Общие сведения о сварке пластмасс

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО  И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Сварка пластмасс и склеивание»

для подготовки магистров  по специальности 

 «Технология и оборудование сварочных работ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Увеличение производства пластмасс по объему и номенклатуре, расширение областей применения этих материалов в народном хозяйстве  стимулирует развитие исследований, разработку различных конструкций  из  пластмасс в машиностроении и других отраслях промышленности. Особое место  среди этих процессов занимает сварка.

Развитие некоторых  областей техники, особенно новых радиоэлектроники, ракетной техники,  космонавтики и  других -  было  бы невозможно без  использования пластмасс.

Немаловажная роль  в  развитии  производства  и  переработки пластмасс принадлежит русским ученым.  Производство полимеризационных пластмасс теоретически подготовлено работами ряда  ученых, среди которых  следует назвать А.М. Бутлерова - создателя теории химического строения органических  соединений,  Г.Г.  Густавсона, получившего в  1884  г.  первые жидкие низкомолекулярные полимеры этителена, С.В.Лебедева, разработавшего способ получения синтетического каучука и др. Из иностранных ученых следует отметить В. Карозерса и Г. Штаудингера,  которые провели ряд исследований по разработке теоретических основ промышленного получения многих полимеризационных пластмасс.

Промышленное применение сварки пластмасс началось во второй половине 40-х годов, когда ее стали  использовать при производстве коррозионно-стойкой химической аппаратуры из непластифицированного поливинилхлорида.

Для этих целей применяли  ручную сварку нагретым газом с присадочным  материалом, отличающуюся простотой  сварочного оборудования.

Создание на основе ПВХ  пленочных материалов привело к разработке и  освоению процесса высокочастотной сварки,  обеспечивающего быстрый нагрев указанных материалов благодаря высокому фактору их диэлектрических потерь и позволяющего получать оптимальное распределение температуры по толщине свариваемого пакета.

Производство и применение в 50-х годах полиолефинов стимулировало  разработку  различных  способов  термоконтактной  сварки и создание оборудования для их осуществления. Однако указанные способы сварки не позволяли соединять пластмассовые  материалы с загрязненными поверхностями, например, при упаковке в полимерную тару различных продуктов,  а также получать качественные соединения ориентированных термопластичных материалов и, в частности,  появившихся в начале 60-х годов полиэтилентерефталатных пленок, что привело к созданию ультразвуковой сварки пластмасс, решающей данные проблемы.

Широкое применение полиолефинов больших  толщин  для  производства крупногабаритных конструкций сложной  конфигурации привело к разработке в 60-х годах экструзионного и контактно-экструзионного  способов сварки.

В настоящее время  сложились научные школы по  сварке  пластмасс, занимающиеся изучением  механизмов образования сварных  соединений и технологии сварки различных  материалов и конструкций.(в МВТУ им.  Баумана, МАТИ  и др.), основанные известными специалистами в области сварки: член-корреспондентом АНСССР  проф.  Г.А. Николаевым, в области химии полимеров доктором химических наук, проф. Е.Б.Тростянской и др.

В последние годы разработаны новые  способы сварки, созданы уникальные образцы сварочного оборудования, изыскана возможность сварки трудносвариваемых перспективных материалов.

 

 

 

Лекция №1

Общие сведения о пластмассах

 

План:

1.1. Понятие о пластмассах  и полимерах

1.2. Классификация полимеров

1.3. Получение полимеров

 

1.1. Понятие о пластмассах и полимерах

Пластические массы  - это синтетические материалы  органического происхождения, получаемые на основе  высокомолекулярных природных  или синтетических смол полимеров.

Часто в полимер с  различной целью вводят добавки: стабилизаторы, пластификаторы,  красители, наполнители.

Стабилизаторы служат для  повышения стойкости  полимеров  при воздействии света,  повышении  температуры и других  факторов. Обычно они предупреждают развитие цепной реакции  разложения  полимеров, обеспечивая тем самым повышение долговечности пластмасс и изделий из них.

Пластификаторы облегчают  переработку пластмасс. При этом повышается прочность. В качестве пластификаторов  применяются низкомолекулярные  высококипящие и малолетучие  жидкости,  как дибутилфталат, трикрезилфосфат и др.

Рис. 1.1. Изменение механических свойств  полимера в зависимости от количества пластификатора:  1 - прочность на сжатие, 2 - прочность на разрыв, 3 - прочность  на удар, 4 - относительное удлинение.

 

Наполнители определяют  механические свойства изделия,  т.к. наполнитель играет роль своеобразного механического каркаса. В качестве наполнителей для производства пластмасс применяются материалы органического происхождения (тальк, каолин, слюды).

Свойства пластмасс  определяются  главным образом их основой - полимером.

Полимерами называют  вещества,  молекулы  которых состоят из многочисленных элементарных структурных  звеньев, соединенных между собой  химическими  связями в длинные  цепи линейного или разветвленного строения.

В самой  цепи атомы соединяются  прочными химическим связями, действующими на расстоянии 1-1,5 Ā;  между цепями  на  расстоянии 3-4 Ā  действуют  значительно более слабые межмолекулярные  силы.

Для макромолекул линейной структуры  принято обозначение:

(-М-)_n,

где М - элементарное структурное  звено цепи;

n - количество звеньев;

черточками показаны химические связи  в макромолекулу полимера.

Название "полимер" связано с  наименованием основного звена  и включает приставку "поли" (от греческого слова "polis" - многий).

Например, название ”полистирол” указывает, что элементарным звеном полимера  является молекула стирола  С₆Н₅-СH=CH₂.  Формула полистирола (С₈H₈)_n.

Мономерами называются первичные  низкомолекулярные вещества, из которых  образуются полимеры.

 

           1.2. Классификация полимеров

По форме строения молекул полимеры разделяются на 3 группы:      

1) линейные полимеры, состоящие из макромолекул, атомы  которых соединены между собой  химическими связями, длинные  цепи.

Рис. 1.2. Линейная структура макромолекулы.

Соединения, имеющие линейную структуру макромолекул  характеризуется  высокой  прочностью,  значительной  упругостью и способностью к высокоэластической деформации.

Пример: полиэтилен  (-СН₂-СН₂-)_n.

2) разветвленные полимеры,  в которых в основной цепи макромолекулы появляются ответвления,  состоящие из многократно повторяющихся мономерных звеньев.

Рис. 1.3. Разветвленная  система макромолекулы.

Появление в  макромолекулах разветвлений (боковых групп) увеличивает расстояние между отдельными макромолекулами,  вследствие чего улучшается растворимость, повышается пластичность и снижается механическая прочность.

Пример: Полистирол  [-СН₂-СН-]_n

                                               |

                                              С₆Н₅

3) Сетчатые или трехмерные  полимеры, в которых цепи, составляющие  макромолекулы,  образуют пространственную  сетку. Цепи макромолекул сетчатых  полимеров связаны между собой  силами основных валентностей  при помощи поперечных мостиков, образованных различными атомами.

Рис. 1.4. Структура пространственного  полимера.

Для макромолекул  с  пространственной  структурой характерна высокая твердость и хрупкость, отсутствие растворимости, пластичности и эластичности при повышенной температуре.

В качестве  примера  образования "сшитых" молекул можно указать  на реакцию вулканизации каучука,  при которой  в  результате действия серы происходит соединение отдельных  цепочек между собой.

По составу основной цепи макромолекулы полимера делят  на  три класса:

1) Карбоцепные полимеры,  основные  цепи  которых  построены  только из углеродных атомов.  К ним относятся полиэтилен, поливинилхлорид,  политетрафторэтилен, полистирол, полиметилметакрилат  и т.д.

2) Гетероцепные полимеры  имеют в основных цепях помимо углерода атомы кислорода,  азота, серы (поликарбонаты, полиамиды, полиэфиры, полиакрилаты и др.).

3) Элементоорганические  полимеры могут иметь в основных  цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана, никеля, германия.

 

1.3. Получение полимеров

Полимеры получают  путем  соединения  исходных  элементарных группировок (низкомолекулярных  веществ) в результате реакций полимеризации  или поликонденсации.

Полимеризация -  это  процесс соединения отдельных молекул  в одну большую молекулу без выделения каких-либо  низкомолекулярных веществ, вследствие  чего полимер имеет состав,  одинаковый с исходным мономером.

Если полимеризуются  одинаковые  молекулы,  то полимеризация  называется гомополимеризацией и идет по  схеме:

n^.A®(-A-)_n,

где А - молекула мономера;

(-А-) - молекула полимера;

n - степень полимеризации,  т.е. число молекул мономера, образующих  одну молекулу полимера.

В случае полимеризации  смеси различных мономеров процесс  называется сополимеризацией и происходит по схеме:

                                            n^.A + n^.B®(-A-B-)_n

Процесс полимеризации  может иметь ступенчатый или  цепной характер.

Ступенчатая полимеризация  заключается в том,  что  в  начале две молекулы соединяются  в димер, который, присоединяя еще  одну молекулу, дает тример и т.д.

Процесс цепной полимеризации  состоит из трех стадий:

1) возбуждение молекул; 

2) роста цепи;

3) обрыва цепи.

Важнейшими факторами, определяющими процесс полимеризации, является температура, давление, концентрация инициатора и мономера.

В настоящее время в промышленности применяются следующие  методы полимеризации:

1) Блочный  метод   заключается  в том,  что  смесь мономера с другими компонентами (инициаторами) заливают в форму  и прогревают в ней  до  определенной  температуры.  Полимер   получается  в виде сплошного блока,  чаще всего имеющего форму пластины или цилиндра. В качестве инициатора применяются чаще всего перекиси, например, перекись бензоила.

2) Полимеризация  в  растворителях может быть проведена  двумя способами. В первом случае  применяют растворитель, в котором растворимы как мономер,  так и образующийся полимер. Образующийся конечный продукт представляет собой раствор полимера в  растворителе. Во втором случае полимеризацию проводят в таком растворителе, в котором растворим только мономер. Образующийся при этом полимер непрерывно осаждается  из  раствора в виде суспензии и может быть отделен фильтрацией.

3) Полимеризация в  водных эмульсиях является наиболее  распространенным методом производства  полимеров. При эмульсионной полимеризации мономер предварительно эмульгируют путем  перемешивания в водной среде с добавкой эмульгаторов и затем добавляют инициатор,  растворимый в воде или мономере.  При перемешивании  или взбалтывании  происходит  полимеризация.  Для  выделения полимера прибавляют кислоту или соль, что приводит к разрушению коллоидного раствора и осаждению полимера.

Поликонденсация - химический процесс получения высокомолекулярных  органических соединений и различных  низкомолекулярных исходных веществ,  сопровождающийся отщеплением различных  побочных продуктов (воды, спирта, хлористого водорода и т.д.). Образующиеся в результате поликонденсации высокомолекулярные соединения отличаются по составу от исходных веществ, тогда как при полимеризации исходный мономер и образующийся  полимер  имеет  одинаковый состав.

Реакция поликонденсации  носит ступенчатый характер.

Рост цепи  происходит  путем взаимодействия одной молекулы с другой, полученный  продукт  взаимодействует с третьей молекулой  и т.д.

       Н       О          Н        О           Н      O  Н      О                                                           

       |       | |           |        | |            |       | |  |       | |

   Н-N-СН₂-С-ОН + Н-N- СН₂-С-ОН® Н-N-СН₂-С- N-СН₂-С-ОН+Н₂О

аминокислота.

 

Контрольные вопросы:

1. Что такое пластические  массы?