Учебное пособие

Сварка пластмасс

Строение полимерных материалов

Пластические массы – это большая группа разнообразных многокомпонентных материалов, полученных на основе синтетических или естественных полимеров путем введения различных добавок.

Полимеры – 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

естественное (целлюлоза, натуральный каучук и др.) и
искусственное (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и т.д.).

Добавки, 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.

Стабили заторы (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.

Пластификаторы улучшают технологические и эксплуатационные свойства полимеров (текучесть, способность перерабатываться различными методами, пластичность, эластичность и т.д.).

Наполнители, как правило, способствуют увеличению прочности, улучшению диэлектрических свойств, химической стойкости полимеров. Их вводят и с целью уменьшения расхода полимерной смолы.

Органические наполнители: хлопковые очёсы, обрезки ткани, бумаги, древесный шпон.

Неорганические наполнители: асбестовые и стеклянные волокна 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.

Полимеризация – 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 сополимерами. 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).

Поликонденсация – 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

-СН₂-(СН₂-СН₂)_n-СН₂-.

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.

Линейные полимеры представляет собой длинные зигзагообразные цепи. Типичными представителями линейных полимеров являются полиэтилен, поликапроамид, политетрафторэтилен.

В разветвленных 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.

Пространственные 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.

Термопласты 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.

Реактопласты 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.

Кристаллические 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).

Рис.1.1. Структура кристаллического полимера до ориентации (а) и после ориентации (б)

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.

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.

Аморфные полимеры имеют более простые надмолекулярные структуры. Формы надмолекулярной организации в аморфных полимерах могут быть различными: глобулы, образованные свернутыми макромолекулами, раз- вернутые 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:

стеклообразное;
высокоэластичное;
вязкотекучее.

Аморфное твердое состояние полимера, называемое стеклообразным, 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 высо коэласт ичное 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 вязкотекучее 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.

Температура стеклования (ТС) – температура перехода из высокоэластичного состояния в стеклообразное (и обратно).

Температура текучести (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.