Menu

Metody łączenia tworzyw sztucznych:

Metody łączenia tworzyw sztucznych można podzielić na dwie grupy: mechaniczne i fizykochemiczne. Metody mechaniczne, jak połączenia śrubowe, nitowe i inne, są stosowane rzadko. Do metod fizykochemicznych należą: spawanie, zgrzewanie i klejenie.

Zgrzewanie

Elementy wykonane z tworzyw termoplastycznych można łączyć metodą zgrzewania. Przy bezpośrednim zgrzewaniu element grzejny wprowadza się między powierzchnie łączone, natomiast przy zgrzewaniu pośrednim ciepło zgrzewania doprowadza się przez element umieszczony na zewnątrz. Elementy te ogrzewa się elektrycznie, płomieniowo lub gorącym powietrzem, w zależności od rodzaju termoplastu, do temperatury 450-570 K (-180-300°C).
Przy bezpośrednim zgrzewaniu czołowym powierzchnie zgrzewane przykłada się z małym dociskiem do elementów grzejnych, aż utworzy się zgrubienie ciastowatego materiału. Po usunięciu elementu grzejnego powierzchnie łączone jak najszybciej dociska się pod ciśnieniem 10-20 kPa, aż na obrzeżu ukaże się zgrubienie. Ciśnienie musi być utrzymywane do oziębienia się spoiny. Do prac montażowych, przy spajaniu czołowych profilów z PVC miękkiego, używa się aparatów podobnych do lutownicy. Przy zgrzewaniu warsztatowym półfabrykatów z poliolefin (PE, PP) używa się elektrycznie ogrzewanych listew i stołów grzejnych. Przy ciągłym zgrzewaniu na zakładkę taśm tworzywa sztucznego i różnego rodzaju materiałów powlekanych używa się maszyn podobnych do maszyn do szycia (przy wykonywaniu długich prostych spoin maszyna przesuwa się wzdłuż nich z prędkością 2-15 m/min). Po zejściu z klina grzejnego o regulowanej temperaturze taśmy są dociśnięte przez rolki i zgrzane.
Pośrednie zgrzewanie elementami grzejnymi stosuje się przede wszystkim w przemyśle opakowań. Zgrzewanie przez kontakt cieplny ze stale ogrzewanymi elementami grzejnymi zgrzewarek służy do zgrzewania powłok i warstw łatwo płynących na foliach laminowanych, np.: PE/aluminium, PVC/aluminium. Do zamykania worków i innych opakowań wysyłkowych używa się prostych zgrzewarek szczękowych. Złącza takie są uznawane jako zamknięcia trwałe w urzędach celnych. Urządzenia do zgrzewania folii impulsem cieplnym mają szczęki zgrzewające, w których pod warstwą tarflenu znajdują się cienkie druty lub taśmy grzejne. Folie o grubości do l-10~4 m nagrzewa się jednostronnie, a grubsze dwustronnie, krótkotrwałym impulsem cieplnym. Spoinę chłodzi się masywnymi szczękami. Do łączenia rur z twardego PCW stosuje się zgrzewanie ciepłem tarcia. W tym celu jeden element łączony należy zamocować w uchwycie tokarki, a drugi unieruchomić zapadką i dociskać za pomocą kła. Powierzchnie łączone przy ok. 46 rad/s (-500 obr/min) osiągają temperaturę mięknienia, wówczas zwalnia się zapadkę unieruchamiającą, zatrzymuje tokarkę i pozostawia złączone części pod naciskiem, aż do ochłodzenia. Do polimerów o budowie polarnej (PCW, PA) stosuje się zgrzewanie pojemnościowo-dielektryczne. Polimery takie, umieszczone między okładkami kondensatora zasilanego szybkozmiennym prądem
o częstotliwości kilku tysięcy cykli na sekundę, ogrzewają się w całej swej
masie, ponieważ cząstki dielektryka wykonują drgania w szybkozmiennym
polu elektrycznym i energia elektryczna zamienia się w ciepło. Miarą strat
energii elektrycznej, celowo w tym przypadku przetwarzanej na ciepło, jest
współczynnik stratności dielektrycznej t&. Elektrody w procesie pozostają
zimne, a ogrzewa się jedynie łączony materiał, co zapewnia krótki czas
optymalne warunki cieplne zgrzewania. W celu uniknięcia niewygodnego
i czasochłonnego ucinania brzegów, po zgrzewaniu stosuje się często elektrody zgrzewająco-ucinające.

Klejenie tworzyw i innych materiałów

Odkrycie polimerów syntetycznych udostępniło technologom nowe materiały klejące, zdolne do konstrukcyjnego łączenia nie tylko tworzyw sztucznych, ale i materiałów, do tej pory uważanych za nie nadające się do klejenia (metale, szkło, minerały). Istota klejenia polega na tym, że odpowiednie grupy polarne występujące w strukturze polimeru stanowiącego klej (np. amidowe, estrowe, wodorotlenowe) są w stanie tworzyć silne wiązania chemiczne z odpowiednimi grupami materiałów klejonych lub inkludować w powierzchni materiałów klejonych (np. metali) dipole, oddziałujące siłami przyciągania na dipole polimerycznego kleju. Można obliczyć, że siły te są równe siłom spójności materiałów konstrukcyjnych, dlatego klejenie znalazło zastosowanie nawet do łączenia elementów skrzydeł naddźwiękowych samolotów. Nie istnieją kleje uniwersalne. Do każdej pary klejonych powierzchni mogą być stosowane tylko odpowiednie dla niej kleje. W celu zapewnienia dobrego połączenia, kleje muszą spełniać wiele wymagań. Należą do nich: zwilżanie i adhezja (przyleganie) do powierzchni łączonych materiałów, odpowiednia kohezja (spójność wewnętrzna), łatwość przechodzenia w stan stały przez utwardzenie termiczne lub chemiczne, względnie odparowanie rozpuszczalnika. Dużo trudności przy klejeniu tworzyw sztucznych, zwłaszcza utwardzalnych, sprawia mała adhezja klejów do gładkich powierzchni. Zachodzi wówczas konieczność przygotowania do klejenia powierzchni szorstkich i odtłuszczonych. Kleje można podzielić na dwie grupy: utwardzalne i rozpuszczalnikowe.
Kleje utwardzalne mogą być utwardzane na zimno i ciepło. Kleje utwardzalne na zimno są zawsze dwuskładnikowe. Po dodaniu utwardzacza lepkość wzrasta stosunkowo szybko i czas "życia" kleju nie przekracza kilku godzin. Kleje takie można utwardzać także w podwyższonych temperaturach, co znacznie skraca czas utwardzania. Należy nakładać możliwie cienką warstwę kleju i jeśli to możliwe, umiarkowanie dociskać powierzchnie klejone. Do tej grupy należą kleje fenolowe, mocznikowe, melaminowe, epoksydowe i poliuretanowe.
Kleje rozpuszczalnikowe nadają się przede wszystkim do klejenia tworzyw termoplastycznych, podobnych (lub identycznych) do stałego składnika zawartego w kleju. Stanowią one roztwory polimerów termoplastycznych w odpowiednich rozpuszczalnikach i dla otrzymania połączenia o dobrej wytrzymałości konieczne jest niemal ilościowe odparowanie rozpuszczalnika. Czas potrzebny do odparowania rozpuszczalnika wynosi zwykle kilkanaście godzin i im trwa dłużej, tym spoina jest trwalsza i nie zawiera pęcherzyków. W przypadku dobrej rozpuszczalności klejonego tworzywa możliwe jest również klejenie samym rozpuszczalnikiem.
O wytrzymałości połączenia klejowego decyduje, oprócz samego kleju, wiele innych czynników, jak rodzaj łączonego tworzywa, jakość powierzchni klejonej, sposób połączenia, grubość spoiny, a zwłaszcza sposób obciążenia połączenia klejowego, który może być statyczny lub dynamiczny, krótko- lub długotrwały, wywołujący różnego rodzaju naprężenia.
Połączenia klejowe należą do najnowocześniejszych sposobów łączenia. Wpływają na to następujące zalety:
- możliwość ukształtowania złącza bez konieczności powodowania zmian
strukturalnych w materiale,
- możliwość łączenia różnych materiałów,
- możliwość łączenia materiałów o bardzo dużej różnicy grubości,
- stosunkowo duża łatwość wykonania i klejenia.
Mimo tych zalet, dalszy rozwój złącz klejowych ograniczają:
- duża wrażliwość złącza na podwyższoną temperaturę (ponad 60°C) i niemożliwość stosowania w temperaturze przekraczającej 350°C; 
- mała odporność na rozwarstwienia; 
- stosunkowo mała wytrzymałość złącza.

Nitowanie

Połączenia nitowe mogą być zakładkowe lub nakładkowe, przy czym grubość nakładki przyjmuje się 0,7-0,8 grubości łączonego elementu. Podstawowymi zaletami złącz nitowych są:
- elastyczność,
- możliwość łączenia różnych materiałów,
- mała wrażliwość na zmianę temperatury otoczenia,
- stosunkowo mała wrażliwość na obciążenia zmienne i dynamiczne.
Do wad zalicza się dużą pracochłonność, konieczność znacznego zwiększania masy połączenia (masa nakładki i nitów) oraz ograniczony zasięg stosowania.