Реологическая свариваемость - Rheological weldability - Wikipedia

Реологическая свариваемость (RW) термопластов учитывает характеристики текучести материалов при определении свариваемости данного материала.^[1] Процесс сварки термопластов требует трех основных этапов, первый - это подготовка поверхности. Второй этап - это приложение тепла и давления для создания тесного контакта между соединяемыми компонентами и инициирования межмолекулярной диффузии через соединение, а третий этап - охлаждение.^[2] RW можно использовать для определения эффективности второго этапа процесса для данных материалов.

Реология

Реология это исследование потока материала, а также того, как материал деформируется под действием приложенной силы.^[3] Реологические свойства обычно применяются к неньютоновским жидкостям, но могут также применяться к мягким твердым телам.^[4] например, термопласты при повышенных температурах во время процесса сварки. Свойства материала, связанные с реологическим поведением, включают вязкость, эластичность, пластичность, вязкоупругость и энергию активации материалов как функцию температуры.^[3][2]

Реологические свойства

Чтобы понять реологические свойства материала, также важно распознать соотношение напряжения и деформации для этого материала при различных температурах. Это соотношение достигается путем экспериментального измерения результирующей деформации как функции приложенной силы.^[3]

Влияние микроструктуры и состава

На реологическое поведение материала влияет сочетание микроструктуры материала, его состава, температуры и давления, действующих на материал в данный момент. Реологические и вязкоупругие свойства полимерного расплава чувствительны к молекулярной структуре материала; включая молекулярно-массовое распределение и эффекты разветвления. В результате реология может использоваться для установления взаимосвязей между различными комбинациями материалов.^[3]

Определение микроструктуры

Реология расплава оказалась точным методом определения молекулярной структуры полимеров.^[3] Это полезно для определения совместимости сварных швов между материалами; поскольку материалы с резко отличающимися характеристиками текучести будет сложнее соединить по сравнению с материалами с более близкими характеристиками вязкости и температуры плавления.^[5] Эта информация также может быть использована для определения параметров сварки для данного сварочного процесса.

Вязкость

Чем ниже η, тем лучше RW

Касательно сидячая капля, смачивание характеризуется степенью межфазного контакта и определяется количественно через угол контакта (θ_c) жидкости на твердой поверхности при равновесие, как показано на рис. 1. Взаимосвязь между угол контакта и поверхностное натяжение в равновесие дается уравнением Юнга:^[6]

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

Рис. 1. Иллюстрация метода лежащей капли с каплей жидкости, частично смачивающей твердую подложку при равновесие. ${\displaystyle \theta _{C}}$ - угол смачивания, а ${\displaystyle \gamma _{SG}\ }$, ${\displaystyle \gamma _{LG}\ }$, ${\displaystyle \gamma _{SL}\ }$ представляют собой поверхностные натяжения границ раздела твердое тело – газ, газ – жидкость и жидкость – твердое тело соответственно.

Где:

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

Совершенно хорошо смачивание, угол контакта (θ_c) в равновесие следует свести к минимуму. Однако он действителен только при равновесие, и скорость равновесие зависит от баланса между движущей силой смачивание и вязкость жидкости. В случае полимер тает, вязкость может быть очень большим, и для достижения равновесного контактного угла может потребоваться много времени (динамический контактный угол, вероятно, больше, чем контактный угол в равновесии).

Следовательно, для оценки свариваемость, вязкость расплавленного термопласты (полимер плавится) необходимо учитывать, поскольку сварка это быстрый процесс. Можно сказать, что чем ниже вязкость в процессе сварки (при температуре и давлении сварки), тем лучше свариваемость.

Напоминая, что вязкость (η) уменьшается с ростом температуры (Т) и скорость сдвига (${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$) для большинства полимер тает, свариваемость лучше там, где температура и скорость сдвига (перемещение) выше по всему сечению области сварки.^[2][1]

Эластичность

Чем ниже материалы Эластичность, тем лучше RW

Эластичность лучше всего описать, если натянуть резинку. Когда кто-то тянет за резиновую ленту, она растягивается, а когда тянущее усилие уменьшается и, наконец, удаляется, резинка возвращается к своей первоначальной длине. Точно так же, когда к большинству материалов прилагается сила или нагрузка, материал деформируется, и до тех пор, пока сила не превысит предел текучести материалов, материал вернется к своей исходной форме после снятия силы или нагрузки. Свойство материала, связанное с эластичностью материала, называется модулем Юнга, а соотношение между величиной деформации для данной нагрузки описывается законом Гука.^[3]

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

Где ${\displaystyle \sigma }$, или напряжение, испытываемое материалом, равное изменению длины, деленному на исходную длину, умноженную на упругость материала или модуль Юнга «E».

Пластичность

Чем ниже материалы Пластичность, тем лучше RW

Способность материалов упруго деформироваться при сопротивлении течению называется пластичностью.^[3] Когда приложенная сила или нагрузка превышает предел текучести материала, материал начинает пластически деформироваться, и материал больше не возвращается к своей первоначальной форме. Во время процессов сварки полимеров это происходит при температурах выше температуры стеклования и ниже температуры плавления материалов.^[3]

Вязкоупругость

Линейная вязкоупругость

Линейное вязкоупругое поведение можно наблюдать, когда материал испытывает небольшую и медленную деформацию при очень медленных скоростях сдвига, когда у процесса релаксации есть достаточно времени, чтобы успевать за процессом. Это также может наблюдаться при возникновении больших сил деформации.^[3]

Нелинейная вязкоупругость

Реакция полимеров на быстрые и большие силы деформации является нелинейным поведением и более репрезентативно для реакций, возникающих в процессе сварки.^[3]

Знание вязкоупругого поведения позволяет регулировать температуру и давление в процессе сварки, чтобы улучшить качество сварки.^[5]

Энергия активации

Чем ниже |E_а|, тем лучше RW

Во время процесса сварки размягченная или расплавленная часть термопласты (полимер статей) может проходить через интерфейс. Меньший поток вызывает меньшую диффузию на границе раздела и меньшую прочность сварного шва. Для того, чтобы полимер Чтобы плавиться, сегменты макромолекулярной цепи должны иметь возможность двигаться. Когда сегменты цепи получают достаточную тепловую энергию для преодоления энергетического барьера, они могут легко перемещаться. Энергетический барьер называется энергия активации (E_а). Можно сказать, что если полимер Абсолютное значение энергия активации (|E_а|) ниже, его свариваемость становится лучше.

|E_а| ценности таких полимеров как ПВХ уменьшаться с увеличением скорость сдвига (${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$), подразумевая лучшее свариваемость куда скорость сдвига (перемещение) выше по всему сечению области сварки.^[2][1]

С помощью вязкость -скорость сдвига (${\displaystyle \eta -{\dot {\gamma }}}$) данные при различных температурах для полимер, энергия активации (E_а) можно рассчитать через Уравнение Аррениуса:^[7][8][9]

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

Где:

• η является вязкость расплавленного полимера,
• C является предэкспоненциальный множитель,
• р является универсальная газовая постоянная,
• Т является абсолютная температура.

Как рассчитать абсолютное значение энергия активации (|E_а|), взяв натуральный логарифм из Уравнение Аррениуса можно легко узнать в другом месте (см. Уравнение Аррениуса ).

Свариваемость полимеров

Сварка полимеров зависит от тесного контакта, что приводит к молекулярной диффузии и запутыванию цепей в сварном шве. Это действие требует, чтобы полимер находился в расплавленном состоянии, в котором вязкость расплава и характеристики текучести имеют решающее влияние на степень диффузии и сцепления.^[10] Следовательно, реологическая свариваемость лучше всего подходит для материалов с совпадающими или очень близкими температурами плавления и вязкостью расплава.^[2] Также по мере уменьшения вязкости материалов и энергии активации улучшается свариваемость этого материала.^[2] Например, сварка полукристаллического материала с совместимым полукристаллическим материалом и соединения аморфного материала с совместимым аморфным материалом дала наилучшие результаты.^[5] Хотя реологический анализ может дать разумное представление о свариваемости материалов,^[2] в большинстве случаев производственной сварке обычно предшествует серия испытаний для проверки совместимости обоих основных материалов, а также применяемого процесса.^[5]

Подобно сварке металлов, сварной шов из затвердевшего полимера испытывает остаточные напряжения, присущие процессу соединения. В случае полимеров эти остаточные напряжения частично возникают из-за скорости потока сжатия, ведущей к определенному направлению выравнивания молекул, что в конечном итоге влияет на прочность сварного шва и общее качество.^[10] Тщательное понимание реологических свойств соединяемых материалов может помочь в определении результирующих остаточных напряжений; и, в свою очередь, дает представление о методах обработки, которые могут снизить эти нагрузки.^[10]

МАТЕРИАЛ	СВАРОЧНОСТЬ
АБС	От хорошего к отличному
Ацеталь	От хорошего к хорошему
Акрил	Хороший
Акрил Мульти-полимер	Хороший
Акриловый стирол акрилонитрил	Хороший
Аморфный полиэтилентерефталат	От плохого к справедливому
Бутадиен Стирол	От хорошего к отличному
Целлюлозы	Хороший
Поливинилиденфторид (ПВДФ)	Хороший
Перфтороалкоксиалкан (PFA)	Бедные
Жидкокристаллические полимеры	От хорошего к хорошему
Нейлон	Хороший
ПБТ / поликарбонатный сплав	Хороший
Полиамид-имид	От хорошего к хорошему
Полиарилат	Хороший
Полиарилсульфон	Хороший
Полибутилен	От плохого к справедливому
Полибутилентерефталат (PBT)	Хороший
Поликарбонат	От хорошего к отличному
Полиэтилентерефталат (ПЭТ)	От хорошего к хорошему
Полиэфирэфиркетон (PEEK)	Справедливый
Полиэфирмид	Хороший
Полиэфирсульфон	От хорошего к отличному
Полиэтилен	Хороший
Полиметилпентен	Хороший
Оксид полифенилена	Хороший
Полифенилен сульфид	Хороший
Полипропилен	От хорошего к отличному
Полистирол	От хорошего к отличному
Полисульфон	Хороший
Полиуретан	От плохого к справедливому
ПВХ (жесткий)	Хороший
Стирол Акрилонитрил	От хорошего к отличному

^[5]

Смотрите также

• Энергия активации
• Уравнение Аррениуса
• Пластиковая сварка
• Реология
• Свариваемость
• Сварка
• Смачивание

Рекомендации

1. О.Балкан, А.Эздесир (15–17 октября 2008 г.). Реологическая свариваемость полимеров. 12. Международный симпозиум по материалам (12.IMSP) Денизли. п. 1046.
2. Балкан, Онур; Демирер, Халил; Эздешир, Айхан; Йылдырым, Хусейн (2008). «Влияние процедур сварки на механические и морфологические свойства листов из ПЭ, ПП и ПВХ, сваренных встык горячим газом». Полимерная инженерия и наука. 48 (4): 732–746. Дои:10.1002 / pen.21014.
3. Дили, Джон М .; Ван, Цзянь (2013). Реология расплава и ее применение в пластмассовой промышленности (2-е изд.). Дордрехт: Спрингер. ISBN  9789400763951. OCLC  844732595.
4. Шовальтер, Уильям Раймонд (1978). Механика неньютоновских жидкостей. Оксфорд, Англия: Pergamon Press. ISBN  0080217788. OCLC  2645900.
5. Справочник по сварке пластмасс и композитов. Грюэлл, Дэвид А., Бенатар, Авраам., Пак, Джун Бу. Мюнхен: Hanser Gardener. 2003 г. ISBN  1569903131. OCLC  51728694.
6. Янг, Т. (1805). «Эссе о сцеплении жидкостей». Фил. Пер. R. Soc. Лондон. 95: 65–87. Дои:10.1098 / рстл.1805.0005. S2CID  116124581.
7. Аррениус, С.А. (1889). "Uber die Dissociationswärme und den Einflusß der Temperatur auf den Dissociationsgrad der Elektrolyte". Z. Phys. Chem. 4: 96–116.
8. Аррениус, С.А. (1889). "Über die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Inversion von Rohrzucker durch Säuren". там же. 4: 226–248.
9. Лайдлер, К. Дж. (1987) Химическая кинетика, Третье издание, Harper & Row, стр.42
10. 2-я Международная конференция по машиностроению, производству и технологическому оборудованию. Аванг, Мохтар. Сингапур. 2017-04-28. ISBN  9789811042324. OCLC  985105756.