1. Charakterystyka tworzyw termoplastycznych

TERMOPLASTY (elastomery termoplastyczne) - podczas ogrzewania miękną i dają się kształtować (w stanie wysokoelastycznym lub stanie płynięcia), a po ochłodzeniu sztywnieją (twardnieją) i zachowują nadaną im postać. Proces ten można powtarzać wielokrotnie. Formowanie termoplastów polega więc na odwracalnej zmianie stanu fizycznego. Ich makrocząsteczki (liniowe lub rozgałęzione) nie ulegają zmianie podczas formowania, jeśli wskutek przekroczenia temperatury nie niepożądana degradacja chemiczna. Termoplastami są polimery bezpostaciowe lub częściowo krystaliczne.

TERMOPLASTY BEZPOSTACIOWE I CZĘŚCIOWO KRYSTALICZNE - termoplasty bezpostaciowe w porównaniu z termoplastami częściowo krystalicznymi wykazują większą sztywność, ale miękną zwykle w niższych temperaturach. Rozpuszczalność polimerów bezpostaciowych jest większa niż częściowo krystalicznych. Termoplasty bezpostaciowe są zwykle przezroczyste. Zakres temperatur stosowania termoplastów bezpostaciowych jest ograniczony temperaturą mięknienia (zeszklenia) oraz na ogół temperaturą kruchości, po przekroczeniu której kruchość wzrasta stopniowo w miarę obniżania temperatury. Termoplasty częściowo krystaliczne są zwykle nieprzezroczyste. Ich temperatura kruchości jest na ogół niższa niż termoplastów bezpostaciowych i dlatego są one mniej kruche w szerszym zakresie temperatur. Zakres temperatur stosowania tych polimerów jest ograniczony niską zazwyczaj temperaturą zeszklenia oraz temperaturą topnienia krystalitów.

Do najczęściej stosowanych tworzyw termoplastycznych można zaliczyć:

• polietylen (PE)

• polipropylen (PP)

• polistyren (PS) oraz wersja wysokoudarowa (HIPS)

• polichlorek winylu (PVC)

• poli(tlenek metylenu) (PMO)

• poli(tereftalan etylenu) (PET)

• polimetakrylan metylu (PMMA)

• poliamid (PA)

2. Metody łączenia tworzyw sztucznych:

a) Klejeniem nazywamy łączenie materiałów za pomocą kleju. Klej to substancja organiczna lub nieorganiczna mająca właściwości trwałego łączenia materiałów. Wielość tworzyw, ich różnorodność struktury, powierzchni i własności powodują, że ich klejenie nie jest proste. Niektóre tworzywa mogą być klejone tylko z użyciem dodatkowych chemicznych, fizycznych lub mechanicznych środków i procedur. 
Istota klejenia oparta jest na dwu podstawowych zjawiskach. Są to: 

Adhezja (przyczepność powierzchni granicznych)	Kohezja (wewnętrzna wytrzymałość warstwy kleju)

b) Spawaniem nazywa się łączenie uplastycznionych krawędzi tworzyw sztucznych za pomocą dodatkowego materiału w postaci pręta spawalniczego. Proces odbywa się bez wywierania nacisku wzajemnego łączonych elementów. 
c) Zgrzewaniem nazywamy proces łączenia tworzyw sztucznych poprzez ich docisk z podgrzaniem do stanu plastycznego miejsca styku łączonych elementów, bez dodawania spoiwa. Na skutek wywierania nacisku zachodzi wzajemne przeplatanie się łańcuchów polimeru w wyniku ich częściowego przenikania z łączonych elementów. Splątane segmenty makrocząsteczek tworzą, po ochłodzeniu (pod naciskiem), trwałe połączenie. 

3. Zasada i rodzaje procesu zgrzewania tworzyw sztucznych

Pokrótce:

ZGRZEWANIE PRZEZ NAGRZANIE OD WEWNĘTRZNEJ STRONY ŁĄCZONYCH POWIERZCHNI - zgrzewanie prowadzi się za pomocą elementu grzejnego w postaci klina, płyty lub pręta, względnie ciepłem wytworzonym przez tarcie spajanych elementów.

ZGRZEWANIE PRZEZ NAGRZANIE OD ZEWNĘTRZNEJ STRONY ŁĄCZONYCH ELEMENÓW - polega na doprowadzeniu ciepła przez całą grubość spajanych materiałów do łączonych powierzchni za pomocą ogrzewanego elektrycznie elementu w postaci listwy, szyny, drutu itp. Są dwie podstawowe metody takiego spajania: zgrzewanie kontaktowe i zgrzewanie impulsowe.

ZGRZEWANIE PRZEZ WYTWARZANIE CIEPŁA WEWNĄTRZ ŁĄCZONYCH MATERIAŁÓW - metoda ta pozwala stosować zimne narzędzia ściskające. Do tej grupy metod spajania należą zgrzewanie prądem wysokiej częstotliwości i zgrzewanie ultradźwiękowe.

Szerzej:

a) zgrzewanie, w którym ciepło doprowadza się do zewnętrznej strony łączonych elementów - zgrzewanie za pomocą nagrzanego drutu, taśmy, listwy - zgrzewanie impulsowe

Polega na ściśnięciu i uplastycznieniu tworzywa łączonych elementów między szybko nagrzewającymi się i następnie ochładzanymi listwami. Podobnie jak w zgrzewaniu kontaktowym, ciepło dopływa od elementu grzejnego poprzez folie do miejsca spojenia, z tym że element jest ogrzewany nie w sposób ciągły, lecz przez krótki impuls prądu elektrycznego o dużej mocy. Zaletą metody zgrzewania impulsowego jest chłodzenie złącza pod dociskiem (przy zwartych listwach ściskających), co eliminuje możliwość jego uszkodzenia przed całkowitym schłodzeniem np. w czasie napełniania świeżo uformowanego opakowania. Przy zgrzewaniu jednostronnym możemy zgrzewać impulsowo folie o grubości do 0,2 mm, a przy dwustronnym do 0,5 mm. Proces zgrzewania impulsowego znajduje zastosowanie głównie w produkcji opakowań z jednoczesnym ich napełnieniem.

b) zgrzewanie w którym ciepło doprowadza się do wewnętrznej strony elementów łączonych (zgrzewanie przy użyciu nagrzanego klina lub płyty) 

Zgrzewanie gorącym klinem:

Polega na uplastycznieniu tworzywa elementów łączonych poprzez kontakt z nagrzanym klinem, przesuwanym wzdłuż miejsca łączenia(z zachowaniem styku) i docisku do siebie elementów łączonych, np. przy użyciu rolki. Zgrzewanie gorącym klinem jest stosowane najczęściej do łączenia folii i cieńszych płyt z PVC oraz z polietylenu i poli (metakrylanu metylu). Metodą tą wykonuje się złącza zakładkowe. Temperatura klina przy zgrzewaniu z PVC powinna wynosić 250-300^oC, PEdg - 220-260^oC, PEmg - 190-220^oC, PMMA - 260-300^oC.

Zgrzewanie nagrzaną płytą:

Tą metodą spajania uplastycznia się powierzchnie zgrzewanych elementów za pośrednictwem gorącej płyty wprowadzonej między łączone powierzchnie, usuwa się płytę i dociska do siebie spajane elementy. Otrzymuje się w ten sposób doczołowe złącza rur, profili, kształtowników i prętów z twardego PVC, poliolefin, PMMA i innych tworzyw. Do zgrzewania elementów o średnicy do 250 mm płyta ma zwykle kształt koła, natomiast przy większych średnicach elementy zgrzewane mają kształt pierścienia. W celu przeciwdziałania przywieraniu uplastycznionego tworzywa powierzchnia płyty grzanej jest pokryta materiałem antyadhezyjnym, np. tkaniną impregnowaną PTFE.

c) zgrzewanie w którym ciepło jest wytwarzane w warstwach wierzchnich tworzyw łączonych lub małej masie tworzywa

- zgrzewanie tarciowe,

- drganiowe,

- pojemnościowe Polega na ściśnięciu i uplastycznieniu tworzywa łączonych elementów pomiędzy listwami, będącymi elektrodami kondensatora, w którym wytwarza się zmienne pole elektryczne, powodujące nagrzewanie się tworzywa w całej masie, i następnie ochłodzeniu złącza oraz wyjęciu elementów spod elektrod. Tworzywa sztuczne jako typowe dielektryki wykazują w polu elektrycznym zjawisko polaryzacji ( uporządkowane ustawienie się różnoimiennych ładunków elektrycznych, zgodnie z kierunkiem linii sił pola). W wyniku zmian kierunku działania pola, zmieniają się orientacje makrocząsteczek. Na skutek tarcia związanego z tymi ruchami, wydziela się ciepło. Jeśli do okładzin doprowadzi się prąd o dostatecznie wysokiej częstotliwości, makrocząsteczki zostaną wprowadzone w szybkozmienne drgania. W takich warunkach ilość wydzielonego ciepła jest wystarczająca do uplastycznienia niektórych tworzyw. Wydajność procesu ogrzewania, zależy głównie od częstotliwości prądu przemiennego oraz od współczynnika strat dielektrycznych. Ze wzrostem wartości tg Ro zwiększa się stopień przemiany energii elektrycznej cieplną, a tym samym korzystniejsze są efekty zgrzewania. Metoda ta znajduje zastosowanie przede wszystkim do łączenia folii PVC, ze względu na jej wysoki współczynnik strat dielektrycznych. W odróżnieniu od innych metod metoda ta umożliwia wykonywanie dowolnych złączy o najbardziej skomplikowanym kształcie i wytrzymałości równej wytrzymałości folii z PVC .Ze względu na możliwość przebicia elektrycznego nie zgrzewa się pojemnościowo folii o grubości poniżej 0,1 mm.,

- ultradźwiękowe Zgrzewanie ultradźwiękami elementów z tworzyw polega na wprowadzeniu ich w szybkie drgania mechaniczne z częstotliwością ok. 20 kHz. Wskutek tego następuje nagrzewanie powierzchni styku spajanych elementów do temperatury uplastycznienia. Wywierany jednocześnie nacisk na miejsca spajania powoduje zgrzewanie elementów. Ciepło, niezbędne do uplastycznienia tworzywa, wydziela się na powierzchni złącza oraz wewnątrz zgrzewanych materiałów wskutek tarcia cząstek polimeru wprowadzonych w mechaniczne drgania. Czas zgrzewania ultradźwiękowego nie przekracza 1-2 s i zależy od rodzaju tworzywa oraz grubości i kształtu łączonych elementów. ,

- indukcyjne Jest ono możliwe wówczas, gdy w strefie łączenia umieszczony zostanie przewodnik elektryczny, który nagrzewa się w zmiennym polu magnetycznym. Wokół przewodnika tworzywo ulega uplastycznieniu wskutek przewodzenia ciepła od niego do tworzywa. Wadą tej odmiany zgrzewania jest m.in. pozostawanie przewodnika w obszarze zgrzeiny.

4. Rodzaje połączeń spawanych

Rodzaje połączeń spawanych: a) doczołowe, b) zakładkowe, c) nakładkowe, d) teowe, e)

Rodzaje spoin: a) spoina V, b) spoina X, c) spoina pachwinowa, d) spoina HV, e) spoina K.

5. Przebieg procesu spawania tworzyw sztucznych

Przygotowanie elementów do spawania:

- wycinanie wykrojów z płyt i twardych folii,

-przecinanie rur

-ukosowanie krawędzi.

W przypadku elementów przeznaczonych do spawania czołowego obrabia się ich krawędzie w celu ułatwienia dostępu ciepła do dolnych warstw spajanego materiału. Przy wykonywaniu spojeń czołowych ukosuje się powierzchnie łączonych elementów zwykle pod tym samym kątem (30°-35° dla PVC, PP i PMMA i 20-25° dla PA). Jedynie przy spajaniu elementów o różnej grubości, cieńszemu elementowi jest nadawany mniejszy, a grubszemu większy kąt tak, by np. w przypadku spawania PVC tworzyły one w sumie 60-70°. Spajając elementy o grubości powyżej 2 mm nakłada się kolejno kilka warstw spoiwa, gdyż wypełnienie nim całej objętości rowka w jednej operacji jest niemożliwe, z uwagi na ograniczony czas nagrzewania. Aby uzyskać spoinę V o dobrych właściwościach wytrzymałościowych, należy wypełnić jej dno cieńszym prętem a resztę rowka grubszymi prętami. Liczba warstw spoiwa niezbędna do wypełnienia spoiny czołowej jest uwarunkowana grubością łączonych elementów. Ze względu na niebezpieczeństwo termicznego rozkładu spoiwa, ogrzewanie przy spawaniu powinno być możliwie jak najszybsze a zarazem efektywne. Pręt spawalniczy należy prowadzić zawsze prostopadle do spawanych powierzchni, wywierając przy tym nacisk odpowiednio do przekroju pręta. Dla pręta o przekroju kołowym i średnicy 2 mm, nacisk wynosi 5-8 N, a dla średnicy 5 mm - 20-26 N. Przy wahadłowym ruchu końcówki palnika powoduje się uplastycznienie termiczne końca pręta spawalniczego, który ugina się pod kątem prostym i wypełnia rowek. Prędkość przesuwania spoiwa wzdłuż rowka zależy od temperatury i grubości pręta.

6. Klejenie tworzyw sztucznych

Kleje cyjanoakrylowe (CA)

Piętnaście lat temu w Polsce to była nowość, odkrycie. Dzięki reklamom klejów cyjanoakrylowych (używane są określenia jak kleje sekundowe, super kleje, super glue itp.), dziś każde dziecko wie, że można przykleić się do ściany lub palce do ubrania, wiele osób próbowało stosować je do łączenia połamanych zabawek… i poniosło porażkę. Znam te frustracje, gdyż ciągle ktoś znajomy informuje mnie, że „te super kleje nic nie kleją”, co nie jest prawdą.

Kleje CA są spotykane częściej niż sądzimy. np. wszystkie chipy na kartach kredytowych, telefonicznych, opakowania do kosmetyków, i wiele innych drobnych detali jest łączonych skutecznie i trwale. Dlaczego więc przeciętny użytkownik nie ma wiele pożytków z tubki „super kleju”?
Odpowiedź jest prosta: najczęściej próbuje łączyć poliolefiny, a te potrzebują podkładu, niedostępnego w detalu, dodatkowo elementy są najczęściej połamane, więc szczelina jest zbyt duża. A kleje CA nie lubią dużych szczelin! Dobrze się czują w wąskich, małych obszarach, dobrze dopasowanych detalach (ale nie wciskanych).

I są bardzo technologiczne. Przede wszystkim dlatego, że są jednoskładnikowe i bardzo szybko można uzyskać wstępną wytrzymałość, już w ciągu kilkudziesięciu sekund, a z aktywatorem nawet w ciągu kilku sekund! Mimo ich reaktywności można nad nimi zapanować za pomocą dobrego sprzętu dozującego. I to jest bardzo ważne, gdyż kolejnym warunkiem sukcesu jest panowanie nad wypływką. Jeśli bowiem klej cyjanoakrylowy ma gdzieś wypływkę, reaguje ona z wilgocią dość gwałtownie, powodując charakterystyczne „dymienie”, psujące estetykę produktu. Z kolei podanie zbyt małej ilości jest również niepożądane, gdyż spoina klejowa jest mało odporna na oddzieranie oraz karb, spowodowany niedoklejeniem. 
Dlatego, stosując kleje CA warto zadbać o odpowiednie narzędzia. Pomogą zredukować braki do zera i zaoszczędzą nawet 50% lub więcej kleju. A to spora oszczędność, zważywszy na ceny w okolicach 100-200 EUR za 500 g.

Kleje metakrylowe (MA)

Czasem reklamowane jako „spawające” tworzywa. I nie ma w tym stwierdzeniu żadnej przesady. Ich zdolność rozpuszczania i reagowania z powierzchniową warstwą tworzywa powoduje, że złącze ma często większą wytrzymałość niż materiał rodzimy. Na dodatek istnieją modyfikacje o różnej prędkości utwardzania, podłoże nie wymaga szczególnych przygotowań, można zrezygnować nawet z odtłuszczania powierzchni. 
Kleje metakrylowe są odporne na kwasy, rozpuszczalniki, paliwa i… wibracje, a także udary. Wytrzymałość zmęczeniowa jest wręcz legendarna. Zwykle pęka materiał rodzimy. Należy jednak przygotować się do testów, oraz wypytać ewentualnego dostawcę o tabele, wykresy i wszelkie dane techniczne. Nie wszystkie kleje są bowiem równe.
Ważne: nie ma znaczenia, czy zastosujemy metakrylan utwardzający się w ciągu 3-10 minut, czy wolno wiążący, dający wstępną wytrzymałość w ciągu kilku godzin. Efekt jest zawsze znakomity!

Ich wdrożenie jest blokowane przez cenę, czego nie mogę zrozumieć, gdyż kleje te nie tylko eliminują koszty przygotowania powierzchni, ale również redukują pola odkładcze, są bardzo przyjazne w aplikacji mimo dość nieprzyjemnego zapachu (przy okazji: są mało szkodliwe).

Kleje epoksydowe (EP)

Są to moje ulubione kleje, niestety coraz rzadziej stosowane. Oczywiście, jednoskładnikowe epoksydy nie mają zastosowania w klejeniu tworzyw, gdyż najczęściej trzeba je podgrzać do wysokich temperatur. Złącza wykonane klejami epoksydowymi są wytrzymałe, mają znakomite właściwości mechaniczne, estetyczne. Jednak epoksydowe kleje nie łączą wszystkich rodzajów tworzyw wystarczająco dobrze. Dodatkowo muszą sieciować (utwardzać się) dłużej niż np. kleje metakrylowe. Typowo 12-24 godziny. Co prawda ciepło przyspiesza reakcję, ale też zmienia lepkość kleju… trochę z tym utrudnień.

Jednak epoksydy mają swoje miejsce w technologii klejenia. Nie zapominajmy, zawdzięczamy im latanie samolotami, gdyż w lotnictwie ich dzieciństwo… no i są dość niedrogie. Więc polskie firmy je lubią. Dla mnie ok., dwuskładnikowe urządzenia dozujące sprzedają się dobrze.

Niestety, do listy wad należy dodać silnie drażniący i uczulający charakter żywicy epoksydowej. Mimo braku zapachu, miodowego wyglądu, jest to niesympatyczna cecha. Jedni się uczulają szybciej, inni dłużej, ale podobno w końcu większość osób się uczula.

Kleje poliuretanowe (PU) i polimery MS

W wersji głównie jednoskładnikowej, obie grupy są elastyczne, mają wysoką wytrzymałość zmęczeniową. Czytając karty techniczne trudno w to uwierzyć, gdyż w porównaniu z metakrylanami lub epoksydami (od 10 MPa w górę), ich wytrzymałość na rozciąganie wydaje się znikoma (zwykle 3-4 MPa). Ale… to jest inna mechanika złącza! Kleje elastyczne pozwalają na rozłożenie naprężeń na większą objętość i są dlatego bardzo odporne na działanie karbu. 
Wymagają jednak grubszej szczeliny. Nie zawsze można sobie na nią pozwolić, gdyż rzadko konstruktor przewidział taką szczelinę, najpierw bowiem zaprojektował złącze, a potem… szukał kleju do jego wypełnienia. Typowy błąd, spowodowany odwróceniem kolejności działań.

Kleje topliwe i butyle

Kleje topliwe, nazwane często hotmeltami (od ang. „hot melt” - topić się na gorąco), charakteryzują się tym, że są jednoskładnikowe, bardzo szybko wiążą (chłodzą się) i znakomicie kleją papier, tekturę, folię… przynajmniej tak było jeszcze kilka lat temu. W ostatnim czasie przeprowadzaliśmy kilka wdrożeń, gdzie łączone były tworzywa tradycyjnie uważane za „niesklejalne”, jak… polipropylen, lub kłopotliwe, jak poliwęglan. W tych wypadkach okazało się, że kleje topliwe dają niewiarygodne możliwości. Oczywiście, nie mówimy o złamanym zderzaku ani o pękniętym reflektorze, ale o klejeniu zderzaków lub reflektorów w procesie produkcyjnym.

Okazuje się bowiem, że kleje topliwe nowych generacji oraz uszczelniacze butylowe mają napięcie powierzchniowe tak niskie, że pokonują opory przy klejeniu niektórych poliolefin. I co ważniejsze, bez żadnej dodatkowej aktywacji powierzchni. W dodatku złącza są odporne na wibracje, udary i wygłuszają hałas. Jedynym warunkiem jest odpowiednio ukształtowane złącze, zapewniające względnie dużą powierzchnię przylegania.

Kleje utwardzane światłem UV

Nie są często spotykane w klejeniu tworzyw sztucznych, gdyż wytrzymałość złączy wykonanych przy ich pomocy jest niesatysfakcjonująca w większości przypadków. Oprócz tego, z natury rzeczy nadają się do klejenia obszarów, gdzie jedna z powierzchni jest przeźroczysta dla światła UV. Dlatego zwykle stosowane są do łączenia plexi (PMMA) lub poliwęglanów (PC). Jednocześnie jednak te właśnie tworzywa pochłaniają większość promieniowania UV, co przedłuża i osłabia dodatkowo złącze.

Trzeba jednak o nich wspomnieć, gdyż spotyka się je w przemyśle, głównie przy produkcji ekskluzywnych opakowań do kosmetyków i produktach medycznych. Przede wszystkim stosuje się je ze względu na wspaniałe efekty estetyczne, gdyż kleje te są praktycznie niewidoczne. Nie powodują dymienia, są jednoskładnikowe, oraz bardzo klarowne.

Nie wszyscy wiedzą, że wszystkie płyty CD, CD/RW, DVD, Blue-Ray, są klejone z dwóch części, warstw poliwęglanu, z których obie są wtryśnięte i zaraz potem sklejane na całej powierzchni, właśnie klejami utwardzanymi światłem UV. Co ok. dwie sekundy z maszyny wypada płyta, gotowa do użytku. To właśnie jest główną cechą klejów UV: natychmiastowa gotowość detalu do działania, w kilkanaście sekund po sklejeniu i poddaniu promieniowaniu UV.

Kleje hybrydowe

Czyli… nie wiadomo co. Producenci klejów szukali sposobów zwiększenia adhezji klejów do tworzyw i znaleźli rozwiązanie, polegające na mieszaniu kilku baz chemicznych. W ten sposób powstały kleje, o których nie można powiedzieć, jaka jest ich baza. Kleje te są jednak rzeczywiście specjalne. Znajdują zastosowanie w łączeniu kłopotliwych do łączenia tworzyw, jak poliamidy, które najczęściej muszą być sklejone mocno, a na dodatek klejami uelastycznionymi, gdyż kruche się nie sprawdzają.

Rodzaj tworzywa	Opis pod kątem klejenia	Kleje do tworzywa
PS	Łatwy do klejenia, ale wrażliwy na uszkodzenia i zabrudzenia powierzchni	Rozpuszczalnik, klej rozpuszczalnikowy, właściwie każdy klej.
PMMA	Dość pasywne tworzywo, trudne do klejenia, zwykle wymagające estetyki	Specjalne kleje na bazie PMMA, oparte na rozpuszczalniku lub dwuskładnikowe, reagujące z materiałem rodzimym. Kleje cyjanoakrylowy, ale trzeba uważać na „dymienie”.
PCV	Odporne na chemię, jako tworzywo konstrukcyjne występuje w wersji twardej, z mniejszą ilością plastyfikatorów.	Kleje metakrylowe, cyjanoakrylowe, epoksydowe, hybrydy.
PC	Wytrzymały, estetyczny i często przeźroczysty materiał konstrukcyjny.	Kleje metakrylowe, epoksydy, cyjanoakrylowe jeśli nie przeszkadza nam dymienie. Estetyczne łączenia wykonuje się za pomocą klejów utwardzanych światłem UV. W obszarach jak reflektory, obudowy lamp, stosuje się kleje topliwe, butyle, a także elastyczne kleje poliuretanowe, jedno- lub dwuskładnikowe.
ABS	Jest wersją polistyrenu, więc klei się dość łatwo, często ważna jest estetyka.	Niektóre epoksydy, metakrylany, poliuretanowe uszczelniacze i kleje z podkładem. Kleje cyjanoakrylowe jeśli dymienie nie jest problemem.
PA	Jako płyty, wykładziny, obudowy.	Metakrylany, hybrydy, dają sobie dobrze radę, w małych klejeniach stosuje się kleje cyjanoakrylowe, czasem z aktywatorem.
PU	Często jako elastomery łączone z metalami.	Metakrylany, kleje cyjanoakrylowe,

Opracowano na podstawie http://www.tworzywa.pwr.wroc.pl/index.php?co=klej05

Technologie łączenia tworzyw sztucznych

Ursel Strona 6/7 2015-03-15

---