Виды сварки - Химическая сварка полимерных материалов

Химическая сварка полимерных материалов

Этот вид сварки применяют для соединения термореактивных полимерных материалов. Как известно, в полимерах, находящихся в отвержденном состоянии, тепловое движение выражается лишь в ограниченных колебаниях малых участков макромолекул. На этих участках сохраняются химически активные функциональные группы, В определенных для данного полимера условиях активные группы, расположенные на поверхности одного изделия, могут вступать в реакцию непосредственно или с помощью добавок с активными группами столь же: подвижных участков макромолекул на поверхности другого изделия. Это явление и было использовано для создания нового вида сварки — химической.

Качество химической сварки определяется длиной подвижных участков молекул полимера в пограничных слоях, их степенью подвижности при выбранных условиях сварки, концентрацией в них химически активных групп и полнотой их участия в реакции соединения с полимером привариваемого материала.

Для осуществления химической сварки необходим тесный контакт между соединяемыми поверхностями. В химическую реакцию вовлекаются функциональные группы участков макромолекул, расположенных на контактирующих поверхностях. Не исключена возможность термоокислительного отщепления некоторых участков макромолекул и диффузии их в пограничные слои. Такие низкомолекулярные осколки облегчают контакт между соединяемыми поверхностями, выполняя роль мостиков, вступающих в реакцию с функциональными группами, жестко закрепленными на поверхности.

Сварной шов, получаемый методом химической сварки, не отличается по своей структуре от основного материала, поэтому прочность соединения соответствует прочности отвержденного связующего (полимера). Сварной шов также устойчив к повышенным температурам и к действию растворителей, как и полимер в свариваемом материале.

При химической сварке очень важно быстро и интенсивно прогреть контактирующие поверхности изделий. В процессе такого нагрева участки макромолекул, содержащих функциональные группы, приобретают большую амплитуду колебания, что облегчает преодоление пространственных затруднений для соединения функциональных групп между собой. Указанным требованиям удовлетворяют высокочастотный и ультразвуковой методы нагрева пластмасс.

Осуществить химическую сварку изделий из отвержденных смол удается и при комнатной температуре. Для этого нужно, чтобы процесс проходил в присутствии присадочного материала, в котором свариваемые поверхности слегка набухают, и чтобы химическая реакция между функциональными группами присадочного материала и отвержденной смолы могла проходить с достаточной скоростью и полнотой. Примером химической сварки, проходящей при комнатной температуре, служит сварка изделий из полиэфиров стиролом в присутствии органических перекисей и некоторых других соединений, ускоряющих полимеризацию.

Сварка с применением присадочного материала

При сварке термореактивных полимерных материалов в качестве присадочного материала может быть использована пленка, по составу близкая к связующему полимеру и отверждающаяся в процессе высокочастотного нагрева. Например, введение пленки или прутка из пластифицированного винипласта между свариваемыми поверхностями из непластифицированного винипласта облегчает процесс сварки и способствует повышению ударной прочности шва.

В случае сварки изделий из стеклопластиков (КАСТ-В, ВФТ-С и пресс-материал АГ-4) применяют пленку на основе связующего БФ-4, наиболее близкого по составу к связующему этих стеклопластиков. Присадочный материал не только заполняет зазор и обеспечивает должный контакт между соединяемыми поверхностями, но и участвует в Совместном отверждении со связующим стеклопластика.

Основными технологическими параметрами, влияющими на сварку с присадочным материалом, являются давление, продолжительность сварки и напряженность поля при сварке ТВЧ.

Зависимость прочности соединения от давления определяется количеством подводимой тепловой энергии, в частности напряженностью поля и продолжительностью сварки. С повышением давления до 40 кгс/см² предел прочности при сдвиге возрастает, главным образом в результате улучшения контакта. Увеличение давления способствует также уплотнению материала, удалению воздушной прослойки между соединяемыми поверхностями и присадочной пленкой; при этом улучшаются условия прогрева и отверждения сварного шва.

После достижения максимального значения прочность снижается в результате деструкции связующего. Интенсификация нагрева связана с тем, что утонение материала с ростом давления увеличивает действующую напряженность поля при постоянстве величины напряжения на обкладках рабочего конденсатора.

Длительность цикла сварки включает отрезок времени, необходимый для разогрева изделия и присадочного материала, и продолжительность выдержки для их совместного отверждения. От продолжительности сварки зависит полнота прохождения процесса соединения и связанная с этим прочность сварного шва. Резкое увеличение прочности в начале нагрева объясняется контактом по большей площади соединения; дальнейший рост, по всей вероятности, вызван увеличением степени отверждения сварного шва.

Сварка без присадочного материала

Решающее значение при выборе режимов сварки имеет степень отверждения полимера. С увеличением степени отверждения ухудшается свариваемость.

При более интенсивном нагреве и большем давлении свариваемость материалов с повышенной степенью отверждения улучшается. Например, стеклопластики с повышенной степенью отверждения более стойки к термической деструкции. Чтобы достигнуть необходимой прочности соединения, их нужно прогревать длительное время.

С увеличением давления па соединяемые поверхности, вплоть до 65 кгс/см², прочность сварного шва резко возрастает. Дальнейшее повышение давления мало сказывается на качестве сварки, что указывает на достижение полного контакта.

С повышением интенсивности нагрева возрастает пластичность материала, поэтому можно достигнуть такой же прочности соединения и при более низком давлении. Пределом интенсификации нагрева является термическая деструкция, которая приводит к снижению прочности сварного соединения.

Для сварки изделий из стеклотекстодитов, полученных на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол, оптимальная величина давления 40÷50 кгс/см². Для изделий из стеклопластиков на основе полиэфирных и эпоксидных смол полный контакт достигается легче и максимальная прочность шва получается при меньшем давлении (25—30 кгс/см²).

При сварке изделий из отверждающихся смол с порошкообразным наполнителем (например, из пресс-порошка марки К-18-2) давление не должно превышать 25—30 кгс/см², так как этот материал при повышенных температурах имеет низкую прочность при сжатии.

Примеры сварки некоторых термореактивных пластмасс

Сварка отвержденных фенолоформальдегидных смол резольного типа. При сваривании изделий из отвержденных феполоформальдегидных смол с участием присадочного материала, представляющего собой фенолоформальдегиднуго смолу, находящуюся еще в стадии резола, контакт между свариваемыми поверхностями возрастает. В реакцию отверждения присадочного материала вовлекаются функциональные группы полимера, находящиеся на поверхности свариваемых изделий.

Фенолоформ альдегидные смолы новолачного типа отверждаются при взаимодействии с продуктами распада гексаметилен-тетрамина. Условия сварки изделий из этого материала требуют нанесения тонкого слоя отвердителя на контактируемуго поверхность.

Сварка кремнийорганических смол. Отвержденные кремнийорганические смолы содержат очень небольшое число функциональных групп, поэтому ничтожно мала вероятность их близкого расположения и химического взаимодействия в процессах дальнейшего отверждения, а тем более во время сварки.

Углеводородные (например, —СН₃) группы, находящиеся в большом количестве в отверждениой смоле, в том числе и на поверхности изделий, могут быть вовлечены в реакцию химической сварки, если использовать в качестве возбудителя этой реакции органические перекиси. Раствор связующего тонким слоем наносят на свариваемые поверхности, и при соответствующих условиях между присадочным материалом и активными углеводородными группами на свариваемых поверхностях происходит реакция соединения.

Сварка отвержденных полиэфиров. В отвержденных полиэфирных смолах сохраняется некоторое количество ненасыщенных (кратных связей), которые из-за пространственных затруднений не могут вступить в реакцию между собой (в реакцию полимеризации). Отвержденные полиэфиры способны немного набухать в таких веществах, как стирол, а под действием инициатора и повышенной температуры стирол сополимеризуется внутри изделия из полиэфира.

Присадочным материалом может служить тонкий слой вязкого раствора исходного неотвержденного полиэфира в стироле, диаллилфталате, винилтолуоле, в которые предварительно введен инициатор реакции полимеризации — органическая перекись.

Лебедев Г.А. "Напыление. Сварка. Склеивание".

См. также:

• Сварка пластмасс нагретым газом
• Сварка пластмасс экструдируемой присадкой (расплавом)
• Контактная тепловая сварка пластмасс
• Сварка пластмасс ультразвуком
• Сварка пластмасс трением и вибротрением
• Сварка пластмасс токами высокой частоты
• Сварка пластмасс ИК-излучением
• Сварка пластмасс лучом лазера
• Сварка пластмасс световым лучом
• Комбинированные способы сварки полимеров
• Сварка пластмасс
• Контроль качества сварных швов при сварке пластмасс