Laboratorium Technologii Polimerów II
Sprawozdanie z ćwiczenia
Łączenie tworzyw polimerowych 2
Prowadzący: dr inż. Wanda Meissner
1. Klejenie
a) część teoretyczna
Technologia klejenia tworzyw
Tworzywo sztuczne łączyć można za pomocą następujących technik klejowych:
- łączenie za pomocą rozpuszczalników
- zastosowanie klejów w postaci cieczy, past lub błon
Niekrystaliczne, bezpostaciowe tworzywa termoplastyczne można łączyć ze sobą za pomocą odpowiednich rozpuszczalników roztworów polimeru w rozpuszczalnikach lub kompozycji monomerów. W przypadku łączeń dwóch różnych tworzyw sztucznych zaleca się stosowanie roztworów polimerów w rozpuszczalnikach. Elementy z tworzyw sztucznych, którym nadano kształt w formach metalowych, należy zawsze piaskować lub szlifować w celu usunięcia środków rozdzielających, zmniejszających wytrzymałość łącza. Przy klejeniu laminatów należy w miarę możności usunąć jedną warstwę materiału w miejscu sklejenia. W tym celu wciska się cienki nóż pod warstwę laminatu, oddziera odpowiedni fragment i odrywa. Przede wszystkim przed użyciem kleju należy go odpowiednio przygotować. Sporządzenie kleju utwardzalnego polega najczęściej na zmieszaniu składników kleju w potrzebnych proporcjach i w odpowiedniej kolejności. Sporządzenie kleju w stanie stałym polega głównie na suszeniu, a gdy klej ma postać folii (błon) na wycięciu wykrojów o wymiarach i kształcie odpowiadających połączeniu. Powierzchnie przeznaczone do klejenia powinny być pozbawione zanieczyszczeń utrudniających ich zwilżanie przez klej. Wskazane jest także zchropowacenie podłoża celem zwiększenia przyczepności kleju. W przypadku elementów z polimerów utwardzalnych - duroplastów stosuje się często oczyszczanie papierem ściernym. Powlekanie klejem powierzchni odpowiednio przygotowanej odbywa się za pomocą ręcznych narzędzi pracy, takich jak pędzle, bagietki, łopatki, bądź za pomącą maszyn zwanych powlekarkami. Po naniesieniu kleju ściska się łączone elementy celem ich wzajemnego unieruchomienia oraz dokładnego przylgnięcia klejonych powierzchni. Folie łączone klejami o dużej przyczepności wystarczy tylko przewalcować wałkiem gumowym. Wyroby o skomplikowanym kształcie skleja się zazwyczaj w odpowiednich formach.
Przebieg procesu klejenia jest zdeterminowany przez:
- temperaturę - temp. klejenia zależy przede wszystkim od temp. polimeryzacji lub topnienia użytego kleju, temp. topnienia albo mięknienia materiałów łączonych oraz od żądanych właściwości połączenia
- czas - czas klejenia określonym klejem zależy od temp. klejenia
- nacisk - wywierany podczas klejenia powinien zapewniać właściwy przebieg procesu polimeryzacji, dokładne przyleganie do siebie łączonych części oraz optymalną grubość skleiny. Wartość nacisku zależy od tego czy klej przechodzi w stan stały w wyniku polimeryzacji kondensacyjnej ( 1 MPa ) czy w inny sposób ( 0,05 Mpa ).
Aby otrzymać prawidłowe sklejanie łączonych części należy przestrzegać podanych poniżej zaleceń:
- powierzchnie wyczyścić z brudu, kurzu, resztek farby i innych ciał obcych
- powierzchnie zmatowić przez szlifowanie papierem ściernym
- powierzchnie gruntownie odtłuścić. Nadają się do tego np. aceton, alkohol, rozpuszczalnik nitro
- powierzchnie klejone wysuszyć
- przygotowanych do klejenia powierzchnie nie dotykać dla uniknięcia przeniesienia tłuszczu ze skóry na tworzywo
- klej nanieść równomiernie i cienką warstwą
- nie dopuszczać do zabrudzenia brudem lub kurzem świeżo pokrytych klejem
- prace takie jak szlifowanie itp. przerwać, do czasu aż uzyska się wystarczające połączenie
b) część doświadczalna:
Podczas ćwiczenia badano 5 tworzyw polimerowych (z polichlorku winylu, polimetakrylanu metylu, polistyreny, poliamidu i polipropylenu). Za pomocą siedmiu rozpuszczalników próbowano skleić ze sobą różne polimery. Wyniki przedstawiono w tabeli. Zielone tło oznacza, że polimery się skleiły, czerwone – że nie.
| Rozpuszczalnik | PCV | PMM | PS | PA | PP |
|---|---|---|---|---|---|
| aceton | +PS | +PS | +PS | +PS | +PS |
| chloroform | +PS | +PS | +PS | +PS | +PS |
| +PCV | |||||
| +PA | |||||
| octan butylu | +PS | +PS | +PS | +PS | +PS |
| +PCV | |||||
| +PA | |||||
| cykloheksanon | +PS | +PS | +PS | +PS | +PS |
| +PCV | |||||
| +PA | |||||
| etanol | +PS | +PS | +PS | +PS | +PS |
| +PCV | |||||
| +PA | |||||
| tetrahydrofuran | +PS | +PS | +PS | +PS | +PS |
| ksylen | +PS | +PS | +PS | +PS | +PS |
Tabela 1. Zdolność do klejenia różnych rozpuszczalników dla różnorodnych polimerów.
2. Zgrzewanie
a) część teoretyczna:
Zgrzewanie - rodzaj technologii trwałego łączenia części urządzeń lub konstrukcji wykonanych z metalu lub z tworzyw sztucznych. Polega ono na rozgrzaniu stykających się powierzchni tak, aby przeszły one w stan plastyczny (ciastowaty) i dociśnięciu ich. Uplastycznieniu ulega tylko niewielka objętość na granicy styku. W zależności od stosowanej metody zgrzewania najpierw następuje docisk, a potem rozgrzewanie, albo odwrotnie, najpierw rozgrzewanie, a potem docisk.
Wśród wielu rodzajów zgrzewania możemy wyróżnić:
zgrzewanie przez wytwarzanie ciepła wewnątrz łączonych materiałów – można stosować w tej metodzie zimne narzędzia ściskające. Można wyróżnić szczególnie zgrzewanie prądem wysokiej częstotliwości i zgrzewanie ultradźwiękowe.
zgrzewanie gorącym klinem - polega na stopniowym uplastycznieniu krawędzi łączonych elementów za pomocą gorącego klina metalowego, przesuwanego wzdłuż złącza zachowując styk. Za pomocą rolki wywiera się nacisk na spajane elementy. Metoda ta jest wykorzystywana najczęściej do łączenia folii i cieńszych płyt z PVC, a także z polietylenu oraz do łączenia wszelkich rur. Pozwala wykonywać złącza zakładkowe.
zgrzewanie za pomocą tarcia – za pomocą pracy tarcia wytwarza się ciepło niezbędne do uplastycznienia tworzywa na powierzchniach łączonych elementów. W szczególności od sposobu wzajemnego tarcia tych elementów, można wyróżnić zgrzewanie obrotowe (popularnie: zgrzewanie cierne) oraz zgrzewanie wibracyjne.
zgrzewanie ultradźwiękowe – zgrzewanie za pomocą dźwięków o częstotliwości drgań większych niż 20kHz, niesłyszalnych przez człowieka. Wprowadza się elementów w szybkie drgania mechaniczne z częstotliwością ok. 20kHz, co doprowadza do nagrzewania powierzchni styku spajania elementów do temperatury uplastycznienia tworzywa. Wywiera się jednocześnie nacisk na miejsce spajania, co zgrzewa łączone elementy. Czas zgrzewania ultradźwiękowego jest bardzo krótki i wynosi maksymalnie 1-2s, zależy głównie od rodzaju tworzywa oraz grubości i kształtu łączonych elementów.
b) część doświadczalna
Ta część ćwiczenia odbywała się w sposób pokazowy. Został zeprezentowany sposób działania zgrzewalnicy impulsowej służącej do zgrzewania polietylenu. W jej skład wchodziła tkanina nasączona teflonem, dzięki czemu wytwarzane folie nie przyklejały się do zgrzewalnicy, oraz taśmę oporową i ceratkę stanowiącą izolację. Dla parukrotnego zgrzewania ustalono, że najlepsze efekty uzyskuje się przy 1/3 zmiany grubości folii podwójnej. Został również zaprezentowany sposób działania zgrzewarki pojemnościowej wysokiej częstotliwości służącej do produkcji folii z polichlorku winylu, okładek na zeszyty, zakładek czy teczek. Zapoznano się również z działaniem ultrasonotrody służącej do zgrzewania za pomocą ultradźwięków, co jest dobrą metodą do zgrzewania termoplastów. Za pomocą metody gorącego klina połączono dwie rury, a następnie dwa elementy z poliamidu pocierano i przyciśnięto.
3. Spawanie
a) część teoretyczna
Spawanie – jest to również proces łączenia na gorąco elementów z polimerów termoplastycznych oraz uplastycznienia i stopienia ich krawędzi, ale bez wywierania docisku. Najbardziej popularną metodą spawania jest spawanie w strumieniu gorącego gazu (gazowego nośnika ciepła) przy użyciu prętów spawalniczych spełniających rolę spoiwa. Stosuje się je do spajania wyrobów z twardego PVC, czasem zmiękczonych poliolefin, poliamidów i polimetakrylanu metylu. Używa się głównie palników elektrycznych (rzadziej gazowych) do spawania ręcznego gorącym powietrzem. Palniki elektryczne są zasilane spiralami oporowymi o mocy 250-500 W. Do palników gazowych używa się acetylenu, gazu ziemnego i płynnego gaz propan-butan. Najczęściej stosowanym kryterium oceny jakości połączeń spawanych jest wytrzymałość spoiny i materiału wokół niej. Główne czynniki wpływające na jakość połączenia to metoda spawania, ilość i koncentracja dostarczanej energii, łączone materiały, materiał elektrody lub topnika, geometria i projekt połączenia, związki między wyżej wymienionymi czynnikami. Przy sprawdzaniu jakości spawów metodami niszczącymi i nieniszczącymi, brane są pod uwagę również następujące czynniki: widoczne defekty spoiny, akceptowalny poziom naprężeń rezydualnych i zniekształceń, właściwości strefy wpływu ciepła. Przepisy i normy odnośnie spawalnictwa określają szczegółowe wytyczne dla spawacza i osoby oceniającej jakość połączenia.
b) część doświadczalna:
Ta część również została przeprowadzona w sposób pokazowy. Zaprezentowano sposób działania spawalnicy tworzyw sztucznych. Przy nadmuchu gorącego powietrza przyspawano pręt spawalniczy wykonany z polipropylenu do tego samego tworzywa.
Wnioski:
Poznano trzy podstawowe metody łączenia polimerów. Zastosowanie każdej zależy od pożądanego efektu. Klejenie jest najszybszym i najłatwiejszym do wykonania sposobem łączenia tworzyw, ale jest też najmniej trwałe – sklejone polimery łatwo się odklejały. Priorytetowe znaczenie ma rodzaj użytych rozpuszczalników i klejonych polimerów. Najlepszym rozpuszczalnikiem do klejenia jest tetrahydrofuran – skleił wszystkie kombinacje. Najgorzej radzi sobie etanol – nie nadaje się na rozpuszczalnik organiczny do klejenia polimerów. Najłatwiej skleja się polistyren, a najtrudniej polichlorek winylu. Gdy zachodzi potrzeba złączenia polimerów w sposób bardziej trwały, lepiej jest zastosować zgrzewanie lub spawanie, choć wymagają większego nakładu (zakup sprzętu).