздовж лінії опади, але і зворотно-поступально поперек шва на 1,5—2 мм або накладенням ультразвукових коливань. Активізація в зоні контакту перемішування розплаву може проводитися після оплавлення кромок з’єднуваних нагрівальним інструментом, що має ребристу поверхню. Властивості зварного з’єднання можуть бути поліпшені наступною термічною обробкою з’єднання. При цьому знімаються не тільки залишкові напруги, але можливо виправлення структури в шві і біляшовній зоні, особливо у кристалічних полімерів. Багато з викладених заходів наближають властивості зварних з’єднань до властивостям основного матеріалу.

При зварюванні орієнтованих пластмас щоб уникнути втрати їх міцності внаслідок переорієнтації при нагріванні до в’язко-текучого стану полімеру застосовують хімічну зварювання, тобто процес, при якому в зоні контакту реалізуються радикальні (хімічні) зв’язки між макромолекулами. Хімічну зварювання застосовують і при з’єднанні реактопластів, деталі з яких не можуть переходити при повторному нагріванні у в’язкотекучий стан. Для ініціювання хімічних реакцій в зону з’єднання при такій зварюванні вводять різні реагенти в залежності від з’єднується виду пластмас. Процес хімічної зварювання, як правило, проводиться при нагріванні місця зварювання.

Волченко Ст. Н. Зварювання і зварювані матеріали т. 1. -M. 1991

Короткий опис статті: види пластмас

Джерело: Пластмаси — отримання пластмас, склад, властивості, зварюваність

Також ви можете прочитати