БУКИНИСТ

Для топохимических реакций характерно протекание в три стадии:

1) образование физического контакта;

2) активация контактных поверхностей;

3) объемное развитие взаимодействия.

Такой процесс описывается кинетическими кривыми, показанными на рисунке. Стадия А соответствует преимущественному развитию процесса образования физического контакта, стадия Б - преимущественному развитию активации контактных поверхностей и процесса химического взаимодействия, стадия В - протеканию объемных процессов релаксационного характера. Кинетические кривые идентичны с кривыми зависимости прочности сварных соединений от времени сварки, что свидетельствует о применимости указанных представлений к ультразвуковой сварке пластмасс.

В настоящее время еще нет исчерпывающих сведений о характере процессов, протекающих на той или иной стадии процесса сварки. Основываясь на экспериментальных данных, можно предположить, что процесс образования физического контакта при ультразвуковой сварке пластмасс протекает одновременно с термической активацией контактных поверхностей. Направленное силовое поле и тепловое движение молекул приводит к необходимому сближению последних. Работа деформации затрачивается также на удаление из контактной зоны инородных включений (газовых пузырьков, неорганических загрязнений и т. д.). В процессе термической активации повышается подвижность отдельна атомов, боковых групп и сегментов молекулярных цепей и подготавливается третья стадия процесса - объемное взаимодействие. Последнее протекает наиболее интенсивно при температуре, равной или несколько выше температуры текучести.

Некоторые исследователи считают, что решающую роль при сварке пластмасс играют диффузионные процессы. Для получения соединения необходимо, чтобы при соприкосновении двух поверхностей вещества происходила достаточно полная их коалесценция (слияние). Полная коалесценция двух слоев жидкости происходит при непосредственном контакте их и сопровождается исчезновением границы раздела между ними. В случае соединении полимеров одного контакта для коалесценции не достаточно, так как должно еще произойти структурообразование в зоне контакта, которое может быть достигнуто за счет диффузии макромолекул в целом или отдельных сегментов. Перемещению сегментов препятствуют их связи с отдельной молекулой, поэтому диффузия сегментов вызывает некоторое изменение конфигурации цепной молекулы.

В результате этого большое число последовательных перемещений сегментов будет приводить не только к изменению формы макромолекул, но и к смещению их центров тяжести, т. е. к “блужданию” макромолекул в массе полимера. Перемещение сегментов макромолекул в целом получило название “микроброуновского” и “макроброуновского” движения, соответственно.

Перемещение макромолекул в целом особенно легко может происходить в том случае, если контакт слоев полимера осуществляется при температуре выше температуры течения. В этом случае в зоне контакта сравнительно легко возникает структура, характерная для полимера. Диффузия отдельных сегментов макромолекул может происходить и при температурах, отвечающих высокоэластическому состоянию полимера, при этом перемещение молекулы в целом затруднено. При таких температурах степень коалесценции меньше единицы (максимальная степень коалесценции равна единице и наблюдается только у жидкостей). Уменьшение степени коалесценции объясняется тем, что после того, как сегменты, переместились на определенную глубину, диффузия прекращается из-за напряжений, возникающих в молекулярных цепях.

Явление перемешивания вязкотекучего материала в зоне сварки подтверждено экспериментально в работах К. И. Зайцева, изучавшего процесс термоконтактной сварки полимеров. По-видимому, для макрообъемов вязкотекучего материала при сварке характерен процесс перемешивания, а для микрообъемов - процесс диффузии. При исследовании сварных образцов из полистирола и полистирола с оргстеклом было установлено, что по границам раздела протекают химические превращения. Сварные образцы исследовались до и после экстрагирования методами ИК-спектрометрии, полярографии и турбидиметрического титрования.

При исследовании сварных образцов из полистирола в ИК-спектрах наблюдалось увеличение интенсивности полосы поглощения в области 1720 1/см, характеризующей валентные колебания карбонильных групп, образующихся через перекидные соединения при термоокислительной деструкции, сопровождающей плавление полимера. Образование перекисных соединений при сварке подтверждается результатами полярографического исследования растворов полистирола. Увеличение максимума на дифференциальной полярографической кривой при потенциале полуволны E=1,5В объясняется увеличением в процессе плавления количества остаточных перекисных соединений. Образование перекисных соединений связано с появление макрорадикалов, что способствует течению химических реакций на границе раздела.

На основании полученных результатов авторы работы делают вывод о том, что при ультразвуковой сварке термопластов наряду с диффузионными процессами происходит химическое превращение материала, а также образование блок- и привитого сополимера - при сварке разных термопластов с близкими температурами плавления. Химические превращения, протекающие вследствие высоких температур в зоне контакта, способствуют повышению прочности сварных соединений.

Максимальное выделение ультразвуковой энергии отвечает резонансному режиму работы колебательной системы, а следовательно, и явления диффузии, перемешивания и т. д. наиболее активно протекают при этом режиме.