ISBN 978-5-321-01318-2 В учебном пособии изложены физико-химические основы процессов сварки полимерных материалов, даны краткие сведения о полимерах, описаны способы соединения пленок, труб, деталей из пластмасс сваркой. Приведены примеры современного оборудования российского и иностранного производства. Рассмотрены методы контроля качества сварных соединений и сформулированы правила техника безопасности.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 150202 Оборудование и технология сварочного производства.
1.1. Краткая характеристика пластмасс Пластмассы нашли широкое применение в разных отраслях промышленности. Их применение обеспечивает большой экономический эффект благодаря их свойствам.
Изготовление пластмассовых конструкций (деталей), как правило, менее трудо- и энергоемко, чем из других материалов. Пластмассы легко перерабатываются в изделия различными способами, приобретая при этом любую заданную форму, цвет, фактуру, не требуя почти никакой дополнительной обработки.
Пластмассы с успехом заменяют конструкции из легированных сталей, драгоценных металлов, дерева и других материалов, позволяя экономить промышленно важные материалы. При этом коэффициент их использования составляет 0,9-0,95 (при обработке металлов он равен 0,6-0,7).
Применение пластмасс в ряде случаев позволяет исключить проблему защиты от коррозии, в 10-15 раз продлить срок службы изделий по сравнению со стальными.
Использование пластмасс позволяет в 8-10 раз уменьшить массу изделий и не менее чем на 15-20% снизить расходы на транспорт.
Из пластмасс изготовляют оригинальные конструкции, которые невозможно сделать из других материалов (мягкие, герметичные оболочковые сооружения, антифильтрационные экраны, консервационную тару с выборочной газопроницаемостью для хранения пищевых продуктов и др.).
Одновременно с этим пластмассы обладают такими свойствами, как эластичность, низкая теплопроводность, оптическая прозрачность, стойкость в агрессивных средах, высокие диэлектрические характеристики, простота формования изделий и т.д. Термопласты перерабатываются в изделия методами экструзии, вакуум - и пневмодеформирования, литья под давлением и центробежного литья, штампования и т.д.
Однако не всегда можно этими методами сразу получить готовое изделие. Это относится к крупногабаритным изделиям, изделиям сложной формы, трубопроводным системам и т.д. В этих случаях задача решается путем расчленения сложного изделия на отдельные технологически простые детали.
После изготовления их соединяют известными методами. Применяют сварные, резьбовые, заклепочные, клеевые и др. виды соединений. Наиболее перспективным способом соединения является сварка, поскольку этот процесс в наибольшей степени поддаётся механизации, обеспечивает высокое качество соединений, позволяет снизить трудоемкость операций и т.д. Именно этим объясняется многообразие технологических вариантов сварки пластмасс, типов оборудования и оснастки для их реализации.
Сварку применяют для получения изделий не только из полуфабрикатов (профилей, пленок, труб, тканей), но и все в большей степени из фасонных деталей. Например:
- в машиностроении:
подшипники скольжения (смазка-вода);
зубчатые и червячные колеса (бесшумность, плавность хода);
детали тормозных устройств;
кузова транспортных устройств;
рабочие органы насосов и др.
- в химической промышленности:
трубопроводы;
травильные и электролизные ванны;
рабочие органы насосов и др.
- в электротехнике:
корпуса приборов;
изоляционные прокладки, трубки, ленты;
полупроводники.
- в строительстве:
покрытия, защитные оболочки;
настилы полов;
кровли теплиц и оранжерей;
пленочная тара;
панели, окна, двери, подоконники;
трубопроводы.
мед. аппаратура;
искусственные органы;
системы, шприцы и др.
- в автомобилестроении:
внутренняя обивка;
бампера, панели;
корпуса аккумуляторов;
пробки, заглушки, крышки и др.
игрушки;
канцтовары;
упаковки, тара;
пакеты;
ткани и др.
В настоящее время сварка пластмасс все шире используется в различных отраслях промышленности. Увеличивается номенклатура сварных изделий из пластмасс, в том числе и высоко ответственных, работающих в экстремальных условиях (в космосе, под водой, в вакууме, в коррозионно-активных средах).
1.2. Строение полимерных материалов П л а с т и ч е с к и е м а с с ы – это большая группа разнообразных многокомпонентных материалов, полученных на основе синтетических или естественных полимеров путем введения различных добавок.
П о л и м е р ы – это высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся элементов – звеньев, являющихся мономерами. Число таких элементарных единиц характеризует степень полимеризации полимера. Полимеры могут иметь происхождение е с т е с т в е н н о е (целлюлоза, натуральный каучук и др.) и и с к у с с т в е н н о е (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т.д.).
Д о б а в к и, которые вводят в смеси при изготовлении пластмасс, служат для придания последним свойств, которыми должны обладать готовые изделия, или для облегчения их переработки. Они могут выполнять роль наполнителей, вспенивающих агентов, пластификаторов, стабилизаторов, красителей, смазок и т.д. Добавки могут иметь полимерную или мономерную природу и находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.
С т а б и л и з а т о р ы (термостабилизаторы и антиоксиданты) служат для повышения стойкости пластмасс к воздействию света, солнечной радиации, тепла, кислорода воздуха и др. факторов, способствующих развитию цепной реакции деструкции (разложения) полимеров.
П л а с т и ф и к а т о р ы улучшают технологические и эксплуатационные свойства полимеров (текучесть, способность перерабатываться различными методами, пластичность, эластичность и т.д.).
Н а п о л н и т е л и, как правило, способствуют увеличению прочности, улучшению диэлектрических свойств, химической стойкости полимеров. Их вводят и с целью уменьшения расхода полимерной смолы.
О р г а н и ч е с к и е н а п о л н и т е л и : хлопковые очёсы, обрезки ткани, бумаги, древесный шпон.
и др.
Образование макромолекул связано со способностью некоторых мономеров при определенных условиях соединяться друг с другом с помощью ковалентных химических связей. Под действием энергетических факторов (света, тепла, элементарных частиц и т.д.) происходит активация мономера, которая сопровождается раскрытием двойных связей. Процесс может идти в газовой фазе, в твердой фазе, в растворителях и в водных эмульсиях.
Этот химический процесс осуществляется в результате реакций полимеризации или поликонденсации.
П о л и м е р и з а ц и я – это процесс образования высокомолекулярных соединений без выделения побочных продуктов (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, поливинилхлорид и др.).
Если в реакции полимеризации участвует не один, а несколько видов мономеров, то полученные продукты называются с о п о л и м е р а м и. Сополимеризация позволяет значительно расширить номенклатуру полимерных материалов, придав им самые разнообразные свойства (например, ударопрочный полистирол представляет собой сополимер стирола с бутадиеном, обладающим высокой ударной вязкостью).
П о л и к о н д е н с а ц и я – процесс образования высокомолекулярных соединений из мономеров одинакового или различного строения, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных веществ. К этому типу относятся полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты и др.
Свойства пластмасс определяются главным образом их основой – полимером.
Отличительная особенность строения полимеров – наличие цепных молекул – макромолекул, в которых последовательно связано большое количество атомных группировок, называемых звеньями.
Вдоль цепи полимера действуют химические связи, которые обеспечивают высокую прочность связи цепи. Отдельные же цепи между собой связаны межмолекулярными силами взаимодействия. Эти силы слабее химических.
Однако в полимерах, вследствие большой длины макромолекул, эти молекулярные связи становятся весьма прочными.
Образование полимера рассмотрим на примере полиэтилена. Полиэтилен получают из простейшего непредельного углеводорода – газа этилена (СН2=СН2). При полимеризации полиэтилена двойная связь в молекуле этилена разрывается, образуя две свободные связи (–СН2–СН2–), с помощью которых молекулы этилена объединяются, образуя длинную молекулу полиэтилена Число звеньев «n» не имеет определенной величины и может колебаться в пределах от одной до ста тысяч (1000-100000). Длина каждой цепочки в тысячи раз превосходит её толщину. На концах цепочек располагаются атомы или радикалы (группы атомов), отличающиеся по составу от внутренних звеньев.
Полимеры различаются:
• по строению молекул;
• по способу получения;
• по поведению при тепловой обработке;
• по надмолекулярной организации.
В зависимости от строения макромолекул различают:
– линейные полимеры;
– разветвленные полимеры;
– пространственные (сетчатые) полимеры.
Л и н е й н ы е полимеры представляет собой длинные зигзагообразные цепи. Типичными представителями линейных полимеров являются полиэтилен, поликапроамид, политетрафторэтилен.
В р а з в е т в л е н н ы х полимерах основная цепь имеет боковые ответвления, число и длина которых могут варьироваться в широких пределах. Примером разветвленных полимеров служит полиметилметакрилат. Разветвленность макромолекул приводит к значительному изменению свойств полимера.
Линейные и разветвленные полимеры обычно хорошо растворяются и плавятся (переходят в вязкотекучее состояние). Однако при большой разветвленности молекула становится настолько громоздкой, что может потерять способность самопроизвольно переходить в раствор.
П р о с т р а н с т в е н н ы е или сетчатые полимеры представляют структуры, построенные из длинных цепей, соединенных друг с другом в трехмерную сетку поперечными химическими связями, образованными из атомов или групп атомов. Даже небольшое число поперечных связей приводит к потере полимером способности плавиться, растворяться и пластически деформироваться. При нагревании такие полимеры способны только к большему или меньшему размягчению, а в растворителях лишь набухают.
По способу получения полимеры могут быть:
– полимеризационные;
– поликонденсационные.
В зависимости от поведения при нагреве полимеры и пластмассы на их основе делят на две группы:
– термопластичные (термопласты);
– термореактивные (реактопласты).
Большинство методов переработки, в том числе и сварка пластмасс, сопровождаются вводом энергии, которая, так или иначе, превращается в тепловую.
Способность пластмасс к переработке и свариваемость зависят в первую очередь от их поведения при нагревании и деформировании.
Т е р м о п л а с т ы под воздействием теплоты не претерпевают существенных химических изменений. Они могут многократно нагреваться и доводиться до размягчения, а затем вновь возвращаться в исходное состояние. К ним относится большинство полимеризационных пластмасс. Длинные цепные молекулы термопластов способны принимать различные пространственные формы (конформации). Вид конформации молекул (зигзаг, винтовая, складчатая, клубок) существенно влияет на свойства пластмасс.
Р е а к т о п л а с т ы под воздействием нагрева подвергаются необратимым изменениям в результате соединения макромолекул друг с другом поперечными химическими связями с образованием трехмерных сеток, теряя способность переходить в вязкотекучее состояние. Это происходит при первичной термической обработке. Реактопласты могут соединяться только химической сваркой.
В зависимости от способности образовывать и упорядочивать надмолекулярные структуры все полимеры можно разделить на:
– кристаллические, – аморфные.
К р и с т а л л и ч е с к и е полимеры никогда не бывают закристаллизованными полностью и содержат обычно как кристаллическую, так и аморфную фазы. Одна и та же макромолекула в них может находиться в нескольких кристаллах, проходя при этом через несколько аморфных областей. Способность полимеров к кристаллизации зависит от их химического строения. Многие полимеры ни при каких условиях не проявляют способности к кристаллизации.
Отношение объема всех кристаллических областей полимера к его общему объему называется степенью его кристалличности. Высокая степень кристалличности (60-80%) характерна для полиэтилена высокой плотности, полипропилена, фторопластов, поликарбонатов, полиформальдегида. Меньшая степень кристалличности у полиамидов, поливинилиденхлорида, полиэфиров, полиэтилена низкой плотности. В зависимости от условий роста кристаллы могут принимать различную форму.
В зависимости от формы кристаллических образований меняются и физико-механические свойства одного и того же полимера. Рост кристаллов происходит медленно; необходимы достаточно высокая подвижность молекул и повышенная температура. Быстрое охлаждение расплавленного полимера приводит к тому, что только часть малых кристаллов успевает агрегатироваться в крупные кристаллические образования, а большая часть участков молекулярных цепей так и остается в состоянии разрыхленной упаковки, характерной для аморфных систем. Кристаллическая структура повышает межмолекулярное взаимодействие, снижая гибкость молекул и хладотекучесть полимера под нагрузкой. Полимер становится более твердым и прочным, возрастает температура его перехода в вязкотекучее состояние.
Сварка кристаллических полимеров требует особенно тщательного соблюдения режимов последующего охлаждения с тем, чтобы структура рекристаллизованного материала в зоне прогрева приближалась к кристаллической структуре, приданной всему полимеру в процессе его формирования в изделие.
Растяжением полимера при температуре несколько ниже температуры его плавления можно ориентировать его кристаллы в направлении растягивающего усилия (рис.1.1). Ориентированные полимеры приобретают анизотропность физических свойств и механической прочности тем более высокую, чем выше степень ориентации. Снижением температуры удается зафиксировать ориентированную структуру полимера с более высокой прочностью к ударным и статическим нагрузкам в направлении ориентации. При вторичном нагреве материала до температуры, близкой к температуре плавления, происходит дезориентация его структуры. Большая часть профильных изделий, волокон, пленок, листов, труб из термопластичных полимеров выпускается в ориентированном состоянии.
Рис.1.1. Структура кристаллического полимера до ориентации (а) и после ориентации (б) В процессе сварочного нагрева таких изделий неминуема дезориентация материала в местах его прогрева, что существенно изменяет свойства всего изделия и околошовной зоны. По мере нагрева полимера в нем постепенно нарушается упорядоченное расположение молекул и начинается переход из кристаллической фазы в аморфную.
А м о р ф н ы е полимеры имеют более простые надмолекулярные структуры. Формы надмолекулярной организации в аморфных полимерах могут быть различными: глобулы, образованные свернутыми макромолекулами, развернутые цепи, собранные в пачки, а также более сложные образования.
Для всех полимеров с повышением температуры изменение формы макромолекул становится более активным и гибкость цепей повышается, а при некоторых высоких температурах тепловое движение выражается в перемещении целых макромолекул относительно друг друга.
Для аморфных полимеров известны три физических состояния, обусловленные гибкостью цепных молекул:
Аморфное твердое состояние полимера, называемое с т е к л о о б р а з н ы м, характеризуется фиксированным расположением макромолекул относительно друг друга и наличием колебательного движения атомов, входящих в состав цепи, около положения равновесия. Колебательное движение звеньев и перемещение цепи как единого целого практически отсутствует. В таком состоянии полимер может оставаться практически неограниченно долго.
По мере повышения температуры «размораживается» подвижность молекулы, и полимер переходит в в ы с о к о э л а с т и ч н о е состояние. Это состояние характеризуется наличием колебательного движения звеньев или группы звеньев, вследствие которого полимер приобретает способность значительно удлиняться под воздействием нагрузки и возвращаться в первоначальное состояние после её снятия.
Дальнейший нагрев аморфного полимера приводит к переходу его в в я з к о т е к у ч е е состояние, когда полимер приобретает способность необратимо течь под воздействием даже незначительных внешних воздействий. Это обусловлено интенсивным тепловым движением отдельных звеньев, сегментов и перемещением молекул как единого целого.
Переход из одного состояния в другое совершается в некотором диапазоне температур. Средние температуры диапазонов называются температурами перехода.
Т е м п е р а т у р а с т е к л о в а н и я (ТС) – температура перехода из высокоэластичного состояния в стеклообразное (и обратно).
Т е м п е р а т у р а т е к у ч е с т и (ТТ) – температура перехода из высокоэластичного состояния в вязкотекучее (и обратно).
При нагреве полимера значительно выше температуры текучести начинается термодеструкция полимера. Температура начала термоокислительной деструкции определяет максимальную температуру нагрева (Тр) полимера при сварке.
1.3. Характеристика некоторых распространенных полимеров Для изготовления сварных конструкций наиболее широко применяют листы, трубы и пленки из термопластичных полимеров – полиамидов, полиолефинов, хлор- и фторсодержащих полимеров и сополимеров, полиакрилатов, полистирола, поликарбонатов и полиэтилентерефталата.
К п о л и а м и д а м относятся полимеры, содержащие в основной цепи макромолекулы амидные группы (–СО–NH–). В большинстве случаев – это кристаллические вещества с резко выраженной температурой плавления. Отечественная промышленность выпускает главным образом капрон и нейлон, используемые для изготовления волокон, пленок, деталей машин.
материалы на основе полимеров и сополимеров винилхлорида и винилиденхлорида.
Наиболее широкое применение получили материалы на основе поливинилхлорида в связи с его сравнительно низкой стоимостью, хорошими физико-механическими и электрическими свойствами, а также способностью перерабатываться практически всеми известными способами.
Поливинилхлорид (ПВХ) (–СН2–СНСl–)n – полимер линейного строения, имеющий степень кристалличности до 10%. Основное количество поливинилхлорида, выпускаемого промышленностью, используется для производства винипласта и пластиката. Винипласт выпускается в виде листов, стержней, труб. Пластикат (пластифицированный поливинилхлорид) применяется для изготовления прокладок, трубок, лент. Значительный объем в производстве поливинилхлоридных материалов занимают пленки.
Поливинилиденхлорид (–СН2–ССl2–)n имеет значительно более ограниченное применение ввиду затруднений, связанных с его переработкой и стабилизацией.
П о л и о л е ф и н а м и называют группу материалов, образующихся при полимеризации или сополимеризации олефинов. К ним принадлежат полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилциклогексан и др. Из них производят пленки, листы, емкости, трубы, контейнеры для упаковки различных продуктов и т.д.
Большинство полиолефинов являются кристаллическими полимерами со сравнительно высокой степенью кристаллизации. По масштабу промышленного производства и разнообразию областей применения первые места среди полиолефинов принадлежат полиэтилену и полипропилену. Это обусловлено ценными техническими свойствами этих полимеров, легкостью их переработки в изделия, а также наличием дешевого сырья. Области применения полиэтилена и полипропилена очень разнообразны: изготовление пленок, труб, листов, изоляции, строительных деталей, емкостей, контейнеров и ряд других изделий.
П о л и э т и л е н [–СН2 – СН2–]n характеризуется весьма малыми силами межмолекулярного взаимодействия. Этим обусловлены гибкость его полимерных цепей, повышенная морозостойкость и эластичность.
В зависимости от способа производства различают полиэтилен высокого давления, или низкой плотности (ПЭНП), и полиэтилен низкого давления, или высокой плотности (ПЭВП). В ПЭНП могут образовываться ответвления от главной цепи, наличие которых снижает плотность упаковки макромолекул.
«