Реологическая свариваемость

Реологическая свариваемость ( RW ) термопластов учитывает характеристики текучести материалов при определении свариваемости данного материала. Процесс сварки термопластов состоит из трех основных этапов: первый — подготовка поверхности. Второй этап — применение тепла и давления для создания тесного контакта между соединяемыми компонентами и инициирования межмолекулярной диффузии через соединение, а третий этап — охлаждение. RW можно использовать для определения эффективности второго этапа процесса для данных материалов.

Реология

Реология — это изучение потока материала, а также того, как материал деформируется под действием приложенной силы. Реологические свойства обычно применяются к неньютоновским жидкостям, но также могут применяться к мягким твердым веществам. например, термопласты при повышенных температурах, возникающих в процессе сварки. Свойства материала, связанные с реологическим поведением, включают вязкость, эластичность, пластичность, вязкоупругость и энергию активации материала как функцию температуры.

Реологические свойства

Чтобы понять реологические свойства материала, важно также понять взаимосвязь напряжения и деформации для этого материала при различных температурах. Это соотношение достигается путем экспериментального измерения результирующей деформации как функции приложенной силы.

Влияние микроструктуры и состава

На реологическое поведение материала влияет сочетание микроструктуры материала, его состава, температуры и давления, действующих на материал в данный момент времени. Реологические и вязкоупругие свойства расплава полимера чувствительны к молекулярной структуре материала; включая распределение молекулярной массы и эффекты разветвления. В результате реологию можно использовать для установления взаимосвязей между различными комбинациями материалов.

Определение микроструктуры

Реология расплава показала себя точным методом определения молекулярной структуры полимера. Это полезно при определении совместимости сварных швов между материалами; поскольку материалы с совершенно разными характеристиками текучести будет сложнее соединить по сравнению с материалами с более близкими свойствами вязкости и температуры плавления. Эту информацию также можно использовать для определения параметров сварки для конкретного используемого процесса сварки.

Вязкость

Чем ниже η , тем лучше RW

Что касается техники сидячей капли , смачивание характеризуется степенью межфазного контакта и количественно выражается через угол контакта ( θc ₎ жидкости с твердой поверхностью в состоянии равновесия , как показано на рис. 1. ​​взаимосвязь между углом контакта и поверхностным натяжением в состоянии равновесия Представлена . по уравнению Юнга:

$\gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta _{c}},$

Рис. 1: Иллюстрация метода лежащей капли с каплей жидкости, частично смачивающей твердый субстрат в равновесии . $\theta _{C}$ - угол контакта, а $\gamma _{SG}\$, $\gamma _{LG}\$, $\gamma _{SL}\$ представляют собой поверхностное натяжение границ раздела твердое тело-газ, газ-жидкость и жидкость-твердое тело соответственно.

Где:

• $\gamma _{SG}$ = поверхностное натяжение твердого тела и газа,
• $\gamma _{SL}$ = поверхностное натяжение твердого тела и жидкости,
• $\gamma _{LG}$ = поверхностное натяжение жидкость-газ,
• $\theta _{c}$ = Угол контакта.

Для идеально хорошего угол смачивания контакта ( θc _. ) в состоянии равновесия должен быть минимизирован Однако оно справедливо только при равновесии , а скорость равновесия зависит от баланса между движущей силой смачивания и вязкостью жидкости. В случае полимеров расплавов вязкость может быть очень высокой, и достижение равновесного угла смачивания может занять много времени (динамический угол смачивания, вероятно, больше, чем угол смачивания в состоянии равновесия).

для оценки свариваемости Следовательно , вязкость расплавленных термопластов ( расплавов полимеров необходимо учитывать ), поскольку сварка является быстрым процессом. Можно сказать, что чем ниже вязкость в процессе сварки (при температуре и давлении сварки), тем лучше свариваемость .

Вспоминая, что вязкость ( η ) уменьшается с увеличением температуры ( T ) и скорости сдвига ( ${\dot {\gamma }}$) для большинства полимеров расплавов свариваемость лучше там, где температура и скорость сдвига (движения) выше во всем поперечном сечении области сварки.

Эластичность

материала Чем ниже эластичность , тем лучше RW.

Эластичность лучше всего можно описать, растягивая резинку. Когда кто-то тянет резинку, она растягивается, а когда тянущая сила уменьшается и, наконец, удаляется, резинка возвращается к своей первоначальной длине. Аналогичным образом, когда к большинству материалов прилагается сила или нагрузка, материал деформируется, и до тех пор, пока сила не превышает предел текучести материала, материал вернется к своей первоначальной форме после снятия силы или нагрузки. Свойство материала, связанное с эластичностью материала, называется модулем Юнга, а взаимосвязь между величиной деформации при данной нагрузке описывается законом Гука.

$\sigma =E\left(L-Lo\right)/Lo$

Где $\sigma$, или напряжение, испытываемое материалом, и равно изменению длины, деленному на исходную длину, умноженную на эластичность материала или модуль Юнга «E».

Пластичность

материала Чем ниже пластичность , тем лучше RW.

Способность материала упруго деформироваться, сопротивляясь течению, называется пластичностью. Когда приложенная сила или нагрузка превышает предел текучести материала, материал начинает пластически деформироваться и материал больше не возвращается к своей первоначальной форме. В процессе сварки полимеров это происходит при температурах выше температуры стеклования и ниже температуры плавления материала.

вязкоупругость

Линейная вязкоупругость

Линейное вязкоупругое поведение можно наблюдать, когда материал испытывает небольшую и медленную деформацию при очень низких скоростях сдвига, когда процесс релаксации имеет достаточно времени, чтобы не отставать от этого процесса. Это также может наблюдаться при возникновении более крупных деформационных сил.

Нелинейная вязкоупругость

Реакция полимера на быстрые и большие силы деформации является нелинейным поведением и более характерна для реакций, происходящих во время процессов сварки.

Знание вязкоупругого поведения позволяет регулировать температуру и давление во время процесса сварки, чтобы улучшить качество сварки.

Энергия активации

Чем ниже | E _a |, тем лучше RW

Во время процесса сварки размягченная или расплавленная часть термопластов ( полимерных изделий) может течь через границу раздела. Меньший поток приводит к меньшей диффузии на границе раздела и снижению прочности сварного шва. Чтобы расплав полимера мог течь, сегменты макромолекулярной цепи должны иметь возможность двигаться. Когда сегменты цепи получают достаточную тепловую энергию для преодоления энергетического барьера, они начинают легко двигаться. Энергетический барьер называется энергией активации Ea ) ₍ . Можно сказать, что чем полимера абсолютное значение энергии активации (| E _a ниже |), тем лучше становится его свариваемость .

| Э _а | значения таких полимеров, как ПВХ, уменьшаются с увеличением скорости сдвига ( ${\dot {\gamma }}$), что подразумевает лучшую свариваемость там, где скорость сдвига (движения) выше во всем поперечном сечении области сварки.

Используя вязкость – скорость сдвига ( $\eta -{\dot {\gamma }}$) данные при различных температурах для полимера , энергия активации ( E _a ) может быть рассчитана по уравнению Аррениуса :

$\eta =C\exp \left({\frac {-E_{a}}{RT}}\right),$

Где:

• η – вязкость расплавленного полимера,
• C — предэкспоненциальный множитель ,
• R — универсальная газовая постоянная ,
• Т — абсолютная температура .

Абсолютное значение энергии активации (| E _a |) можно вычислить, взяв натуральный логарифм уравнения Аррениуса . (см. уравнение Аррениуса ).

Свариваемость полимеров

Сварка полимеров зависит от тесного контакта, что приводит к диффузии молекул и перепутыванию цепей в сварном соединении. Это действие требует, чтобы полимер находился в расплавленном состоянии, где вязкость расплава и поведение текучести оказывают существенное влияние на степень диффузии и перепутывания. Следовательно, реологическая свариваемость лучше всего у материалов с одинаковыми или очень близкими температурами плавления и вязкостью расплава. Кроме того, поскольку вязкость материала и энергия активации уменьшаются, свариваемость этого материала улучшается. Например, сварка полукристаллического материала с совместимым полукристаллическим материалом и аморфного материала с совместимым аморфным материалом показала наилучшие результаты. Хотя реологический анализ может дать разумное представление о свариваемости материала, в большинстве случаев производственная сварка обычно предваряется серией испытаний для проверки совместимости обоих основных материалов, а также используемого процесса.

Подобно свариваемым металлам, сварной шов из затвердевшего полимера испытывает остаточные напряжения, присущие процессу соединения. В случае полимеров эти остаточные напряжения частично возникают из-за скорости сжимающего потока, приводящей к определенному направлению молекулярного выравнивания, что в конечном итоге влияет на прочность сварного шва и общее качество. Тщательное понимание реологических свойств соединяемых материалов может помочь в определении результирующих остаточных напряжений и, в свою очередь, дать представление о методах обработки, которые могут уменьшить эти напряжения.

МАТЕРИАЛ	СВАРИВАЕМОСТЬ
АБС	От хорошего до отличного
Ацеталь	От справедливого к хорошему
Акрил	Хороший
Акриловый Мультиполимер	Хороший
Акрил Стирол Акрилонитрил	Хороший
Аморфный полиэтилентерефталат	От плохого к справедливому
Бутадиен-стирол	От хорошего до отличного
Целлюлоза	Хороший
Поливинилиденфторид (ПВДФ)	Хороший
Перфторалкоксиалкан (PFA)	Бедный
Жидкокристаллические полимеры	От справедливого к хорошему
Нейлон	Хороший
ПБТ/поликарбонатный сплав	Хороший
Полиамид-имид	От справедливого к хорошему
Полиарилат	Хороший
Полиарилсульфон	Хороший
Полибутилен	От плохого к справедливому
Полибутилентерефталат (ПБТ)	Хороший
Поликарбонат	От хорошего до отличного
Полиэтилентерефталат (ПЭТ)	От справедливого к хорошему
Полиэфирэфиркетон (PEEK)	Справедливый
Полиэфирмид	Хороший
Полиэфирсульфон	От хорошего до отличного
полиэтилен	Хороший
Полиметилпентен	Хороший
Полифениленоксид	Хороший
Полифениленсульфид	Хороший
Полипропилен	От хорошего до отличного
Полистирол	От хорошего до отличного
Полисульфон	Хороший
Полиуретан	От плохого к справедливому
ПВХ (жесткий)	Хороший
Стирол-акрилонитрил	От хорошего до отличного

См. также

• Энергия активации
• уравнение Аррениуса
• Сварка пластика
• Реология
• Свариваемость
• Сварка
• Смачивание