焊接兼容热塑性塑料| 2016-09-08gydF4y2Ba

理想情况下，塑料组件中的每个组件都将由相同的材料制成。然而，成本、功能和美学要求通常要求使用混合材料。gydF4y2Ba

不幸的是，这样的设计需求并不总是与装配需求同步。因此，由于化学不相容性或熔体温度差异很大，工程师通常难以焊接不同的塑料。gydF4y2Ba

为了解决这个问题，我们开始用两种不相容的热塑性聚合物的共混物来证明它们的焊接性。我们了解到，两种不相容的热塑性聚合物可以通过使用与这两种组分相容的聚合物共混物进行焊接。我们选择了两种与工业相关的热塑性高密度聚乙烯（HDPE）和聚酰胺12（PA12），以展示创新连接技术的潜力。gydF4y2Ba

的混合gydF4y2Ba

自从塑料在19世纪首次被发现以来，化学家们一直在混合各种聚合物以获得特定的特性。gydF4y2Ba

有两种类型的混合物:混溶的和不混溶的。而不混溶共混物中的每一种聚合物都有自己的玻璃化转变温度(TgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)，可混溶的混合物只有一个单独的结合物。gydF4y2Ba

大多数聚合物共混物是不混溶的。在没有偶联剂的情况下，聚合物共混物的性能通常不会比其单个组分的性能有所改善。在几种可用的偶联剂中，马来酸酐基是最常见的。将马来酸酐接枝到聚乙烯上，然后将悬垂的酸酐基团与聚酰胺胺端基反应。gydF4y2Ba

我们研究的材料都是工业级的。对于HDPE，我们使用了Lyondell Basell的Lupolen GX 5038。对于PA12，我们使用了EMS-Grivory公司的Grilamid l20。作为增容剂，我们使用了来自BYK的SCONA TSPE 1112 GALL，这是一种线性低密度聚乙烯，已与2%马来酸酐(PE-g-MAH)接枝。相容剂也称为偶联剂，它是添加剂，当在挤压过程中添加到不相容材料的共混物中，可以改变其界面性能并使熔体共混物稳定。gydF4y2Ba

为了消除水分的影响，在混合之前将材料在85℃下干燥6小时。使用共旋转的双螺杆挤出机混合PA12，PE-G-MAH和HDPE的共混物。在以下重量比中制备共混物：gydF4y2Ba

混合1-70%的PA12和30%的HDPE。gydF4y2Ba

混合2-50％的PA12，50％HDPE。gydF4y2Ba

混合3-30%的PA12和70%的HDPE。gydF4y2Ba

增容剂占HDPE重量的25%。gydF4y2Ba

试验样品(150毫米长，75毫米宽，4毫米厚)注射成型。gydF4y2Ba

焊接过程gydF4y2Ba

在我们的研究中，我们研究了热板焊接和扩散焊接。gydF4y2Ba

热板焊接是一个众所周知的过程，但有关异种聚合物焊接的文献很少。大多数研究涉及不同等级的HDPE或聚丙烯均聚物与聚丙烯共聚物的焊接。然而，异种高聚物的焊接性还没有得到系统的研究。gydF4y2Ba

热板焊接因其工艺稳定性好而成为塑料连接中应用最广泛的方法之一。该过程有四个主要阶段。在第一阶段，零件的表面与加热工具的表面接触，直到熔融塑料开始横向流出，以确保一个完整的接触区域。gydF4y2Ba

在第二阶段，压力降低，使塑料部分可以加热而不应用额外的压力。这使得熔融膜可以均匀地增加厚度。gydF4y2Ba

当定义的熔融膜厚度产生时，零件和工具在第三阶段分离。在这一阶段，必须非常小心，以避免塑料粘附到加热工具。此外，加热和焊接之间的时间应该尽量缩短，这样熔化的塑料就不会过早冷却。gydF4y2Ba

在第4阶段，两部分的熔融表面接触，并在预定压力下相互挤压，直到界面凝固。在这个阶段，熔化的塑料在冷却的同时横向流动。gydF4y2Ba

另一种没有熔体流动的焊接工艺是扩散焊。像热板焊接一样，使用工具将接头界面加热到塑料的熔点。但是，与热板焊接不同的是，这些部件是在加热之前组装的，不需要施加额外的压力。这就减少了接合面中任何不希望出现的变形。在熔化阶段，每个部分的大分子可以通过连接平面，直到加热工具关闭，塑料冷却后凝固。这种键是通过聚合物的相互扩散而建立的。gydF4y2Ba

由于扩散焊接的工艺时间长，通常被认为与工业用途无关。然而，这是一个很好的过程，用它来分析我们的系统的细节来连接不同的塑料。gydF4y2Ba

焊接试验gydF4y2Ba

对于热平板焊接实验，我们最初使用一个工具，加热到容纳塑料部件的不同熔体温度的温度。该工具的温度在220℃和300℃之间。焊接压力从0.1〜2兆帕斯卡（MPA）不同。gydF4y2Ba

首先，将母材焊接而不掺杂以表征其最大焊接强度。然后，将聚合物共混物相互焊接。最后，以聚合物共混物为中介，对基材进行粘结。gydF4y2Ba

在开始焊接试验之前，对所有工艺参数进行了优化。gydF4y2Ba

对于扩散焊接试验，将试样切割并研磨成70×70毫米的尺寸。它们被插入模具中，以防止在随后施加预紧力时熔体泄漏，这是保证熔融塑料之间接触所需的。作为初步试验的结果，选择了加热工具温度为200℃，加热时间为1小时。gydF4y2Ba

焊接后将试验板切割成试样进行准静态拉伸试验。将热板焊接后的试件切割成8个试件进行强度分析。将扩散焊连接的试验板切割成4个试样。不分析两个外部试样以消除边际影响。我们用的拉力试验机有一个10千牛顿的测压元件。十字头的速度是每分钟20毫米。gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

图1总结了屈服应力和应变的结果。基础材料的值绘制在右侧，用作比较。共混物的屈服应力随HDPE含量的增加而减小，屈服应变保持在14%左右，且高于基体材料。gydF4y2Ba

屈服应力和应变对相间的力传递相当敏感。据此，屈服应力和屈服应变可以看作gydF4y2Ba
评价不同相间附着力的合适措施。一个更小的gydF4y2Ba
畴尺寸显示聚合物的更好分散，因此，更好的界面粘附。gydF4y2Ba

基材的焊接实验表明，聚乙烯和聚酰胺的焊接因子为1.1，如表2所示。(焊接系数fgydF4y2Ba_zgydF4y2Ba定义为焊接强度的商σgydF4y2Ba_{远景gydF4y2Ba}，基材的屈服应力σgydF4y2Ba_BMgydF4y2Ba： FgydF4y2Ba_zgydF4y2Ba=σgydF4y2Ba_{远景gydF4y2Ba}/σ.gydF4y2Ba_BMgydF4y2Ba.)gydF4y2Ba

这些高结合强度值被发现几乎恒定在一个广泛的参数范围加热工具温度和焊接压力。当温度为250℃时，压力的变化是典型的。大于1的焊接因素是由焊缝横截面积的增加引起的。gydF4y2Ba

聚合物共混物的焊接试验总是在相同重量比的共混物下进行。这些实验的焊接因素见表3。结果表明:随着PA12含量的降低，焊接因子增大;原因之一可能是聚合物共混物的主要相。当PA12的比例达到50%时，HDPE似乎占据了主导地位。只要HDPE为主导相，可以看出黏结强度(19 MPa左右)略高于纯PE的抗拉强度(18 MPa)。焊接因子降低只是因为聚合物共混物的较高拉伸强度。gydF4y2Ba

令人惊讶的是，如果HDPE是混合物中的次要相位，则焊接强度降低。然而，一旦PA12是主导相，焊接强度应该更高，因为纯PA12的拉伸强度较高。焊接机构的理论基于分子链的松弛和通过连接平面的扩散。只要PE是主导阶段，该理论就可以被视为有效。gydF4y2Ba

如果PA12是主要相，扩散过程似乎受到限制。原因可能是HDPE，它阻碍了PA12链通过连接面扩散。gydF4y2Ba

此外，聚合物链的迁移率对扩散过程也很重要。由于PE-g-MAH的化学键合作用，PA12链的迁移受到限制。由于迁移率的限制，扩散过程减小。另外，PA12链的未修饰侧仅与其他PA12链相仿射。因此，仅仅这一部分就能与其他PA12链产生缠结。gydF4y2Ba

相反，HDPE与HDPE链和改性PA12链是亲合的。这支持了通过连接平面的扩散，因此焊缝形成机制。gydF4y2Ba

与基材焊接gydF4y2Ba

利用优化后的母材焊接参数进行了共混焊接试验。因此，将共混物焊接到HDPE的加热温度为230℃，将共混物焊接到PA12的加热温度为270℃。gydF4y2Ba

正如预期的那样，当母材在混合物中的比例较高时，可获得最高的焊接强度。值得注意的是，共混物2（50%PA12）与HDPE的结合强度已达到HDPE的拉伸强度（18mpa）水平。相反，共混物1（70%PA12）与PA12的焊接并没有达到共混物的拉伸强度水平。这里需要与聚合物共混物而不是PA12进行比较，因为共混物在所有相关组分中具有最低的拉伸强度。结果证实了PA12链的受限迁移率的预期。gydF4y2Ba

考虑到焊接压力，可以看出，增加压力会产生负面影响。原因是链条的移动性。每个塑料部件上的熔融层具有温度梯度。熔融塑料的温度在加热工具中最高。但是，随着距离工具的距离增加，温度降低。增加焊接压力将最热的熔融材料推出焊接区，留下稍微冷却的材料流入连接平面。通过较低的温度，分子链的迁移率降低，并且通过连接平面的扩散加剧。gydF4y2Ba

由于限制链的流动性，我们意识到我们必须修改焊接参数，使每个部分的熔融塑料具有相同的粘度。这需要我们将两个组件加热到两个不同的温度，这是通过使用两个加热工具实现的。gydF4y2Ba

为了看看我们的思维是否正确，在流变上分析了聚合物共混物和基础材料。曲线图3说明了聚合物共混物的熔体粘度和基材在不同的温度下。可以观察到，共混物的粘度高于基础材料的粘度，这是由更高摩尔质量的混合物引起的。gydF4y2Ba

随后，将用于HDPE和PA12的工具加热至250℃，而用于共混物的工具加热至270℃或300℃，这取决于HDPE与PA12的比例。如果将焊接强度考虑在内，图2（暗线）所示的结果表明，一方面，共混物与PA12的焊接略有增加。另一方面，共混物与HDPE的焊接接头强度降低。这可能是PA12在共混物中链流动性增加的结果，从而导致更好的扩散。然而，这种增加的流动性可能会限制HDPE链的运动，这反过来解释了共混物与HDPE焊接时拉伸强度的轻微下降。gydF4y2Ba

在本实验中，预计该共混物与PA12的焊接强度更高。由于共混物总是最弱的成分，焊缝强度应与各自的抗拉强度在一个水平上。与blend 3焊接HDPE时焊接系数为0.93相比，blend 1焊接PA12时焊接系数仅为0.65。gydF4y2Ba

这减少的原因让我们感到惊讶。在PA12-混合界面附近，仅在混合物的一部分上，焊缝包含几个小微裂缝，其在流动通道延长中出现到分子链的取向。我们还没有合理的解释，以形成这些裂缝。gydF4y2Ba

为了消除熔体的流动过程，进行扩散焊接实验。在这些试验中，将聚合物共混物焊接至PA12。图4显示了所涉及的聚合物共混物的拉伸强度水平的焊接强度平台，表示近1的焊接因子。这种特定的关节通过不存在微裂纹来证实。因此，可以假设熔体的流动影响聚合物结构，从而界面粘合性降低。值得突出显示，尽管PA12的比例低，焊接gydF4y2Ba
因子仍然近1。gydF4y2Ba

对于共混物1（70%PA12）的接头，断裂路径穿过基材，断裂从共混物中最脆弱的聚合物部分开始。如果PA12在共混物中的比例降低，焊缝会变弱，但其结合强度不会低于纯聚合物共混物的结合强度。一般来说，所有的裂缝都始于最脆弱的聚合物部分。一旦断裂到达焊缝，该项目就崩溃了。因此，接头的断裂点与焊缝无关。gydF4y2Ba