Принципи використання пластмас

Кожен матеріал і кожна група матеріалів мають критерії використання, які визначаються їхніми специфічними експлуатаційними властивостями. Не існує принцип, який в рівній мірі і в повному об'ємі може застосовуватись для всіх матеріалів. Критерії технічної придатності найчастіше виробляються в результаті тривалих досліджень, надійно перевірених практикою.

Вихідними даними для вибору матеріалу служать умови експлуатації конструкції, її функціональні властивості та діючі навантаження. Йдеться про те, щоб при конструюванні брати до уваги міцність, технологію виготовлення, робочий ресурс і, не в останню чергу, економічні фактори.

Ці важливі критерії, не завжди враховують при спробі розширити сферу застосування полімерних матеріалів. Такий формальний підхід наносить певну шкоду, спотворюючи де коли саме уявлення про призначення полімерних матеріалів.

Роль пластмас зовсім не в тому, щоб відігравати роль замінника якихось матеріалів. Охоплюючи безліч технічних і економічних категорій, вони відкривають спеціальні області використання.

Народногосподарський ефект від впровадження полімерних матеріалів виявляється, наприклад, тоді, коли необхідно вирішити проблему корозії і зносу.

Захист від корозії є одною з нагальних проблем трубопровідних систем України. Внаслідок корозійного впливу та довготривалої експлуатації ресурс труб вичерпується і, відповідно, стрімко збільшується аварійність старих металевих трубопроводів. Вони вимагають капітального ремонту або заміни, що зв’язано зі значними капіталовкладеннями.

Якщо раніше цю проблему вирішували за допомогою ізолювання труб та нанесення на їхні внутрішні та зовнішні поверхні захисних покриттів, то з 50-тих років минулого століття розпочалося промислове виготовлення полімерних труб, які швидко завоювали ринок, і тепер є найбільш застосовуваними для спорудження якісних, міцних і довговічних трубопроводів [1,2].

В Євросоюзі показник використання поліетиленових труб при будівництві нових розподільчих газопроводів складає 95 %, а в Японії в законодавчому порядку сталеві труби замінюють на поліетиленові. Це єдиний тип труб, в даний час, які зберігають працездатність при землетрусах. В Україні де є сейсмічні райони (Карпати, Крим), а також підроблювані території (Донецька, Луганська області) дана проблема є актуальною [3, 4, 5].

Постійне розширення використання пластмас як конструкційних і захисних матеріалів створює передумови для обмеження витрат на корозію та зношення матеріалів [6,7].

Там, де діють механічні і термічні навантаження, пластмасами можна замінити дорогі високолеговані металеві матеріали. Успішне впровадження пластмас як матеріалу для підшипників і їх придатність для відновлення металевих частин також підтверджує технічне і економічне значення полімерів.

Відповідно до планованої структури використання матеріалів пластмаси відіграють все більшу роль. В даний час світове виробництво пластмас перевищує 200 млн. тонн на рік із щорічним приростом біля 5 %. Відносна доля металевих матеріалів в структурі використовуваних матеріалів має помітну тенденцію до зниження, хоча абсолютний об'єм металевих матеріалів ще зростатиме.

З точки зору економії матеріалу пластмаси також мають ряд переваг. Сучасна технологія дозволяє виробляти деталі складного профілю за один технологічний цикл, без подальшої обробки різанням, тобто без відходів. Використання нових конструкційних принципів також робить можливою значну економію матеріалу.

Пластмаси мають досить високі механічні та антифрикційні властивості що дозволяє понизити вагу конструкції, зберігши за цього високі характеристики її міцності.

Використання полімерних матеріалів дозволяє знайти такі конструктивні рішення для полегшених виробів, які вимагають абсолютного мінімуму витрат матеріалу. Як приклад можна назвати принцип багатошарових конструкцій. Для випадків, коли експлуатаційні властивості визначаються показниками потужності, що залежать у свою чергу від маси, вигідність полегшених конструкцій очевидна.

Є і інші критерії, які, як правило, мають специфічну природу. Наприклад, правильний вибір матеріалу або його компонентів з точки зору навантажень, що діють на нього. Так, залежно від типу поліетилену вибирається і сфера його використання. Там, де сильний вплив мають процеси старіння матеріалу, слід віддати перевагу полімеру з добавкою стабілізатора і навпаки, стабілізувати поліетилен завжди було б недоцільно з економічних міркувань. Якщо матеріал піддається дії середовища, яке може викликати утворення тріщин, то, природно, вибирають полімер, стійкий до утворення тріщин.

Сфера застосування полімерних матеріалів розширюється в разі їх негорючості, високої теплостійкості, підвищеній ударній в'язкості при низьких температурах, високій стійкості до стирання, низького тертя ковзання, фізіологічної інертності і інших позитивних властивостей.

Одночасно слід брати до уваги можливість переробки. Так, одні типи пластмас із певними ознаками передбачають, наприклад, лише переробку екструзією, інші, навпаки, призначені для литва під тиском та для нанесення покриттів.

Важливою передумовою для інтенсивного використання цієї групи матеріалів є правильне конструювання виробів. На відміну від металевих матеріалів, для пластмас характерна в'язко-еластична поведінка, яка обумовлює помітно виражену залежність міцності і деформаційних властивостей від часу. До цього слід додати істотно сильніший вплив температури на властивості матеріалів, а також порівняно малу ділянку робочих температур. При конструюванні деталей із пластмас для характеристики полімерного матеріалу потрібно використовувати не окремі постійні показники, а безліч їх функцій. Значення характеристик, що зазвичай представляються в таблицях, справедливі лише для певного часу експлуатації і несуть недостатню інформацію.

Хоча характеристики міцності використовуваних пластмас через їхню залежність від часу навантаження і температури нижчі, ніж для металевих матеріалів, вирішальними для конструктивного оформлення і розмірів конструкцій з пластмас є не міцність, а деформаційні властивості. Особливо низькі значення модуля пружності, який для термопластів знаходиться від 1/70 до 1/1О долі модуля пружності сталі. Для склопластиків ця величина складає від 1/10 до 1/20 і також вимагає надійних доказів стабільної поведінки конструкції в процесі експлуатації.

За вказаними причинами для пластмас потрібно вибирати такі конструктивні рішення, при яких планується висока жорсткість. Збільшення товщини стінок для підвищення жорсткості грає незначну роль, зате вартість матеріалів зростає істотніше, ніж стійкість деталей. Тому при спорудженні пластмасових газопроводів використовують поліетилен марки ПЕ 100, який має низку переваг над іншими марками. ПЕ 100 має більший запас міцності і витримує більші робочі тиски та має більший запас міцності, що дає змогу заощаджувати на товщині стінки труби та збільшувати її пропускну здатність [8,9].

Незначна теплопровідність і велике теплове розширення полімерних матеріалів, природно, вимагають обережності при їх використанні, особливо в машинобудуванні, коли у складі однієї конструкції використовуються різні матеріали. Різниця в коефіцієнтах розширення різних матеріалів може призвести до розвитку внутрішніх напружень та передчасному руйнуванню виробів.

Узагальнюючи сказане, ще раз слід підкреслити, що виявлення границь впровадження полімерних матеріалів вимагає багатогранної якісної інформації, особливо при визначенні залежності міцності і деформаційних властивостей від часу. Крім того, вирішені ще не всі проблеми, пов'язані із старінням полімерних матеріалів. До цих пір конструктори вимушені приймати запас міцності інколи, можливо, дуже високий. Складність прогнозування експлуатаційних можливостей виражається, серед інших, в питанні про те, яких змін властивостей слід чекати через 20, 50 або 100 років. Тут, наприклад, слід брати до уваги виникнення дефектів в мікроструктурі матеріалу. Проте закономірності їх виникнення і поширення ще широко не досліджені. У якому об'ємі вони можуть бути допустимі, і при якому напруженні починається руйнування? Отримавши відповідь на ці питання, можна було б точніше сказати про границі і критерії широкого впровадження полімерів.

1.2 Особливості будови пластмас

Пластмасами називають багатокомпонентні системи, що складаються з полімеру, який є основним компонентом та добавок. Полімери, це хімічні сполуки з високою молекулярною масою (від декількох тисяч до декількох мільйонів), молекули яких (макромолекули) складаються з великого числа угрупувань (мономерних ланок). Атоми, що входять до складу макромолекул, взаємодіють один з одним за допомогою сил головних і (або) координаційних валентностей.

Добавки, що входять до складу пластмас, слугують у якості стабілізаторів, пластифікаторів, барвників, наповнювачів. Кожна з добавок виконує певні функції. Так, стабілізатори потрібні для підвищення стійкості при дії світла, сонячної радіації, тепла, пластифікатори покращують технологічні та експлуатаційні властивості, а наповнювачі, як правило, сприяють збільшенню міцності, покращенню діелектричних властивостей, хімічної стійкості пластмас. Їх вводять також з метою економії полімерної основи пластмаси.

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

За походженням полімери діляться на природні (біополімери), наприклад білки, нуклеїнові кислоти, натуральні смоли та синтетичні, наприклад поліетилен, поліпропілен та фенол – формальдегідні смоли. Атоми та атомні групи можуть розміщуватись в макромолекулі у вигляді відкритого ланцюга або витягнутої в лінію послідовності циклів (лінійні полімери, наприклад каучук натуральний); ланцюга з розгалуженням (розгалужені полімери, наприклад амілопектин); трьохмірної сітки (зшиті полімери отверджені фенол – формальдегідні смоли). Полімери, молекули, яких складаються з однакових мономерних ланок, називаються гомополімерами, наприклад полівінілхлорид, полікапроамід, целюлоза, якщо ж з різних – гетерополімерами (нуклеїнові кислоти). В залежності від складу основного ланцюга полімери діляться на: гетеро - ланцюгові, в основі ланцюга яких є атоми різних елементів (вуглецю, азоту, кремнію, фосфору)і гомо - ланцюгові, основні ланцюги яких складаються з однакових атомів. Із гомо - ланцюгових полімерів найбільш поширені карболанцюгові полімери, основні ланцюги яких складаються тільки з атомів вуглецю, наприклад поліетилен, поліметилметакрилат, політетрафторетилен. Приклади гетероциклічних полімерів – поліефіри (поліетилентерефталат, полікарбонати), поліаміди, білки, деякі кремнійорганічні полімери. Полімери, макромолекули, яких поряд з вуглеводневими групами вміщають атоми неорганічних елементів, називаються елементоорганічними. Окрему групу полімерів складають неорганічні полімери, наприклад пластична сірка, поліфосфонітрилхлорид.

Макромолекули полімерів володіють гнучкістю та способами міняти форму під впливом теплового руху їх ланок або електричного поля. Ця властивість пов’язана із внутрішнім обертанням окремих частин молекул одна відносно одної. Не переміщуючись у просторі, кожна макромолекула знаходиться в неперервному русі, котрий визначається в зміні її конформації.

Гнучкість макромолекул характеризує величина сегменту, тобто число ланок в ній, котрі в умовах даної конкретної дії на полімер проявляють себе як кінетично самостійні одиниці, наприклад в полі високої частоти, як диполі. За реакцією до зовнішніх електричних полів розрізняють полярні (поліетилен, поліпропілен) та неполярні (полівінілхлорид) полімери. Між макромолекулами діють сили притягання, викликані ван-дер-ваальсовою та іонною взаємодією, а також водневими зв’язками. Сили притягання проявляються при зближенні макромолекул на 0,3-0,4 нм.

Полярні та неполярні пластмаси між собою несумісні – між їхніми макромолекулами не виникає взаємодії (притягання), тобто між собою вони не зварюються.

За структурою розрізняють два види пластмас – кристалічні та аморфні. В кристалічних на відміну від аморфних спостерігається не тільки ближній, але й дальній порядок. При переході із в’язко-текучого стану в твердий макромолекули кристалічних полімерів утворюють впорядковані асоціації кристалів переважно у вигляді сферолітів. Чим менша швидкість охолодження розплаву термопластичного матеріалу, тим більш крихкі виростають сфероліти. Але і в кристалічних поліетиленах завжди залишаються аморфні ділянки. Змінюючи швидкість охолодження, можна регулювати структуру, а внаслідок цього, і властивості зварного з’єднання.

Різниця поздовжніх та поперечних розмірів макромолекул призводить до можливості виконання специфічного для полімерів орієнтованого стану. Він характеризується розміщенням осей ланцюгових макромолекул переважно вздовж одного напрямку, що призводить до появи анізотропії. Отримання орієнтованих пластмас реалізується шляхом їхнього одноосьового витягнення при кімнатній або підвищеній температурі. Але при нагріві ефект орієнтації знижується або зникає, тому що макромолекули знову приймають термодинамічно найбільш ймовірні конфігурації завдяки ентропійній пружності, обумовленій рухом елементів.

Синтетичні високомолекулярні з’єднання отримують із мономерів в результаті реакції полімеризації або поліконденсації.

Утворення макромолекул пов'язане із здатністю деяких мономерів за певних умов з'єднуватися один з одним за допомогою ковалентних хімічних зв'язків. Під дією енергетичних чинників (світла, тепла, елементарних часток і так далі) відбувається активація мономера, яка супроводжується розкриттям подвійних зв'язків. Процес може йти в газовій або в твердій фазах, в розчинниках і у водних емульсіях. Цей хімічний процес здійснюється в результаті реакцій полімеризації та поліконденсації.

Полімеризація – це процес утворення високомолекулярних з’єднань без виділення побічних продуктів (поліетилен, поліпропілен, поліізобутилен, полістирол, полівінілхлорид і ін.). Якщо в реакції полімеризації бере участь не один, а декілька видів мономерів, то отримані продукти називаються співполімерами. Співполімеризація дозволяє значно розширити номенклатуру полімерних матеріалів, додавши їм найрізноманітніші властивості. Послідовне з'єднання порівняно невеликих відрізків різних молекул дозволяє отримати так звані блок-співполімери, які суміщають в собі властивості як одного, так і іншого компоненту, з яких вони отримані. Близько до співполімерів за характером суміщення властивостей окремих компонентів є привиті полімери.

Поліконденсація – процес утворення високомолекулярних з’єднань з мономерів однакової або різної будови, що супроводжується виділенням побічних низькомолекулярних речовин. Молекулярний ланцюг в даному випадку росте за рахунок послідовного приєднання одної молекули до іншої. До цього типу відносяться поліефіри, поліаміди, поліуретани, полікарбонати і ін.

1.3 Властивості пластмас

Більшість пластмас і вироби з них мають тверду, блискучу поверхню. Пластмасові конструкції не потребують лакування, а також поверхневого фарбування, тому що у процесі виробництва шляхом додавання різних пігментів можна отримати будь-які кольори і відтінки виробів, у тому числі і багатоколірні імітації натуральних каменів, шкіри, перламутру. Пластмаси можуть бути декоровані папером і тканиною.

Середня густина пластмас знаходиться в широкому діапазоні ‑ від 15 до 2200 кг/м³.Найменшу густину мають пористі пластмаси. Істотний вплив на густину мають наповнювачі. В середньому пластмаси в 6 разів легші за сталь і в 2,5 рази за алюміній. Пластмаси, як правило, мають високу міцність як при стискуванні, так і при розтягуванні і вигині. Границя міцності при стискуванні і розтягуванні найбільш високоміцних пластмас досягає 300 МПа і більше.

На відміну від металів і ряду інших матеріалів твердість пластмас не дає уявлення про їхню міцність. Навіть для таких найбільш твердих пластмас, як текстоліти (наповнювач — бавовняна тканина), твердість приблизно в 10 разів менша, ніж у сталі. Не зважаючи на невисоку твердість, пластмаси (особливо еластичні) мають низьку стиранність, що і дозволяє широко використовувати їх для покриття підлоги. Стиранність, наприклад, одношарового полівінілхлоридного лінолеуму 0,06 г/см², багатошарового 0,035 г/см², тобто приблизно така ж, як стиранність граніту (0,025…0,13 г/см² ).

Опір пластмас до ударних дій, що визначається відношенням ударної енергії на руйнування до площі поперечного перерізу зразка, досягає високих значень для густих пластмас (50-150 кДж/м²) і може різко знижуватися у міру збільшення їх пористості.

Багато пластмас, що піддаються розтягуванню, характеризуються значною мірою деформації. Відносне видовження, тобто приріст довжини матеріалів у момент розриву до його первинної довжини для плівок з поліетилену, складає 300 %, полівінілхлориду ­ 150 %, бутилкаучуку – 100 %.

Характеристикою пружних властивостей матеріалів служить модуль пружності. Цей параметр для пластмас значно менший, ніж для інших матеріалів. Залежно від модуля пружності виділяють жорсткі, напівжорсткі, м'які і еластичні пластмаси. Прикладами жорстких пластмас, що руйнуються крихко з незначним подовженням при розриві, є фенолоформальдегідні і гліфтальові (поліефірні) пластмаси; вони мають модуль пружності більше 1000 МПа. М'які пластмаси (поліетилен і ін.) мають модуль пружності 20-100 МПа, для них характерне високе відносне подовження. Напівжорсткі пластмаси (поліпропілен і ін.) мають проміжні значення модуля пружності 400-1000 МПа. Для еластичних пластмас (гуми і близьких до неї матеріалів) модуль пружності не перевищує 20 МПа за нормальної температури.

Невисокі значення модуля пружності пластмас сприяють поступовому збільшенню незворотних деформацій при постійному навантаженні - повзучості. Повзучість пластмас можна значною мірою пояснити ковзанням макромолекул полімерної зв’язуючої речовини. Вона істотно зростає навіть при незначному підвищенні температури. Для пластмас на основі просторових полімерів, молекули яких «зшиті» поперечними зв'язками, повзучість значно менша. Підвищена повзучість обмежує використання пластмас в несучих конструкціях, що працюють під великими навантаженнями.

Теплопровідність густих пластмас без наповнювача 0,116…0,348 Вт/(м°С). Для пористих пластмас вона наближається до теплопровідності повітря і складає 0,028…0,0348 Вт/(м∙°С). Внесення мінеральних наповнювачів збільшує теплопровідність пластмас. Теплозахисні властивості пластмас відкривають можливість їх широкого використання в теплозахисних конструкціях будівель.

При низькій теплопровідності пластмаси характеризуються в той же час великим тепловим розширенням. Коефіцієнт лінійного теплового розширення поліетилену (160…230)∙10^-6 °С^-1, полівініл-хлориду (80…90)∙10^-6 °С^-1, фенолоформальдегідних полімерів (10…30)∙10^-6 °С^-1, сталі 12∙10^-6 °С^-1. Значення теплового розширення пластмас необхідно враховувати при проектуванні і експлуатації конструкцій, щоб не допустити деформацій і утворення тріщин.

У міру підвищення температури починається плавлення пластмас. Температура початку плавлення більшості термопластичних полімерів складає 105…165 °С. Теплостійкість пластмас, що характеризується температурою, при якій спостерігається гранично можлива деформація, знаходиться зазвичай в діапазоні 60…180 °С. Мінімально допустима температура експлуатації, при якій пластмаси стають крихкими, коливається в широкому діапазоні: від мінус 10 °C для вініпласту до мінус 270 °С для матеріалів з політетрафторетилену.

Багато пластмас легкозаймисті та горять відкритим полум'ям як в зоні вогню, так і поза нею. До туго займистих відносяться пластмаси на основі полівінілхлориду, фенолоформальдегідних, карбамідних, кремнійорганічних полімерів. Введення в горючі полімери спеціальних добавок ‑ антипіренів також переводить пластмаси в групу складно займистих. Не горять і не тліють під дією вогню фторопласти, перхлорвінілові пластмаси.

Густі пластмаси водо- і паронепроникні. Найменше водопоглинання (0,1…0,5 %) мають гідрофобні полімерні матеріали (поліетиленова і полівінілхлоридна плівки, склопластики, вініпласт тощо). Вміст в пластмасах великої кількості гідрофільного наповнювача, наприклад деревної стружки, різко збільшує водопоглинання.

Багато ненаповнених пластмас мають високу прозорість. Це дозволяє на їх основі виготовляти органічні стекла, використовувані для скління оранжерей, теплиць, будівель лікувального призначення. Найбільш поширене органічне скло ‑ поліметилметакрилат пропускає до 94 % променів видимої частини спектру і 73,5 % ультрафіолетових променів, тоді як звичайне силікатне скло відповідно 84…87 % і 0,3…0,6 %.

Полімерні матеріали, як правило, хороші діелектрики. При їх експлуатації слід враховувати можливість накопичення на поверхні електростатичного заряду, що утворюється під дією сил тертя. Міра електризації таких рулонних матеріалів, як полівінілхлоридний лінолеум, може досягати 65 В/см². Це слід враховувати щоб уникнути пожежі особливо в приміщеннях, де концентруються пари легкозаймистих рідин. Електроакумулюючу здатність пластмас зменшують введенням в їх склад спеціальних речовин-антистатиків і струмопровідних наповнювачів.

Синтетичні полімери і пластмаси на їх основі мають високу стійкість до агресивних середовищ. Найбільш стійкі до дії кислот, лугів, солей, різним окислювачам карболанцюгові полімери. Гетероланцюгові полімери легше піддаються дії хімічних реагентів. Наявність в макромолекулах гідроксильної групи, наприклад в молекулах полівінілового спирту, знижує стійкість полімеру до дії води, кислот і лугів. Навпаки, заміна атомів водню у складі макромолекул фтором збільшує хімічну стійкість полімерів. Фторопласти за хімічною стійкістю перевершують благородні метали, спеціальні сплави, протикорозійну кераміку.

Більшість пластмас стійкі не лише до дії хімічних реагентів, але і до дії грибків, бактерій, комах і гризунів, тобто мають біологічну стійкість. Біологічно нестійкими є пластмаси, що складаються в основному з дерев’яного наповнювача (дерев’яностружкові і древ’яноволокнисті плити), деякі високо пористі пластмаси (міпора), вироби з поліетилену. При підвищеній вологості і температурі елементи будівель із застосуванням дерев’яностружкових і дерев’яноволокнистих плит, а також міпори можуть вражатися грибками і бактеріями. Біостійкість пластмас покращують добавками антисептиків.

При використанні пластмас для підлоги, внутрішнього облицювання стін потрібно враховувати їх санітарно-гігієнічні властивості. Ряд пластмас, особливо на основі фенолоформальдегідних, поліефірних, епоксидних полімерів, при неповному завершенні процесів поліконденсації або полімеризації, мають вміст токсичних пластифікаторів, затверджувачів, розчинників та можуть виділяти в довкілля речовини, шкідливі для здоров'я людини і тварин.

Під впливом теплоти, світла, кисню повітря в пластмасах в тій або іншій мірі відбувається незворотна зміна експлуатаційних властивостей ‑ старіння. Процес старіння прискорюється під дією механічних навантажень. Старіння пластмас різко сповільнюється при введенні добавок-стабілізаторів.

За поведінкою до теплової дії пластмаси діляться на:

- реактопласти;

- термопласти.

Реактопласти (термореактивні) – пластмаси переробка яких у вироби супроводжується незворотною хімічною реакцією, що призводить до утворення неплавкого і нерозчинного матеріалу. Вони затверджуються під впливом тепла, ультра – фіолетового випромінювання з утворенням просторової тривимірної структури, нерозчинної в органічних розчинниках і нездатної змінювати свою форму при подальшій тепловій дії. Нагрівання реактопластів призводить до їхньої деструкції. Найбільш поширені реактопласти на основі фенол формальдегідних, поліефірних, епоксидних і карбамідних смол. Реактопласти містять зазвичай великі кількості наповнювача – скловолокна, сажі, крейди і ін.

Реактопласти (РП) – пластичні маси на основі твердих або рідких, здатних при нагріванні переходити у в’язко текучий стан, реакційно здатних олігомерів (смол), що перетворюються в процесі затвердіння при підвищеній температурі і (або) у присутності затверджувачів в густосітчасті склоподібні полімери, які незворотньо втрачають здатність переходити у в’язко текучий стан.

Термопластами (ТП) називають матеріали, здатні змінювати свою форму під впливом тепла (тобто переходити у в’язко текучий стан), без порушення хімічної будови вихідних молекул.

Основними технологічним властивостями пластмас є текучість, усадка, швидкість затвердіння (реактопластів) і термостабільність (термопластів). Властивості пластмас істотно відрізняються від властивостей металів в процесі їх деформації при кімнатній і підвищеній температурах. При кімнатній температурі характерний особливий вигляд залежності між деформацією і зусиллям, що її викликає. На відміну від металу, для пластмас характерна значна протяжність ділянки від початку текучості до руйнування. Інша відмінність – порівняно мала твердість пластмас і відсутність закономірної залежності між твердістю і міцністю при розриві характерною, наприклад, для сталі..

При нагріванні і дії постійного навантаження високомолекулярні полімери характеризуються трьома станами та відповідними різним температурним інтервалам: склоподібним I, високо еластичним II і в’язко – текучим III (рис.1.1). Перехід з одного стану в інший здійснюється в деякому діапазоні температур. Середні температури діапазонів називаються температурами переходу.

Температура склування (Т_С) – температура переходу з високо еластичного стану в склоподібний (і назад).

Температура текучості (Т_Т) – температура переходу з високо еластичного стану у в’язко - текучий (і назад).

При нагріванні полімеру значно вище за температуру текучості починається його термодеструкція. Температура початку термоокислювальної деструкції визначає максимальну температуру нагрівання (Т_р) полімеру при зварюванні.

При підвищенні температури від початкової до температури склування (Т_с) деформація при постійному навантаженні практично не змінюється.

Рисунок 1.1 – Залежність деформації та модуля пружності полімерів від температури при дії постійного навантаження

Подальше підвищення температури призводить до різкого збільшення деформації в певних межах, після якої вона залишається майже сталою до температури текучості Тт.

У інтервалі температур Т_с – Т_т деформація має зворотний характер. Нижче за температуру склування пластмаси поводяться як крихкий матеріал, в інтервалі температур Т_с – Т_т – як високоеластичний матеріал, вище за температуру текучості – як високов'язка рідина

Якщо матеріалу, що знаходиться у високо еластичному стані, надати яку не будь форму, то зберегти її можна лише, охолодивши виріб нижче за температуру склування, не знімаючи навантаження. При повторному нагріванні після зняття навантаження матеріал набуде первинної форми.

Перехід пластмаси з одного стану в інший відбувається поступово, тому поняття «температура склування» і «температура текучості» відповідають деякому температурному інтервалу. Тривала витримка при високій температурі або подальше підвищення температури викликає термічне розкладання полімеру. Повторне нагрівання в області допустимих температур може бути виконане багато разів. Полімери переробляються у в’язко текучому стані, тому інтервал між температурою текучості і температурою розкладання (Т_р) полімеру визначає температурний інтервал його переробки і зокрема, зварювання.

1.4 Основні пластмаси для зварних конструкцій

Найбільший інтерес з точки зору зварюваності являють собою такі термопласти, як: поліетилен, поліпропілен, полівінілхлорид та полістирол.

Поліетилен є продуктом полімеризації етилену, хімічна формула якого С₂Н₄. Внаслідок розриву подвійного зв'язку етилену утворюється полімерний ланцюг, елементарна ланка якого складається з двох атомів вуглецю і чотирьох атомів водню. В процесі полімеризації може відбуватися розгалуження, коли до зростаючого головного ланцюга збоку приєднується коротка полімерна група. Наявність розгалуження перешкоджає щільній упаковці макромолекул, що призводить до утворення рихлої аморфно-кристалічної структури матеріалу і як наслідок - до зменшення густини полімеру та пониження температури розм'якшення. Різна міра розгалуженості полімерного ланцюга поліетиленів високого (15-25 відгалужень на 1000 атомів вуглецю) і низького тиску (3-6 на 1000 атомів вуглецю) визначає відмінність фізичних, хімічних та експлуатаційних властивостей цих матеріалів.

Поліетилен – пластичний матеріал з хорошими діелектричними властивостями, ударостійкий, такий, що не ламається має невелику поглинальну здатність. Фізіологічно нейтральний, без запаху, має низьку паро і газопроникність. Поліетилен не реагує з лугами будь-якої концентрації, з розчинами будь-яких солей, карбоновими, концентрованою соляною і плавиковою кислотами. Стійкий до алкоголю, бензину, води, овочевих соків, масла. Руйнується 50 % азотною кислотою, а також рідкими і газоподібними хлором і фтором. Поліетилен стійкий при нагріванні у вакуумі і атмосфері інертного газу, але на повітрі деструкція починається вже при 80 °С. Під дією сонячної радіації, особливо ультрафіолетових променів, піддається фото деструкції. Практично нешкідливий, з нього не виділяються в довкілля небезпечні для здоров'я людини речовини.

Існує два способи виробництва поліетилену: за високого тиску отримують поліетилен низької густини, а за низького – високої та середньої густини. Оскільки міцність поліетилену низької густини в 2-3 рази менша, ніж поліетилену високої густини, його використання для трубопроводів обмежується малими діаметрами та областями застосування, що визначають високу гнучкість матеріалу.

З початку 50-х років минулого століття поліетилен (ПЕ) використовують як сировину для виготовлення трубопровідних систем. Використання ПНТ (поліетилену низького тиску) у виробництві труб для водопостачання і газопостачання привело до корінних змін індустрії будівництва трубопроводів по всьому світу.

Трубні марки поліетилену пройшли складний еволюційний шлях. До 1971 року промисловість виробляла тільки поліетилен високої густини. Лінійний гомополімер складався тільки з етиленових ланок, які добре кристалізуються. Його густина складала 965 кг/м³. Відомо, що зі збільшенням густини полімеру зростає його модуль пружності та короткочасна стійкість до внутрішнього тиску і зменшується плинність. Із такого матеріалу ПЕ-63були отримані перші напірні газові труби. За достатньо високої короткочасної міцності гомополімер мав низьку стійкість до розтріскування, і внаслідок зміни характеру руйнування різко знижувалися параметри його міцності у випадку тривалої експлуатації. Значення MRS, що характеризує тривалу міцність і використовується для розрахунку робочого тиску трубопроводів складало 6,3 МПа.

Потреба у підвищенні стійкості до розтріскування та в уникненні переходу від пластичного до крихкого руйнування у межах часу експлуатації призвело до створення поліетилену другого покоління.

За рахунок введення в процесі синтезу співмономерів, які утворюють на макромолекулах поліетилену бокові відгалуження, вдалося різко збільшити стійкість полімеру до розтріскування та збільшити MRS до 8,0 МПа. Але при цьому знизилась короткотермінова міцність, модуль пружності та стійкість до швидкого поширення тріщини, що робить неможливим використання цього поліетилену для виробництва газопровідних труб, які працюватимуть під тиском понад 0,6 МПа.

Поєднання високої короткотермінової міцності та високої стійкості до розтріскування отримали шляхом створення, поліетилену з бімодальним молекулярномасовим розподілом поліетилену. За рахунок цілеспрямованого проведення технологічного процесу отримують дві яскраво виражені групи макромолекул: довго- та коротколанцюгові. При цьому співполімер вводиться у високомолекулярну частину полімеру, що забезпечує високу стійкість до розтріскування поліетилену. Низькомолекулярна частина полімеру утворює кристалічні області, за рахунок яких збільшується густина, короткотермінова та тривала міцність – MRS 10,0 МПа та зростає модуль пружності. Полімер має високу стійкість до швидкого поширення тріщини, тому за даним показником немає перешкод для виробництва труб на робочий тиск до 1,2 МПа для газових труб та до 2,5 МПа – для водопровідних.

Поліетилен легко переробляється всіма основними способами переробки пластмас, легко піддається модифікації. За допомогою хлорування, сульфування, бромування, фторування йому можна додати каучукоподібні властивості, поліпшити теплостійкість, хімічну стійкість. Співполімеризацією з іншими олефінами, полярними мономерами можна підвищити стійкість до розтріскування, еластичність, прозорість, адгезійні характеристики. Змішенням з іншими полімерами або співполімерами можна поліпшити ударну в'язкість і інші фізичні властивості.

Надвисокомолекулярний поліетилен з молекулярною масою більше 1 000 000 має підвищені параметри міцності. Температурний інтервал його експлуатації від мінус 260 до плюс 120 °С. Він має низький коефіцієнт тертя, високу зносостійкість, стійкість до розтріскування, хімічну стійкість в найбільш агресивних середовищах.

Залежно від параметрів полімеризації і використовуваних каталізаторів отримують поліетилен різних типів, що істотно відрізняються за своїми властивостями. Поліетилен отримав найбільше поширення серед пластиків. Він відзначається високою стійкістю до дії органічних розчинників, розведених кислот, лугів і окисників, а також газо- і вологонепроникністю. Поліетилен термопластичний, при нагріванні понад 110 °С він розм’якшується.

Поліетилен - один з найдешевших полімерів, що поєднує цінні властивості із здатністю перероблятися всіма відомими для термопластів високопродуктивними методами. Тому в світовому виробництві пластиків поліетилен займає перше місце.

Завдяки високій хімічній стійкості поліетилен широко застосовується в хімічній промисловості для виробництва труб, частин різних апаратів, внутрішньої футеровки місткостей для зберігання кислот тощо. Поліетилен застосовується також в електротехнічній і радіотехнічній промисловості як добрий ізолятор електропроводів. Значна частина поліетилену йде на виготовлення водопровідних труб, а також різних побутових предметів — поліетиленових плівок, резервуарів, пробок тощо.

Поліпропілен С₃Н₅ – синтетичний, термопластичний, неполярний полімер, що належить до класу поліолефінів. Продукт полімеризації пропілену. Тверда речовина білого кольору. Випускається у формі гомополімеру і співполімерів у вигляді гранул стабілізованих, забарвлених або незабарвлених.

Вирішальний вплив на властивості поліпропілену і виробів з нього має молекулярна і надмолекулярна структура полімерного ланцюга. Поліпропілен характеризується складнішою молекулярною структурою, ніж більшість полімерів, оскільки окрім хімічного складу мономера, середньої молекулярної ваги і молекулярно-вагового розподілу, на його структуру має вплив просторове розташування бічних груп по відношенню до головного ланцюга. У технічному відношенні найбільш важливим і перспективним є ізотактичний поліпропілен. Залежно від типу і співвідношення наявних стереоізомерів властивості поліпропілену змінюються в широкому діапазоні.

Різні властивості полімеру залежать від величини молекулярної маси в різній мірі. Так, при механічних навантаженнях, пов'язаних з малими деформаціями або малими швидкостями деформації, із зміною молекулярної маси (і то лише в полімерів з низькою молекулярною масою) такі властивості полімеру, як межа текучості, модуль пружності або твердість, змінюються небагато. Механічні ж властивості полімеру, пов'язані з великими деформаціями, із зміною молекулярної маси змінюються набагато сильніше. Наприклад, показники межі міцності при розтягуванні, відносне подовження при розриві, ударна в'язкість при вигині і розтягуванні із зменшенням молекулярної ваги знижуються. Найбільший вплив величина молекулярної маси має на в'язкість розчинів і розплавів поліпропілену, оскільки під дією розчинників або в результаті теплового руху ланцюгів відбувається настільки значне зменшення інтенсивності міжмолекулярної взаємодії, що кожна макромолекула може бути більш менш самостійною кінетичною одиницею.

Поліпропілен – пластичний матеріал, що відрізняється високою міцністю при ударі і багатократному вигині, зносостійкістю, хорошими електроізоляційними властивостями в широкому діапазоні температур, високою хімічною стійкістю, низькою паро - і газопроникністю. У тонких плівках практично прозорий. Стійкий до дії кислот, лугів, розчинів солей, мінеральних і рослинних масел при високих температурах. При кімнатній температурі нерозчинний в органічних розчинниках. Розчиняється лише при підвищених температурах в сильних розчинниках: хлорованих, ароматичних вуглеводнях. Поліпропілен добре змішується з фарбниками, легко переробляється, кристалізується та піддається хлоруванню. Температура експлуатації поліпропілену складає 120…140 °С. Поліпропілен чутливий до світла і кисню (чутливість знижується при введенні стабілізаторів), має невисоку морозостійкість, яку можна підвищити введенням в макромолекулу ізотактичного поліпропілену ланок етилену (наприклад, при співполімеризації пропилену з етиленом).

Завдяки своїм споживчим і технологічним якостям поліпропілен має дуже широкий спектр використання і займає друге місце після поліетилену по світовому випуску – 20,5 %. Поліпропілен застосовується для виробництва газових і водопровідних напірних труб, профілів, листів, плівки, меблів, технічних виробів, товарів культурно-побутового призначення, у виробництві поліпропіленового волокна. Окремі марки поліпропілену допущені до контакту з харчовими продуктами і для виробництва виробів медично-біологічного призначення. Властивість поліпропілену пропускати водяні пари, робить його незамінним для упаковки продуктів харчування, а також в будівництві для гідроізоляції.

Для упаковки застосовують неорієнтовані і орієнтовані (у одному або в двох напрямах) поліпропіленові плівки. Орієнтована плівка відрізняється високою механічною міцністю, особливо стійкістю до проколів, проте слабо піддається зварюванню, викликаючи усадку матеріалу в місці зварного шва. Орієнтовану плівку з поліпропілену використовують як захисний зовнішній шар в багатошарових матеріалах, а неорієнтовану – як внутрішній шар. Неорієнтовані поліпропіленові плівки найширше застосовують для упаковки текстильних товарів (трикотаж, сорочки, білизна і так далі). Їхнє використання тут обумовлене хорошою прозорістю у поєднанні з прекрасною зварюваністю на будь-яких пакувальних машинах. Неорієнтовані плівки застосовують для упаковки медичних виробів (особливо багаторазового використання). Відносно висока температура розм'якшення дозволяє проводити стерилізацію. Покриті і співекструдовані поліпропіленові плівки використовують для упаковки печива, де потрібні особливо хороші бар'єрні властивості до кисню і водяних парів. Їх же застосовують для упаковки хрусткої картоплі і інших видів сухих сніданків, гранично чутливих до кисню і парів води. У такі плівки упаковують кондитерські вироби і сигарети. Орієнтований поліпропілен використовують також для усадкових обгорток, там, де потрібний красивий зовнішній вигляд. Поліпропілен також часто використовується для виробництва контейнерів і упаковки для харчових продуктів, особливо, таких, які не деформуються в посудомийних машинах. Він використовується як волокно при виготовленні килимів і килимків для використання в особливо несприятливому середовищі, наприклад, в плавальних басейнах тощо.

Окремим сегментом сучасного ринку є рециклінг поліпропілену. Багато компаній спеціалізуються на покупці поліпропіленових відходів з подальшою переробкою і продажем або використанням вторинного поліпропілену. Як правило, для цього застосовується технологія екструдування очищених відходів і подальшим дробленням і отриманням вторинного гранульованого матеріалу придатного для виготовлення виробів. На ринку з'являються нові різновиди поліпропілену, наприклад, близькі за властивостям до гуми, що відкриває нові області для його використання.

Полівінілхлорид С₂Н₃Сl‑ пластмаса білого кольору, синтетичний термопластичний полімер вінілхлориду. Міжнародне позначення ‑ PVC. При нагріванні розм'якшується. Досить міцний, має гарні діелектричні властивості, не горить на повітрі, але має малу морозостійкість мінус 15 °C, нагрівостійкість складає: 65 °C. Полівінілхлорид стійкий до дії вологи, кислот, лугів, розчинів солей, промислових газів, бензину, гасу, жирів, спиртів. Нерозчинний у власному мономері. Обмежено розчиняється в бензолі, ацетоні. Розчинний в дихлоретані, циклогексаноні, хлор- і нітробензолі. Фізіологічно нешкідливий. Чистий полівінілхлорид є рогоподібним матеріалом, який важко переробляється. Тому зазвичай його змішують з пластифікаторами. Властивості кінцевого продукту варіюються від жорсткого до дуже гнучкого пластика залежно від відсотка доданого пластифікатора, який може досягати до 30 % маси. Випускається у вигляді капілярно-пористого порошку з розміром часток 100-200 мкм. Порошок сипкий і добре переробляється.

У промисловості полівінілхлорид отримують вільно-радикальною полімеризацією мономера в масі, емульсії або суспензії. Спосіб полімеризації визначає основні властивості полівінілхлориду й області його застосування. Так, полівінілхлорид, отриманий у масі або суспензії, використається для виробництва твердих, а також напівм'яких і м'яких, пластифікованих пластичних мас, що переробляють пресуванням, литтям під тиском, екструзією, каландруванням. Емульсійний полівінілхлорид (пасто-утворюючі сорти) застосовують у виробництві виробів (головним чином штучної шкіри й пінопластів) із пластизолів, органозолів тощо.

Полівінілхлорид ‑ один з найбільш поширених пластиків; з нього отримують понад 3000 видів матеріалів і виробів, використовуваних для всіляких цілей в електротехнічній, легкій, харчовій промисловості, важкому машинобудуванні, суднобудуванні, сільському господарстві, медицині, у виробництві будматеріалів. На основі полівінілхлориду отримують жорсткі (вініпласт) і м'які (пластикат) пластмаси, пластизолі (пасти), полівінілхлоридне волокно. Вініпласт використовується як жорсткий конструкційний матеріал у вигляді погонажу, профілів, труб. Пластикат застосовується для виготовлення плівок, шлангів, церати, лінолеуму. Застосовується для виробництва штучної шкіри, плащів, клейонки, труб, ізоляційного матеріалу для електричних проводів, будматеріалів.

Полістирол ‑ продукт полімеризації стиролу (вінілбензолу) відноситься до полімерів класу термопластів. Має хімічну формулу вигляду: [-СН2-СН(С6Н5)-]n. Фенольні групи перешкоджають впорядкованому розташуванню макромолекул і формуванню кристалічних утворень. Це жорсткий, крихкий, аморфний полімер з високою мірою оптичного світлопропускання, випускається у вигляді прозорих гранул циліндричної форми. Полістирол має низьку густину (1060 кг/м³), термічну стійкість до 105 °С, усадка при переробці литтям 0,4…0,8 %. Полістирол має відмінні діелектричні властивості і непогану морозостійкість до мінус 40 °C. Має невисоку хімічну стійкість (окрім розбавлених кислот, спиртів і лугів). Стійкий до радіоактивного опромінення, але стійкість до ультрафіолетових променів невелика. Полістирол легко формується і забарвлюється. Добре обробляється механічними способами, без зусиль склеюється, має низьке вологопоглинання і високу вологостійкість та морозостійкість. Фізіологічно нешкідливий. Для поліпшення властивостей полістиролу його модифікують шляхом змішання з різними полімерами - піддають зшиванню, таким чином отримуючи співполімери стиролу.

Полістирол займає четверте місце в світовій табелі про ранги полімерів – 7,5 % світового ринку. Він відноситься до термопластичних матеріалів загальнотехнічного призначення. Маючи хороші фізико – хімічні властивості і прекрасний зовнішнім вигляд, полістирол широко використовується у виробництві товарів побутового і культурно-побутового призначення, будівництві, світлотехніці, медичній техніці, рекламі. Полістирол використовують як конструкційний матеріал замість дерева і металів для виготовлення корпусів приладів і апаратів, об'ємних деталей побутових і промислових холодильників, контейнерів, ємкостей, посуду разового користування, меблів, канцтоварів, іграшок, освітлювальних приладів і арматури до них, світлофільтрів, валіз, авторучок, упаковки для косметики, візитних карток, кабельної ізоляції. Оскільки полістирол є прекрасним діелектриком, що добре працює при низьких і високих частотах, він ефективно застосовується в електротехніці, у тому числі для виготовлення тонких орієнтованих конденсаторних плівок. Крім того, полістирол є вихідним матеріалом для виробництва пінополістиролу.

Пінополістирол – ізоляційний матеріал білого кольору, що складається на 98 % з повітря, та поєднується з мільярдами мікроскопічних тонкостінних клітин спіненого полістиролу. Пінополістирол має низький показник проникання вологи. Так, кількість води, що поглинається по відношенню до вагомого об’єму пінополістиролу за рік коливається у межах 1,5-3,5 %, а повітряпроникненість в багато разів перевищує водопоглинання. Стіни з такого матеріалу здатні “дихати”. При використанні пінополістиролу скорочуються витрати на монтажні та будівельні роботи; відбувається економія при опаленні приміщення; підвищується температурний комфорт приміщення; збільшується корисна площа приміщення, завдяки зменшенню конструктивної товщини стін; збільшується екологічна безпека будівельного обладнання; надаються високі теплоізоляційні властивості.

Широке використання полістиролу (ПС) і пластиків на його основі базується на його невисокій вартості, простоті переробки і величезному асортименті різних марок. Найбільше використання (понад 60 % виробництва пластиків полістиролів) отримали удароміцні полістироли, що є співполімерами стиролу з каучуком бутадієну і стиролового для бутадієну. В даний час створені і інші модифікації співполімерів стиролу.

Полістирол добре переробляється всіма методами переробки термопластів, добре зварюється і склеюється, поєднується з пластифікаторами, добре забарвлюється. Його переробляють литвом під тиском при 190…230 °С і температурі литих форм 50…60 °С і екструзією при 130…190 °С. Для фарбування полістиролу розроблені спеціальні марки фарбників і гранульованих концентратів пігмент.

1.5 Механізм утворення зварних з’єднань

Згідно з сучасними уявленнями, процес зварювання слід розглядати як топохімічну реакцію, тобто хімічну реакцію, яка протікає на поверхні твердого тіла. У основі будь-якої хімічної реакції лежить процес розриву зв'язків у вихідних речовинах і виникнення нових зв'язків, що призводить до утворення нової речовини. Таким чином, механізм утворення з'єднання не повинен мінятися при переході від одного способу з’єднання до іншого і від одного матеріалу до іншого. Змінюється лише сукупність явищ на контактних поверхнях, завдяки яких відбувається взаємодія. Ці явища можуть бути різними і визначаються природою матеріалу та способом зварювання.

Для топохімічної реакції характерне протікання в три стадії: утворення фізичного контакту; активація зварювальних поверхонь; об'ємний розвиток взаємодії [10,11].

Утворення фізичного контакту відбувається зазвичай внаслідок прикладання до зварюваних деталей тиску. В окремих випадках, коли в зону зварювання поступає розплавлений присадковий матеріал, фізичний контакт між ним і зварюваними кромками може здійснюватися без додавання тиску або при порівняно невеликому тиску. Це відноситься до зварювання нагрітим газом і зварювання за допомогою екструзії. Встановлення фізичного контакту між зварюваними поверхнями може передувати нагріванню, здійснюватися одночасно з нагріванням або після нагрівання поверхонь, що сполучаються. У будь якому випадку на цій стадії завдяки пластичній деформації макро- і мікронерівностей, відбувається зближення контактуючих поверхонь. Робота деформації витрачається також на видалення з контактної зони чужорідних включень (газових міхурів, масляних і жирових плям і інших забруднень). Для м'яких пластмас і волокнистих матеріалів на цій стадії характерне ущільнення, що проявляється в зменшенні товщини матеріалу.

Активація зварюваних поверхонь включає нагрівання для підвищення енергії теплового руху макромолекул. Нагрівання може здійснюватися або безпосередньо шляхом передачі тепла від нагрітих інструментів, газу або присадного матеріалу до зварюваних деталей, або шляхом перетворення інших видів енергії в теплову. Це може бути механічна енергія ультразвукових коливань або тертя, енергія високочастотного електричного поля конденсатора, електромагнітна енергія, енергія інфрачервоного випромінювання та лазера.

При зварюванні з використанням перетворення різних видів енергії в теплову термічній активації поверхонь передуватимуть процеси, пов'язані із специфікою даного виду зварювання: зсув диполів - при зварюванні струмами високої частоти; введення і поширення ультразвукових коливань, а також концентрація і перетворення енергії механічних коливань в теплову енергію - при ультразвуковому зварюванні; поглинання променистої енергії - при зварюванні інфрачервоним випромінюванням.

Стадія термічної активації може також супроводжуватися розвитком деформаційних процесів, оскільки дія статичних, а при ультразвуковому зварюванні і динамічних навантажень приводить до впровадження інструменту в поверхню дотичної з ним деталі, а також до витіснення розплавленого матеріалу із зони зварювання.

Об'ємний розвиток взаємодії супроводжується рядом складних фізико-хімічних процесів, серед яких найбільш істотними є дифузія, плин і фізико-хімічні перетворення. Теорія зварювання, в якій головна роль на цьому етапі відводиться дифузії, названа дифузійною. Теорія, в якій вважається, що відповідальними за зварюваність є процеси плину, названа реологічною за назвою науки реології, що вивчає закономірності течії. Згідно дифузійної теорії, для отримання з'єднання необхідно, щоб при зіткненні двох поверхонь конструкції відбувалося досить повне їх злиття [12,13].

Повна коалесценція двох шарів рідини відбувається при безпосередньому їх контакті і супроводжується зникненням границі розділу між ними. В разі з'єднання полімерів одного контакту для коалесценції недостатньо, оскільки повинне ще статися структуроутворення в зоні контакту, яке може бути досягнуте за рахунок дифузії макромолекул в цілому або окремих сегментів. Переміщенню сегментів перешкоджають їх зв'язки з останньою макромолекулою, тому дифузія сегментів викликає деяку зміну конфігурації ланцюгової молекули. В результаті цього велике число послідовних переміщень сегментів приводитиме не лише до зміни форми макромолекул, але і до зсуву їх центрів тяжіння. Переміщення сегментів і макромолекул в цілому отримало назву мікроброунівського і макроброунівського рухів відповідно.

Переміщення макромолекул полімеру відбувається, якщо контакт шарів здійснюється за температури вищої за температуру плину. В цьому випадку в зоні контакту порівняно легко виникає структура, характерна для полімеру. Дифузія окремих сегментів макромолекул може відбуватися і при температурах, що відповідають високоеластичному стану полімеру, при цьому переміщення молекули в цілому ускладнене. При таких температурах міра коалесценції менше одиниці (максимальна міра коалесценції дорівнює одиниці і спостерігається лише в рідин), це пояснюється тим, що після переміщення сегментів на певну глибину дифузія припиняється через виникнення напружень в молекулярних ланцюгах.

Доказом дифузійного характеру процесу зварювання може служити та обставина, що всі заходи, що сприяють тепловому руху (підвищення тиску і температури, введення пластифікаторів і т. д.), викликають збільшення міцності зварного з'єднання і, навпаки, чинники, що уповільнюють дифузію, знижують міцність.

Прибічники реологічної теорії вказують, що якби зварювання відбувалось тільки за рахунок дифузії, то тривалість процесу складала би десятки хвилин. Проте на практиці цей параметр значно менший. Крім того, слід враховувати, що процесу дифузії неминуче перешкоджають повітряні прошарки і забруднення поверхневих шарів зварюваних матеріалів, тому час проникнення стає ще більшим. Нарешті, слід мати на увазі, що коефіцієнт дифузії не залишається сталим, а безперервно знижується, оскільки у міру проникнення ділянок макромолекул через границю розділу безперервно зростає їх гальмування. Тому прояву сил міжмолекулярної взаємодії і дифузії в контактуючих об'ємах передує ряд явищ, пов'язаних з плином і перемішуванням розплаву.

Вважається, що при контакті розплавлених поверхонь напруження, що створюється зусиллям притискування (а при ультразвуковому зварюванні і динамічне напруження), викликає зрушення шарів розплаву. При такому зрушенні відбувається видалення із зони з'єднання повітряного прошарку і інших чужорідних включень. Швидкість зрушення на різних ділянках контактуючих поверхонь може бути різною через нерівномірності розподілу температур і напруження. Все це призводить до перемішування розплаву в контактуючих об'ємах, що особливо ймовірно у випадках зварювання з використанням високочастотних механічних (ультразвукове зварювання) або електричних (зварювання струмами високої частоти) коливань.

Явище перемішування в'язкотекучого матеріалу в зоні зварювання підтверджене експериментально при вивченні процесу зварювання пластмас нагрітим інструментом. Мабуть, для макро-об'ємів в'язкотекучого матеріалу при зварюванні характерний процес перемішування, а для мікрооб'ємів ‑ процес дифузії

Якщо зварювання проводиться в інтервалі температур високоеластичності, переважним є дифузійний механізм. За цього необхідний тривалий контакт зварюваних поверхонь один з одним, зварні шви зберігають границю розділу, а матеріал в зоні з'єднання не відрізняється від початкового за надмолекулярною структурою. Таке зварювання протікає при значному тиску, що обумовлює значне залишкове напруження в зоні шва після охолоджування з'єднання. Якщо зварювання проводиться в інтервалі температур плавлення (для частково-кристалічних полімерів), процес подібний до зварювання металів. Під впливом зовнішніх сил відбувається швидка коалесценція розплаву, що супроводжується переміщенням і перемішуванням шарів. За цього шари розплаву, що містять газові і оксидні включення, віддаляються із зони зварювання, що полегшує подальшу взаємну дифузію ділянок молекулярних ланцюгів і цілих макромолекул в мікрооб'ємах. У зварних швах таких з'єднань практично відсутня границя розділу поверхонь, що сполучаються. Вони не руйнуються по первинній площині контакту, а надмолекулярна структура може змінюватися залежно від умов охолоджування розплаву.

1.6 Оцінювання зварюваності пластмас

У зв'язку з тим, що зварювання на завершальному етапі пов'язане з переміщенням розплаву, зварюваність пластмас оцінюють за такими характеристиками, як енергія активації в'язкої течії, температурний інтервал в’язкотекучого стану і в'язкість розплаву. В світлі цих уявлень стає очевидним, що чим менша енергія активації в'язкої течії і в'язкість розплаву і чим більше температурний інтервал в’язкотекучості, тим більше вірогідне утворення високоякісного зварного з'єднання. За реологічними властивостями пластмаси можуть бути розділені на три групи [14].

До першої групи (добре зварювані) можна віднести неорієнтовані термопласти, в яких енергія активації в'язкої течії значно менше енергії хімічного зв'язку і не перевищує 150 кДж/моль, температурний інтервал в’язко текучого стану не перевищує 50 °С, в'язкість розплаву складає 102…105 Па∙с.

Такі термопласти при нагріванні переходять у в’язкотекучий стан без термодеструкції в досить широкому інтервалі температур; за цього в'язкість розплаву така, що при незначних зусиллях може бути забезпечена швидка і повна його коалесценція. Ці термопласти добре зварюються плавленням різними методами зварювання в широкому інтервалі режимів. Найбільш типові представники цієї групи термопластів - поліолефіни.

До другої групи (обмежено зварювані) можна віднести орієнтовані термопласти з вказаними вище реологічними властивостями; неорієнтовані і орієнтовані термопласти з високою енергією активації в'язкої течії (близькому до енергії хімічному зв'язку); термопласти з вузьким інтервалом між температурою текучості T_т і температурою розкладання Т_р (менше 50 °С) і порівняно високою в'язкістю розплавів.

Для термопластів з високою енергією активації в'язкої течії існує небезпека деструкції при нагріванні до в’язкотекучого стану. Термопласти з вузьким температурним інтервалом між Tт і Тр можуть розкладатися при незначному перегріві. У орієнтованих термопластах при нагріванні до в’язкотекучого стану неминуче порушується орієнтована структура, що забезпечує міцність матеріалу. В термопластів з високою в'язкістю розплавів важко забезпечити повну коалесценцію і перемішування розплаву.

Такі термопласти можуть зварюватися плавленням лише за деяких обов'язкових умов. Для орієнтованих матеріалів і матеріалів з вузьким інтервалом між Tт і Тр зварювання плавленням не повинно викликати розорієнтацію і деструкцію матеріалу, що можливо лише за умови швидкого і локального нагрівання до температури текучості зварюваних поверхонь без проплавлення матеріалу по всій товщині. Що стосується термопластів з в'язкістю розплавів вище 105 Па • с, то зварювання їх плавленням можливе лише за умови зниження в'язкості розплаву в процесі зварювання. Отже, для забезпечення можливості зварювання плавленням термопластів, що належать до цієї групи, необхідно у кожному конкретному випадку знаходити оптимальні способи і технологічні прийоми зварювання.

До цієї групи відносяться полівінілхлорид, полівініліден-хлорид, пентапласт, поліетилентерефталат, полікарбонат, плавкі фторопласти і інші термопласти.

До третьої (не зварювані) групи відносяться термопласти, енергія активації в'язкого плину яких перевищує енергію хімічного зв'язку, а також термопласти з в'язкістю розплаву 1011…1012 Па∙с. Ці термопласти не можуть бути переведені у в’язко текучий стан, тобто не можуть зварюватися плавленням. До них відносяться, наприклад, фторопласт-4, ацетат целюлози, полівінілацетат. Утворення з'єднань таких термопластів можливе лише за механізмом дифузійного зварювання з нагрівом поверхонь до температур високоеластичного стану, з тривалою витримкою під тиском, рівним межі вимушеної еластичності зварюваних матеріалів, за максимально можливої температури.

Прискорення дифузійного зварювання може бути досягнуте використанням розчинників, в яких даний термопласт здатний набухати і розчинятися. Розчинники збільшують рухливість макромолекул, тому температура зварювання може бути зменшена.

Всі розглянуті теоретичні положення про зварюваність термопластів відповідно до груп знайшли повне підтвердження на практиці. При експериментальній оцінці зварюваності пластмас фундаментальним показником є тривала міцність зварюваного з’єднання, що працює в заданих умовах експлуатації в порівнянні з основним матеріалом.

Контрольні запитання

1.1 Що таке пластмаси?

1.2 Переваги і недоліки пластмас.

1.3 Дати визначення поняття “термомеханічна крива” полімеру.

1.4 Як визначити оптимальну температуру зварювання полімеру, виходячи з “термомеханічної кривої”.

1.5 Що лежить в основі класифікації полімерів?

1.6 Які матеріали належать до термопластичних і термореактивних полімерів?

1.7 Розкажіть про основні властивості поліетилену.

1.8 Які ви знаєте наповнювачі пластмас?

1.9 Наведіть приклади пластиків із твердими наповнювачами.

1.10 Вкажіть область застосування термопластів і реактопластів.

1.11 Які ви знаєте основні полімери для зварювання?

1.12 Назвіть стадії зварювання пластмас.

1.13 Які ви знаєте основні теорії зварювання пластмас.

1.14 Як пластмаси розділяються за зварюваністю?

1.15 Назвіть основні принципи використання пластмас.

2 ЗВАРЮВАННЯ ПЛАСТМАС НАГРІТИМ ІНСТРУМЕНТОМ

Дата добавления: 2015-07-10