ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Процессы, происходящие при сварке фторсодержащих полимерных материалов, аналогичны процессам, протекающим при сварке других термопластов, однако имеют ряд характерных особенностей. Сварка-это процесс образования соединения за счет контакта активированных нагревом поверхностей. В сварочной зоне при этом происходит активация свариваемых поверхностей, взаимодействие свариваемых поверхностей при их контакте, формирование структуры материала в зоне контакта.
При нагреве свариваемых поверхностей повышается энергия теплового движения макромолекул и при температурах, близких к температуре текучести, начинается движение сегментов, приводящее к перемещению макромолекул друг относительно друга.
Иногда процессу активации сопутствуют и другие явления, обусловленные специфическими особенностями применяемых источников энергии: смещение диполей под воздействием высокочастотного электрического поля при ВЧ сварке, механические колебания ультразвуковой частоты при сварке ультразвуком и др. Для активации свариваемых поверхностей растворимых полимеров могут быть использованы также растворители, а при химической сварке-вещества, вступающие в химическое взаимодействие со свариваемым материалом.
Процессы взаимодействия активированных свариваемых поверхностей при их контакте наиболее важны, поскольку именно они ответственны за свойства сварного соединения. В процессе образования сварных соединений происходит формирование надмолекулярной структуры в зоне контакта, которая должна быть максимально приближенной к структуре основного материала.
Механизм образования сварных соединений при сварке фтор- полимеров, как и других термопластов, зависит от температуры сварки. При температуре ниже температуры текучести полимера (при сварке полимеров типа фторопласта-4) свариваемые поверхности находятся в высокоэластическом состоянии и образование сварных соединений обусловлено главным образом диффузией сегментов через границу раздела. Прочность сварных соединений в этом случае возрастает с повышением температуры и увеличением продолжительности сварки. Зависимость прочности от температуры сварки имеет экспоненциальный характер и описывается уравнением
<тр = а0вТт,
Где ст - прочность сварного соединения при расслаивании; II - энергия активации; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура сварки; а0 - константа.
Образование прочных соединений в процессе сварки при температуре ниже температуры текучести возможно только при длительном контакте свариваемых поверхностей [6, 7]. При этом в сварных швах сохраняется граница раздела и при определенных режимах нагружения может происходить расслаивание соединения по этой границе.
Фторопласт-4 при температуре сварки (380-390°С) находится в так называемом «перегретом» состоянии. Температура плавления кристаллической фазы полимера составляет 327°С, однако при более высоких температурах, в противоположность обычным кристаллическим термопластам, полимер не переходит в вязкотекучее состояние. Это обусловлено высокой жесткостью макромолекул полимера из-за большого атомного радиуса фтора по сравнению с атомным радиусом водорода, что приводит к напряжению связей углеродной цепи полимера и препятствует их свободному сворачиванию [14]. В кристаллическом
Состоянии макромолекулы полимера укладываются в чрезвычайно компактную надмолекулярную структуру (плотность полимера близка к плотности алюминия и составляет 2,3 г/см3) и при переходе полимера в высокоэластическое аморфное состояние сохраняется ближний порядок в укладке макромолекул, что не позволяет последним сворачиваться, делая невозможным течение полимера. Однако перегрев материала настолько велик, что под действием теплового движения при смещении сегментов макромолекул становятся возможными разрывы основных цепей макромолекул по связям С—С, Этот процесс из-за тесного окружения места разрыва соседними макромолекулами вплоть до температур активной деструкции имеет равновесный характер, при котором каждый образовавшийся радикал либо рекомбинирует, либо образует связь с соседними радикалами [15].
Это явление постоянного образования радикалов и их восстановления (рекомбинации) в значительной степени облегчает условия протекания диффузии, а также делает возможным образование химических связей через границу раздела по радикальному механизму.
Если полимер переходит в расплавленное состояние (как это имеет место в случае большинства плавких фториолимеров), сварка происходит быстро, и продолжительность процесса иногда исчисляется секундами. Прочность получаемых при этом сварных соединений мало зависит от температуры расплава и продолжительности сварки. В сварных швах отсутствуют границы раздела соединяемых поверхностей, швы практически не разрушаются по первоначальной плоскости контакта. Надмолекулярная структура материала шва отличается от структуры исходного материала и зависит от условий охлаждения расплава.
Согласно выдвинутой К. И. Зайцевым реологической концепции, механизм образования соединений при этом включает два этапа [16]. На первом этапе происходит макроскопическое течение полимера, при котором из зоны контакта вытесняются ингредиенты, препятствующие взаимодействию макромолекул (воздушная прослойка, окисленные и дефектные слои), при этом возможно также перемешивание расплава. На втором этапе между сблизившимися макромолекулами возникает межмолеку - лярное взаимодействие, а также происходит взаимная диффузия, обусловленная энергетическим потенциалом и неравномерностью теплового поля в месте соединения. При контакте расплавленных поверхностей напряжение сдвига, создаваемое усилием прижима, вызывает перемещение (сдвиг) слоев расплава. Это перемещение способствует окончательному удалению из зоны соединения воздушных прослоек и других инородных включений и приводит к выдавливанию расплава из зоны соединения, что и обеспечивает качественную сварку. Диффузия участков молекулярных цепей и целых макромолекул, а также их разрыв и рекомбинация могут иметь место, однако эти процессы протекают в микрообъемах и являются вторичными.
Высокие прочностные показатели сварных соединений обусловливаются главным образом процессами течения и перемешивания макрообъемов расплава, что подтверждается влиянием температуры расплава и давления на скорость сдвига расплава. Получение сварных соединений с максимальной прочностью при сварке в вязкотекучем состоянии возможно только при обеспечении оптимальной скорости сдвига расплава.
Вязкость фторполимеров, находящихся в вязкотекучем состоянии, как правило, достаточно высока (Ю3- 108 Па*с). За время нахождения расплава при температуре сварки в материале часто успевают произойти химические и структурные изменения, приводящие к сильному охрупчиванию сварного шва и около - шовной зоны.
Исследования, проведенные на пленках фторопласта-4М и -4МБ с различными показателями текучести расплава (0,5- 20 г/10 мин при 300°С), показали, что соединения с максимальной г прочностью могут быть получены только при ПТР = «= 2-9 г/10 мин. Уменьшение ПТР затрудняет сварку и вызывает необходимость повышения либо температуры сварки, либо давления. Для пленок с ПТР = 1 г/10 мин даже при максимально высоких температурах и давлениях получить нерасслаивающиеся сварные соединения невозможно. Сварные соединения пленок с высоким значением ПТР хрупко разрушаются при растяжении практически без деформации. При этом пониженная деформа - тивность сварных соединений начинает наблюдаться при значительно меньших ПТР, чем пониженная прочность. Так, сварное соединение из пленок фторопласта-4МБ с ПТР = 5 г/10 мин разрушаются при очень малых деформацйях, в то время как пониженная прочность соединений при расслаивании наблюдается только для пленок с ПТР = 9 г/10 мин. Низкая прочность сварных соединений из фторопластовых пленок с высоким ПТР обусловлена их повышенной хрупкостью, проявляющейся при условиях нагружения, характерных для испытания сварных соединений на расслаивание.
При сварке пленок из фторопласта-4МБ и -40 расплав, вытекающий из зоны соединения, в ряде случаев не сплавляются с околошовной зоной, что снижает прочность соединений, особенно при изгибающих нагрузках. Вероятность этого особенно велика в случае пленок, для которых характерно быстрое увеличение ПТР с повышением температуры в интервале температур сварки. Таким образом, свариваемость полимера зависит не только от их реологических характеристик, но и от степени изменения вязкости расплава (градиента вязкости) в интервале температур сварки*
Со значительными трудностями сопряжена сварка фторопласта-26 и -4НА. Эти полимеры по свойствам занимают промежуточное положение между пластиками и каучуками и имеют высокую вязкость расплава (107-108 Па*с). Сварные соединения фторопласта-26, полученные термоконтактной и высокочастотной сваркой, даже при температурах, близких к температуре термодеструкции полимера, расслаиваются по первоначальной плоскости контакта при напряжениях, не превышающих 20-30% прочности пленок. Для сварки пленок из фторопласта-26 предложено использовать энергию сверхвысокой частоты (СВЧ). При этом за счет заметного снижения вязкости расплава можно получать нерасслаивающиеся сварные соединения за 2-3 с.