CC BY
41
л 2-
Т1Ш1
.с'- 'l ''
N1
fi'»1 |i.e |а°л f*«.e |s".e ]4.а |?.е |а.е |«.е
Рис. 5. Микрорентгеноспектральный анализ сплава (50T)C-50TiNI) об%
держания "П и N1 никаких других примесей не существует (рис. 5).
Таким образом, экспериментальные исследования разрушения твердых сплавов на основе карбида титана со связующей матрицей "П№ показывают, что характер разрушения твердых сплавов зависит от содержания металлической связующей матрицы, от размеров карбидного зерна, а также от введения небольшого количества бора и титана в состав сплавов.
Библиографический список
1. Чичварина С.И., Чернышев В.В., Гончар Л.Ю. - В кн: Твердые сплавы и инструмент / Под ред. H.A. Кудри. — М.: Металлургия, 1986. - С. 103-112.
2. Акимов В.В. Характер износа поверхности композиционных материалов карбид-никелида титана с добавками бора и титана при резании мерзлого грунта. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 2005. — № 4. — С. 35-37.
3. Акимов В.В. Механизм жидкофазного спекания твердосплавных композитов TiC-TiNi. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2006. — № 6. — С. 33 — 35.
4. Акимов В.В., Иванов H.A. Применение ультразвукового резонансного метода для определения упругих и пластических характеристик сплавов TiC-TiNi. // Прикладная механика и техническая физика . — 2002. — Т. 43. — С. 203 — 207.
АКИМОВ Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры КМиСТ Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. АКИМОВ Марк Валерьевич, инженер-механик автомобильного транспорта, соискатель. КУЛЬКОВ Сергей Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор ИФПиМ г. Томска.
Статья поступила в редакцию 13.09.06 г. © Акимов В. В., Акимов М. В., Кульков С. Н.
УДК 678.742.2:62 65 И. В. МОЗГОВОЙ
А. Г. НЕЛИН Г. М. ДАВИДАН Е. И. МОЗГОВОЙ О. И. МОЗГОВОЙ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ПОЛИЭТИЛЕН_
Представлены результаты исследований влияния на прочностные показатели и долговечность полимерного материала различных энергетических полей — тепла, ультразвука и их комбинаций. Установлено, что тепловое воздействие на полиэтилен при температурах плавления и выше отрицательно влияет на прочность материала и его долговечность, что объясняется возникновением деструкционных процессов. Наихудшие результаты получаются, если тепловое воздействие сопровождается окислительными процессами. При воздействии на полимерный материал тепла без доступа кислорода и при температурах, соизмеримых с температурами плавления, отрицательное воздействие минимально, поэтому часто комбинируют различные источники энергии.
Полимерные материалы находят все более широкое применение в различных областях промышленности и в быту. Это обусловлено их высокой химической стойкостью, низкой плотностью, относительно высокой механической прочностью. Эти свойства дают возможность применять полимерные материалы в химической, машиностроительной, автомобильной и других отраслях промышленности. Более
48 % выпускаемых изделий из пластмасс получают путем соединения отдельных элементов методами теплового воздействия и комбинированных источников энергии.
Среди термопластичных полимерных материалов, характеризуемых способностью при нагреве переходить в вязкотекучее и далее в жидкотекучее состояние, по масштабам производства и многообра-
Физико-механические свойства полиолефинов
Показатели ПЭНП ПЭВП ПП СЭП
Предел прочности при растяжении, о . МПа 12... IS 22... 45 24... 35 20... 25
Относительное удлинение при растяжении, 5 , % 150... 600 200... 900 250... 700 200... 800
Предел текучести, (У МПа 8...12 18...32 18.26 15.20
Плотность, р , кг/м3 920... 930 930... 950 900... 920 930... 950
Модуль упругости при изгибе. Е, МПа 110... 120 230... 450 120... 360 110... 230
Температура плавления, °С 108... 120 125... 137 157... 164 120... 170
Температура хрупкости, "С < -70 < -70 < - 80 < -70
Твердость по Шору 45... 55 63... 74 Ь0... 70 50... 60
Теплостойкость по Вике, "С 60... 70 80... 100 125... 150 80... 120
зию областей применения ведущее место занимают полиолефины. В эту группу входят полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) и высокой (ПЭВП) плотности, полипропилен (ПП), сополимер полиизобутилен (СЭП) и др. По темпам роста объема производства эти материалы превосходят все другие полимерные материалы, и в настоящее время в мировом производстве полиэтилен занимает первое место, а полипропилен — четвертое.
Широкое применение полиэтилена, полипропилена и их сополимеров объясняется их высокой химической стойкостью в большинстве агрессивных сред и высокой механической прочностью при повышенных температурах. Диапазон рабочих температур ПЭ, ПП и их сополимеров очень широк: от — 60 "С до + 80 "С для ПЭ и от - 80°Сдо + 140 "С для ПП. Благодаря низкой плотности этих термопластов (900 = 950 кг/ма) по сравнению с металлами и их сплавами, значительно снижается масса изготовляемых из них изделий, что имеет решающее значение во многих областях применения, позволяя облегчить конструкции и увеличить полезную нагрузку на них.
С целью получения информации для дальнейших исследований в таблице 1 приведены некоторые свойства пластмасс из группы полиолефинов.
Материалы из группы полиолефинов (табл. 1) имеют сравнительно невысокие модули упругости при растяжении и при изгибе (Е < 5- 10а МПа), низкий предел текучести (сг т < 30 МПа) и высокое относительное удлинение (8 =150... 700 %). Поэтому их относят к группе мягких пластмасс [ 1 ].
В последние годы из пластмасс на основе полиолефинов начали изготавливать и широко применять ответственные изделия, которые в процессе эксплуатации подвергаются различным внешним воздействиям в течение длительного времени, т. е. всего срока их службы. Основными воздействиями являются температурные перепады, циклические механические воздействия, в т. ч. и знакопеременные, воздействия атмосферной среды: влага, ветер, солнце, низкие и высокие температуры, агрессивные среды и др.
К основным изделиям из полиолефинов относятся: в автопроме корпусные изделия - корпуса топливных и аккумуляторных баков, сопла, воздухо- и масляные фильтры; в машиностроении — корпуса редукторов, колеса вентиляторов и насосов и др.; в сельском хозяйстве — покрытия пленочных теплиц,
покрытия русел каналов для предотвращения фильтрации воды, пленочные покрытия гелиообъектов; в медицине — для создания различных конструкций; в авиа- и космической технике, в производстве различных упаковок, емкостей, детских жестких и мягких игрушек, посуды и т. д.
При изготовлении перечисленных изделий и большого количества неназванных, как правило, применяются различные виды энергии: тепловая, ток высокой частоты, ультразвуковая, лучистая, механическая, ядерная и др. На базе этих видов энергии разработано большое количество способов и методов производства изделий. Например, различные виды литья, тепловая формовка, тепловое прессование, экструзия и шприцевание, сварка и т. д. Все названные способы и методы переработки пластмасс в изделия имеют широкое распространение, и при всех полимерные материалы в процессе изготовления из них изделий подвергаются существенному термическому воздействию до температур плавления, а часто и значительно больших. Особого внимания заслуживает метод получения пластмассовых изделий путем сварки. Различных способов сварки пластмасс существует более тысячи, и все они обеспечивают создание неразъемных соединений доведением материала в зоне шва до вязкотекучего или жидкого состояния для обеспечения коалесценции и необходимой полноты диффузионных и реологических процессов.
Отличительной особенностью полимеров, даже тех, которые наполнены различными стабилизаторами, антистарителями и антиокислителями, является их склонность к старению, то есть необратимому изменению механических и химических свойств материала в процессе эксплуатации под воздействием перечисленных выше факторов. Поэтому изучение влияния на эксплуатационные свойства пластмасс, подвергшихся тепловому или иному воздействию в процессе их переработки в изделия, является крайне важным.
Сварка пластмасс является наиболее распространенным технологическим процессом, в котором применяются: сварка газом-теплоносителем, нагретым элементом, экструдированной присадкой, ИК-излучением, трением, ультразвуком.
В таблице 2 приведены данные, характеризующие способы переработки пластмасс в изделия с точки зрения теплового воздействия энергетических полей, уровня этого воздействия и его влияния на
Влияние способов переработки пластмасс в изделия на прочность шва
Способ переработки пластмасс Температура в зоне воздействия. "С Превышение над температурой плавления, °С Относительная прочность материала шва. % к основному материалу
Литье 140... 150 40..50 98... 100
Тепловое формование 90...100 Превышения нет 100
Экструзия 90...100 Превышения нет 100
Сварка с газом-теплоносителем 220...255 110...145 60...90
Сварка нагретым элементом 200...220 108...Ив 80.„98
Сварка экструдированной присадкой 210...260 108. ..150 60...90
Сварка ИК-излучением 180...200 78...98 75...85
Сварка трением 120... 130 12...20 90... 100
Сварка ультразвуком 140... 180 38...70 90... 100
1!
1Р Л
Рис. 1:
а - схема сварки газом-теплоносителем: 1 - сопло горелки; 2 - нагретый газ-теплоноситель; 3 - зона расплавленного полимера (шов); 4 - направление сварки; 5 - соединяемые образцы; 6 - зажимные губки;
б - схема ультразвуковой сварки: 1 - ультразвуковой сварочный инструмент; 2 - резонирующая опора; 3 - зона нагрева материала ультразвуковыми колебаниями; 4 - соединяемые образцы; в - схема сварки экструдированной присадкой: 1 - мундштук экструдера; 2 - экструдируемый полиэтилен; 3 - зона экструдируемого материала, уложенного в шов; 4 - оплавленная зона соединяемого материала;
5 - образцы полиэтилена; 6 - зажимные губки; г - схема сварки нагретым элементом с нагревом соединяемых поверхностей: 1 - нагретый элемент (теплоноситель); 2 - зажимные губки; 3 - зона нагрева полимерного материала; 4 — расплавленный материал, вытесненный из зоны шва;
5 - соединяемые образцы полиэтилена;
д - часть изделия из ПЭНП (соединенные листы), помещаемого в АИП-1 для искусственного ускоренного старения; е - схема испытания на прочность на растяжение зоны материала (шва), подвергшегося тепловому воздействию; ж - схема испытания на прочность на растяжение исходного полиэтилена
прочностные показатели полимерного материала в зоне воздействия.
Из данных табл.2 следует, что прочность полимерного материала, подвергшегося тепловому воздействию, коррелирует с уровнем воздействия. В частности, чем выше температура нагрева, тем ниже прочность полимерного материала. Например, при сварке газом-теплоносителем прочность материала может снижаться до 60 % прочности исходного полимера. В то же время такие процессы, каклитье, тепловое формование, экструзия, при которых температура воздействия лишь незначительно превышает температуру плавления полимера или даже ниже ее, прочность материала равна исходной. Следует также констатировать, что энергетические поля ряда способов переработки пластмасс в изделия крайне неравномерны. К ним относятся сварка газом-теп-
лоносителем, ИК-излучением, ультразвуком, что, вероятно, также отрицательно влияет на прочностные показатели.
В связи с тем, что многие изделия из полимеров находятся в работе длительное время, важно, чтобы материалы в зоне соединения сохраняли прочностные показатели на уровне, удовлетворяющем эксплуатационным требованиям. С этой точки зрения показательными являются испытания материала соединения в течение длительного эксплуатационного периода.
Проводились испытания на прочность полимерного материала зоны соединения (зоны теплового нагрева), подвергающегося в течение длительного воздействия в установке искусственной погоды (АИП-1) имитационному воздействию различных климатических факторов - температурным пе-
Т5&-353-Й5-
Врли испытвпин в АИГТ-1, г, ч
Рис. 2. Зависимость прочности материала ПЭНП от способа теплового воздействия и времени испытания: 1 - исходный ПЭНП; 2 - сварка ультразвуком; 3 - сварка экструдированной присадкой; 4 - сварка нагретым элементом; 5 - сварка газом-теплоносителем
Время нсиитапни п АИП-1.1 , ч
Рис. Э. Зависимость относительного удлинения материала ПЭНП от способа теплового воздействия и времени испытания: 1 - исходный ПЭНП; 2 - сварка ультразвуком; 3 - сварка экструдированной присадкой; 4 - сварка нагретым элементом; 5 - сварка газом-теплоносителем
Влияние длительности старения и способа термообработки (снарки) полиэтилена на его прочность
Таблица 3
Способ термообработки (сварки) полиэтилена Прочность, а, МПа
перед испытанием 150 ч старения 300 ч старения 450 ч старения 600 ч старения
Исходный материал 112... 125 119...123 111...119 102.„112 93... 102
Ультразвук 118...123 115...120 103.. .116 82.93 75.80
Экструдированная присадка 116...122 1I0...I17 98... 109 69...87 5В...75
Нагретый элемент 107...118 100...106 82.. .94 63 ...83 36..,65
Газ-теплоноситель 102... 116 69.98 Й...67 49...52 17...43
Таблица 4 Влияние длительности старения и способа термообработки (сварки) полиэтилена на его относительное удлинение
Способ термообработки (сварки) полиэтилена Относительное удлинение, б. %
перед испытанием 150 ч старения 300 ч старения 450 ч старения 600 ч старения
Исходный материал 480...535 420...490 390...450 280,..380 140...220
Ультразвук 380.. .410 340...400 210...340 120..180 20...110
Экструдированная присадка 290...390 280 . 350 210...320 НО...220 0...95
Нагретый элемент 260...350 200...320 90...210 0...0 0...0
Газ-теплоноситель 210..320 180.. .290 70...200 0...0 0...0
репадам, влаги, ультрафиолетовому облучению и др. Испытаниям подвергались образцы изделий (участки соединений), выполненных на полиэтиленовой пленке (ПЭНП) различными способами теплового воздействия (различными способами сварки). Изделиями были сварные полотна из ПЭНП толщиной 1,5 мм, сваренные газом-теплоносителем, нагретым элементом, ультразвуком, экструдированной присадкой, и основной исходный материал.
На рис. 1 представлены схемы теплового воздействия (схемы различных способов сварки), из которых следует, что при способах сварки газом-теплоносителем и нагретым элементом происходит прямое воздействие на материал теплоносителей, нагретых значительно выше температуры плавления соединяемого материала, и в зоне нагрева присутствует воздух (агрессивная среда). При сварке ультразвуком зона нагрева закрыта, тепло генерируется в среде ПЭ в результате преобразования высокочастотной механической энергии в тепловую. При сварке экструдированной присадкой появляется возможность достаточно строго регламентировать заданные режимы нагрева струи полимера, выходя-
щего йз мундштука экструдера, не допуская большого перегрева и длительного контактирования нагретого материала с воздухом.
Получали соединения листов полиэтилена с протяженностью швов до двух-трех метров. Из различных участков швов вырезали большие образцы (рис. 1д) длиной 30 — 50 см (до 10 образцов) и помещали в АИП-1, строго соблюдая режим испытаний, предписанный инструкцией АИП-1. Для сравнения в АИП-1 помещали и большие образцы исходного ПЭНП. После каждого контрольного времени (150, 300,450 и 600 часов) из больших образцов вырезались в различных местах шва малые образцы (рис. 1е и 1ж) для выполнения прочностных испытаний на разрывной машине.
На рисунках 2 и 3 представлены зависимости прочности и относительного удлинения материала | зоны соединения от способа теплового воздействия 1 (сварки) и длительности ускоренного искусственно- | го старения. Каждая точка на кривых является сред- Ц неарифметическим значением 4-х измерений. |
Анализируя приведенные на рис. 2 и 3 зависимое- _ ти, а также цифровые данные таблиц 3 и 4, можно
констатировать, что более интенсивно процессам старения, а отсюда и снижению прочности, подвержен тот полимерный материал, на который воздействовали теплом с повышенной температурой. Это способы с применением газа-теплоносителя, нагретого элемента и в меньшей мере экструдированной присадки. Исходный материал ПЭНП, вообще не подвергавшийся тепловым нагрузкам, выступал в роли своеобразного эталона и за 600 часов старения снизил прочность только на 16 — 17 %. Материал шва, обработанный ультразвуком, снизил прочность на 28 — 33 %, экструдированной присадкой — на 40 — 50 %, нагретым элементом — на 40 — 67 %, газом-теплоносителем — на 60 — 84 %.
Анализ результатов испытаний, представленных на рис. 3 и в табл. 4, показал, что материал ПЭНП, подвергшийся тепловым нагрузкам (сварке), существенно чувствительнее к их действию по показателю «относительное удлинение», чем по показателю «прочность на растяжение». Значения относительного удлинения резко изменяются уже после тепловой обработки, т. е. после сварки до испытания в АИП-1, в частности, показатель удлинения изменяется после ультразвукового воздействия на 20,5 — 23 % в сторону уменьшения относительно исходного ПЭНП, после обработки экструдированной присадкой — на 21-40%, после нагретого элемента — на 33,5 — 45,8 %, после газа-теплоносителя — на 40 — 56 %. Таким образом, имеет место явно выраженная корреляция показателя удлинения и режимов теплового воздействия на ПЭНП. При обработке газом-теплоносителем уже после 300 часов старения удлинение образцов при их растяжении практически не наблюдается, а при воздействии нагретым элементом нулевые показатели удлинения наблюдались при 450 часах старения. Даже при обработке экструдированной присадкой нулевые показатели удлинения возникают при старении 600 часов.
Обратили на себя внимание показатели разброса данных прочностных испытаний. Следует отметить, что одним из недостатков полимерных материалов является существенный по сравнению с металлами разброс различных показаний прочности (2, 3, 4]. В наших опытах также наблюдается значительный разброс данных при испытаниях на прочность при растяжении и особенно на относительное удлинение (рис. 2 и 3 и табл. 3 и 4).
В наших опытах по тепловому воздействию на полимерный материал использовались конкретные режимы существующих и широко используемых технологических процессов, в частности, сварочных процессов. При таких процессах, как правило, подбираются оптимальные режимы теплового воздействия, при которых достигаются оптимальные значения прочности швов, производительности и экономических показателей.
Все изделия из полимерных материалов можно условно разделить на изделия с длительным сроком эксплуатации и кратковременным, т. е. разового использования. К изделиям длительного срока эксплуатации относятся пластмассовые детали автомобильной, авиационной, машиностроительной, химической промышленности, а также изделия, используемые в сельском хозяйстве, медицине ит. д. К изделиям с кратковременной эксплуатацией относятся различные упаковки разового действия, детские игрушки, сезонные пленочные конструкции и др.
Исходя из назначения пластмассовых изделий создаются технологии их сварки и технологии их производства. При производстве ответственных кон-
струкций требуется, как правило, получать такие соединения, срок эксплуатации которых соизмерим со сроком функционирования всего изделия, то есть материал зоны соединения не должен отличаться по своим физическим, механическим и химическим свойствам от исходного материала. Из данных, приведенных в табл. 3 и 4 и рис. 2 и 3, следует, что наиболее приближенные к этим требованиям результаты позволяет получать ультразвуковая сварка.
Анализировали характер теплового воздействия на полимерный материал различных источников тепла (различных способов сварки). Как это было показано ранее (табл. 2), при тепловых способах сварки температура нагрева полимерного материала в зоне соединения существенно превышает температуру плавления полимера (на 70- 120 °С). Такой нагрев неизбежно сопровождается деструкцией высокомолекулярного органического вещества, что подтверждается в работах [9, 10, 11]. При контактной сварке нагретым элементом для получения максимальной прочности сварного соединения температура нагревателя для большинства термопластов должна быть близкой [12], а иногда равной или даже выше температуры разложения термопласта, т. к. только в этом случае обеспечивается технологически необходимый прогрев соединяемых кромок на достаточную глубину. После удаления нагревателя (рис. 1 г) на поверхностях деталей, подлежащих соединению, будут находиться слои перегретого материала, в котором частично прошли процессы деструкции.
С целью исключения попадания деструктирован-ного высокомолекулярного соединения в сварной шов на практике пользуются различными приемами. Например, применяют метод отрыва пленки, при котором соединяемые кромки (сварка встык трубидругих изделий) прогревают дольше, чемтре-буется, что вызывает термодеструкцию и окисление слоя в контакте с инструментом. Этот контактиру-емый слой быстро теряет вязкость и при удалении инструмента остается на нем благодаря адгезии, и обнажаются слои, не подвергшиеся деструкции. При осуществлении процесса сварки с отрывом пленки рекомендуются различные тепловые режимы работы нагревателя. Среди них - нагрев до максимально допустимой для данного термопласта температуры или нагрев до нормальной температуры с последующим ее резким повышением, обеспечивающим получение слоя, претерпевшего термоокислительную деструкцию. При последующей осадке после отрыва пленки выбирают такие параметры процесса осадки, которые обеспечивали бы удаление из зоны контакта воздушной прослойки, а также материала, частично подвергшегося термоокислительной деструкции.
При сварке нагретым газом перегрев и деструкция материала соединяемых кромок, а также и присадочного прутка, если он применяется, возникают из-за повышенной температуры (табл. 2) газа, выходящего из сопел горелки и содержащего большое количество кислорода. Необходимость повышения температуры газа (эта температура во многих случаях близка к температуре разложения материала термопласта) диктуется также технологическими требованиями, т. к. только при таких условиях можно прогреть соединяемые кромки до требуемой для сварки температуры. При получении соединений нагретым газом с использованием присадочного прутка, который нагревают до температуры высокоэластичного состояния и вдавливают в зону соединения (в разделку кромок). В этом случае перегрева-
ются и соединяемые кромки, и пруток диаметром 4—10 мм и более, т. к. при прогреве прутка по всей толщине до высокоэластичного состояния поверхностные слои перегреваются и деструктируют. С целью устранения этих недостатков применяют способы сварки экструдированной присадкой. При этом расплавленный присадочный материал, поступающий из экструдера, имеет достаточно низкую вязкость, что благоприятствует соединению его со свариваемыми кромками. Однако сами кромки имеют низкую температуру, и чтобы их прогреть, необходимо перегревать экструдируемый полимерный материал, чтобы он имел достаточный для оплавления кромок запас тепловой энергии — т. е. опять неизбежна деструкция. Эта проблема может быть решена путем использования комбинированных способов, сочетающих предварительный нагрев кромок, доведения материала до высокоэластичного состояния, не достигая деструкционного перегрева, а затем только вводить экструдированную присадку. Этот технологический прием позволяет получать наилучшие результаты в сравнении с другими тепловыми способами выполнения соединений, что подтверждается авторами работ [8, 13]. Однако этот процесс трудно управляемый и сложен в автоматизации, и также не исключает перегрев и деструкцию.
Хорошие показатели, как по прочности, так и по долговечности, достигаются при сварке трением. Прочность соединения при этом достигает 90 и даже 100 % от прочности основного (исходного) материала, а по долговечности материал соединений практически не уступает исходному материалу [14,15]. Это качество достигается в результате вытеснения вращающимися деталями из зоны соединения жидкотеку-чей полимерной массы за зону шва. Однако способ сварки трением может быть применен только для соединения деталей, имеющих форму тела вращения. Корпусные конструкции сложной формы соединения, а также пленочные и листовые изделия этим способом соединить практически невозможно.
Ультразвуковая сварка также позволяет получать сварные соединения, прочность которых достигает 90— 100% от прочности основного материала, и преимущество этого вида источника энергии перед другими в ряде случаев неоспоримо [ 16,17]. Этот способ успешно применяется при упаковке пищевых продуктов в полиэтиленовые емкости, для соединения синтетических тканей, для герметизации полиэтиленовых мешков, при изготовлении игрушек [18]. Однако, как это показано в ряде работ [ 19,20], при ультразвуковой сварке наблюдается существенная нестабильность прочности, что прослеживается даже на одном изделии при вырезании образцов для испытаний шириной 10 мм. Прочность при этом различных участков шва колеблется в пределах от 50 до 100 % прочности основного материала. Это объясняется сложными волновыми процессами при распространении ультразвука в свариваемых пластмассовых деталях.
Подводя итог изложенному выше, следует констатировать, что все существующие способы воздействия на полимерные материалы с целью производства из них изделий имеют в своей основе тепловую нагрузку и всегда приводят к изменению физико-механического состояния материала, чаще всего в худшую сторону. Уровень теплового воздействия следует разбить на две части: докритическое и пос-лекритическое. Докритическое температурное воздействие не связано с доведением материала до жид-котекучего состояния. Критическое и послекрити-
ческое воздействие предусматривает нагрев пластмассы до жидкотекучего состояния и далее до температур деструкции. Таким образом, любое тепловое воздействие на полимерные системы является нежелательным.
Оптимизация теплового воздействия на высокомолекулярные органические вещества достигается пугем усложнения процесса, как это оговаривалось выше для экструдированной присадки, что позволяет свести к минимуму отрицательные эффекты.
Приведем результаты исследований предложенного комбинированного способа воздействия на полиэтилен, в частности температуры и ультразвука.
Как уже упоминалось ранее, режимы теплового воздействия и иные побочные факторы имеют первостепенное влияние на состояние полимерного материала. Существенными параметрами при этом следует считать уровень температуры и длительности ее воздействия, доступ к нагретому материалу химически активных веществ и уровень силовых механических полей.
Путем изменения режимов любого из сварочных процессов можно усиливать или ослаблять действие на превращения в полимерной среде каждого параметра. Однако необходимость обеспечения регламентированных механических характеристик материала в зоне обработки (сварки) вынуждает усиливать отдельные параметры режима воздействия, что приводит к конкурентным явлениям. Действительно, для обеспечения оптимальной коалесценции соединяемых поверхностей необходимо в полном объеме обеспечить диффузию [21]. Для этого материал должен быть нагрет до жидкотекучего состояния и выдержан при температуре этого состояния определенное время. Длительная термическая выдержка приводит к вредным для полимера химическим превращениям. Поэтому для получения качественного соединения оптимизируют как способы сварки применительно к тому или иному полимерному материалу, так и режимы каждого из способов. В этой связи изучение влияния различных параметров режима сварки на уровнях изменений в полимерах в зоне воздействия и влияние этих изменений и превращений на свойства полимерного материала является актуальным.
Былй выполнены исследования результатов управляемого воздействия тепла и ультразвука на полиэтилен. Схема воздействия приведена на рис. 4. Обработке подвергались образцы полиэтилена толщиной 1 мм. Регулируемые параметры — температура и время пребывания материала при различных температурах. При тепловых способах обработки задавалась температура источника нагрева, а при ультразвуковой обработке тепловая обстановка в зоне
/;///;////;л>//////////
/7777777^7777777
Рис. 4. Схемы воздействия на пластмассовые образцы теплом (а) и ультразвуком (б): 1 - нагревательные элементы; 2 - термопары, контролирующие температуру нагревателей
и полимерного образца; 3 - обрабатываемый полиэтиленовый образец; 4 - ультразвуковой инструмент; 5 - опора
г • / 100'С прх.
Т'С 4-х- ------
— \ .. 180'
Т ^ 210-С ' «Ч .
Циклограмма ншрем и температур» *
12 14 5
Время испытаний при тепловом нагреве, Т , мин.
I 2 > 4 5 6 1
Прсмя испытании при всплеПствнн ультратвуком . г . ми»
Рис. 5: а - влияние температуры нагрева и времени воздействия тепла на прочность полиэтиленовой пленки толщиной 1 мм при тепловом нагреве; б - влияние температуры нагрева и времени воздействия ультразвуком на прочность полиэтиленовой пленки толщиной 1 мм при ультразвуковом нагреве
Осн. нкоА мете жал
---/• — — „ 100 К.
20 "С
'ио-с ) \Т \ Г, * \
180 21 / Ч ч. \
100 200 ЭОО 400 500 Время старения обрншон полиэтилена, ч
■2 12
Осн. апой мяте|Н и «г
II! ----- / ЮСС
.........V 150*С О —., V. 120-с 1ч
II гс> "Г Ч ^ I чт к
11 А ч
100 400 Время стирсния образной полиэтилена, ч
Рис. 6: а - влияние уровня химических превращений (различная температура при времени обработки 5 мин.) нагретым элементом на прочность полиэтилена толщиной 1 мм при старении в АИП-1 после обработки нагретым элементом; б - влияние уровня химических превращений (различная температура при времени обработки 5 мин.) нагретым элементом на прочность ПЭ толщиной 1 мм при старении в АИП-1 после обработки ультразвуком
нагрева управлялась путем изменения амплитуды колебания ультразвукового инструмента и длительности включения ультразвуковых колебаний. Тепловая обстановка управлялась с помощью терморегуляторов, датчиками которых служили хро-мель-копелевые термопары. При ультразвуковой обработке стабилизация температуры производилась путем импульсного включения ультразвуковых колебаний (см. циклограммы на рис. 5). Амплитуда колебаний рабочего торца ультразвукового инструмента составляла 35 — 40 мкм. Обработанные образцы полиэтилена толщиной 1 мм подвергались после-сварочным испытаниям на прочность (рис. 5) и закладывались для ускоренного искусственного старения в АИП-1. Результаты прочностных испытаний образцов, подвергшихся старению, представлены на рис. 6.
Анализируя результаты испытаний, можно сделать вывод, что послесварочная прочность полиэтилена, обработанного теплом при разных температурах (рис. 5а), выше, чем при ультразвуковой обработке (рис. 56). Это явление можно объяснить тем, что при ультразвуковой обработке на полимерный материал действуют и высокочастотные механические колебания, и тепловое поле, возникающее при трансформации колебаний в тепло в среде полимера в течение более длительного времени, т. к. он более жесткий источник. Процессы старения полиэтилена в АИП-1 после тепловой и ультразвуковой обработки протекали по-разному и представлены на рис. 6. Хотя исходная прочность полиэтилена, помещенного в АИП-1, была различной после 5-минутной обработки (при тепловой выше, а ультразвуковой — ниже), | но динамика ее изменения в процессе старения су-I щественно изменялась. Образцы, обработанные | ультразвуком (рис. 66) более длительное время (в | 1,5 — 2 раза), сохраняли исходную прочность, нахо-| дясь в АИП-1, в сравнении с образцами, обработан-ными теплом, хотя исходная прочность образцов с 1&Я тепловой обработкой была выше. Это объясняется
тем, что при тепловой обработке поверхность образцов подвергалась воздействию более высокой температуры при свободном доступе кислорода. Это порождало протекание окислительных процессов на поверхности более интенсивно, чем внутри материала при ультразвуковой обработке, что и создает предпосылки для более умеренного протекания деструкции и большего снижения прочности.
Из полученных данных следует, что энергия ультразвука является более щадящей в отношении полимерного материала в сравнении с другими источниками сварочной энергии.
Определяли влияние на прочностные показатели соединений различных параметров режима ультразвукового воздействия на образцы из полиамида П-6 и винипласта. Переменными параметрами были амплитуда рабочего торца инструмента и длительность воздействия ультразвуковых колебаний. Сварочное давление выбиралось оптимальным.
Было установлено, что при сварке П-6 оптимальная послесварочная прочность швов достигалась при амплитуде колебаний рабочего торца ультразвукового инструмента £ ин = 40 — 50 мкм и времени сварки (длительность действия ультразвуком) г=2,5 с (рис. 7). Увеличение как времени сварки, так и амплитуды ультразвуковых колебаний, неизменно приводило к снижению прочности соединений. Аналогичная закономерность наблюдалась и при ультразвуковой сварке образцов из винипласта (рис. 8), с той разницей, что для получения оптимальной прочности требовалось меньше времени включения ультразвукового инструмента. Сварочное давление торца ультразвукового инструмента составляло для полиамида 5 МПа, а для винипласта 3 МПа.
Из анализа результатов исследования следует, что режимы ультразвуковой сварки существенно влияют на прочность сварных соединений, т. к. от жесткости режима зависит уровень химических превращений в полимерном материале. Заложенные в процессе сварки предпосылки ускоряют де-
S °.6
S
$
ё
I °'5
0,4
Кст = "и юд "'оги.лмя,. Г„=2,5с /
// * / ' г. =3,5с^
/ / / / f / /
f
0 15 30 45
Амплитуда колебаний рабочего торца ультразвукового инструмента, £ ин, мкм
Э
8 X т
8.
С
3
50
МКМ \ S *
X * г / / ✓ vi
/ < / / / / / /' V / ни =55 мкм км
t/ =25 мкм
Время сварки, Г , с
Рис. 7: а - влияние амплитуды колебаний рабочего торца УЗ инструмента на прочность соединений полиамида; б - влияние времени сварки на прочность соединений полиамида при УЗС
с 2
а j
а.
с
10 20 30 40 50 60 Амплитуда колебаний рабочего торца ультразвукового инструмента, ^ т > мкм
i я
х т
8. с
2 3 4 5 Время сварки, Г , с
Рис. 8: а - влияние амплитуды колебаний на прочность соединений винипласта при УЗС (время сварки 2,5 с, давление 3 МПа); б - влияние времени сварки на прочность соединений винипласта при УЗС (амплитуда колебаний 30 мкм, давление 3 МПа)
струкционные процессы при старении в искусственных условиях, а значит, и при эксплуатации. Энергия ультразвуковых колебаний выгодно отличается от других тепловых источников, т. к. при нагреве ультразвуком ограничен доступ кислорода к зоне сварки, а время сварки значительно меньше, чем при использовании других видов энергии. Однако ультразвуковое поле обладает крайне лабильными свойствами, что приводит на начальной стадии сварки к появлению очагов перегрева, в которых возникают необратимые химические реакции, снижающие эксплуатационные свойства полимерных сварных соединений. Эти особенности ультразвуковой сварки иногда (при изготовлении ответственных конструкций) не позволяют использовать ее по прямому назначению. Поэтому для смягчения отрицательного физико-химического действия энергии ультразвуковых колебаний на полимеры предлагается использовать ряд технологических приемов. К ним относятся дозирование энергии ультразвуковых колебаний, использование энергии колебаний ультразвука в комбинации с другими энергиями, использование предварительной обработки соединяемых поверхностей (пластикация растворителями) и др.
Заключение
1. Установлено, что тепловое воздействие на полимерные материалы в любой форме и по любой схеме отрицательно влияет на механические свойства и долговечность высокомолекулярного органического вещества.
2. Процессы переработки пластмасс в изделия в подавляющем большинстве случаев связаны с термическим воздействием, часто сопровождающимся
плавлением материала и деструкционными явлениями.
3. Из всех процессов переработки пластмасс в изделия сварка занимает ведущее место, как по объему выпускаемых изделий, так и по склонности возникающих при процессах сварки физических и химических превращений.
4. Основными регламентирующими показателями переработки пластмасс в изделия является прочность, сохранение исходных свойств и долговечности материала, подвергшегося воздействию теплом и другими видами энергии. ,
Библиографический список
1. Афанасьев П.А. Применение пластических масс в машиностроении. М.: Машгиз, 1971. — 210 с.
2. Шифрина B.C., Самосатский H.H. Полиэтилен. М.: Гос-химиздат, 1961. — 176 с.
3. Справочник по пластическим массам. 2-е изд., перераб. / Под ред. В.М. Катаева и В.А. Попова. М.: Химия, 1975, т. 1. — 448 с.
4. Энциклопедия полимеров. — М.: Сов. энциклопедия, 1977, т. III. - 1152 с.
5. Москатов К.А. Термическая обработка пластмассовых и резиновых деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. — 200 с.
6. Тростянская Е.Б., Комаров Г.В., Шишкин В.А. Сварка пластмасс. — М.: Машиностроение, 1967. — 252 с.
7. Зайцев К.И., Мацюк Л.Н. Сварка пластмасс. - М.: Машиностроение, 1978. — 224 с.
8. Соловьев В.П., Мацюк Л.Н. Процессы нагрева полиэтилена при сварке зкетрудированной присадкой и контактно-экструзионным методом. // Сварочное производство, 1978, Ne4. - С. 43-45.
9. Берлин A.A. Кинетика полимеризационных процессов. - М.: Химия, 1965. - 676 с.
10. Хувинк Р., Ставерман А. Химия и технология полимеров/ Пер. с нем. Под ред. М.М. Котона, т. 1. — М. — Л.: Химия, 1965. - 676 с.
11. Стрепихеев A.A., Деревицкая В.А., Слонимский Г.Л. Основы химии высокомолекулярных соединений. — М.: Химия, 1967. - 516 с.
12. Зайцев К.И. Механизм образования соединения при контактной сварке термопластов плавлением/ Автоматическая сварка, 1973, № 9. - с. 44-45.
13. Ханжин Ю.В., Егоров Б.Н. Сварка листов полипропилена контактно-экструзионным методом / Сварочное производство. - 1978, № 3. - с. 28-31.
14. Вавилов А.Я., Войнов В.П. Сварка трением. — М.: Машиностроение, 1974. — 154 с.
15. Неккеев 3, Сварка пластмасс трением / Сварочное производство. - 1972, № 11. - С. 52-53.
16. Николаев Г.А., Ольшанский H.A. Специальные методы сварки. М.: Машиностроение, 1975. — 232 с.
17. Мозговой И.В. Технологические возможности способа ультразвуковой сварки пластмасс // Теория и практика сварочного производства. Сб. науч, трудов/ Челябинский политехи. инст. — Челябинск, 1969. — с, 108 — 110.
18. Мозговой И.В. Основы технологии ультразвуковой сварки полимеров. — Красноярск: Изд-во КГУ, 1991. — 280 с.
19. Мозговой И.В. Ультразвуковая сварка полиэтилена/ Сб. трудов «Сварка и склейка пластмасс». — М.: МВТУ им. Баумана, 1978. - с. 115 - 116.
20. Мозговой И.В. Физико-химическая модель механизма образования соединения при ультразвуковой сварке пластмасс. // Прогрессивные технологические процессы заготовительного производства. Межвузовский сборник науч. тр./ Под. ред. А.К. Машкова. - Новосибирск, 1978. - с. 147 - 162.
21. Воюцкий С.С. Аутогеэия и адгезия высокополимеров. -М.: Ростехиздат, 1960. — 244 с.
МОЗГОВОЙ Иван Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Химическая технология органических веществ». НЕЛИН Анатолий Григорьевич, доцент кафедры «Химическая технология органических веществ». ДАВИДАН Геннадий Михайлович, доцент кафедры «Химическая технология органических веществ». МОЗГОВОЙ Евгений Иванович, аспирант кафедры «Химическая технология органических веществ». МОЗГОВОЙ Олег Иванович, студент кафедры «Химическая технология органических веществ».
Статья поступила в редакцию 01.12.06 г. © Мозговой И. В., Нелин А. Г., Дав и дан Г. М„ Мозговой Н. И., Мозговой О. И.
УДК 615.465.03:616.314-089.28 ДО. ИВЛЕВ
Н. В. НАЙМУШИНА
Новосибирский государственный медицинский университет
ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШТИФТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СПЛАВА НИКЕЛИДА ТИТАНА В КЛИНИКЕ ОРТОПЕДИЧЕСКОЙ СТОМАТОЛОГИИ
Результаты оценки состояния эубочелюстной системы после применения штифтовых конструкций из никелида титана, основанные на специальных клинических исследованиях, свидетельствуют о высокой эффективности конструкции. В связи с чем использование сплава никелида титана, проявляющего сверхэластичные свойства и обладающего эффектом памяти формы для изготовления штифтовых конструкций при восстановлении полностью разрушенных коронок зубов, представляется перспективным направлением в ортопедической стоматологии.
В последние десятилетия для восстановления ко-ронковой части зуба и коррекции возникших нарушений формы и функции зубочелюстной системы используют индивидуальные и стандартные штифтовые системы с покрывными конструкциями [1,6].
В клинике кафедры ортопедической стоматологии НГМУ было проведено обследование 327 пациентов, которые имели изготовленные до 2000 года несъемные зубные протезы.
Всего изучено состояние 1134 несъемных зубных протезов: 767 одиночных коронок и 367 мостовидных протезов.
Несъемные зубные протезы опирались на 1728 депульпированных зубов, 318 из которых были ар-
мированы различными штифтовыми конструкциями. 114 зубов были армированы культевыми штифтовыми вкладками, изготовленными из кобальтохро-мового сплава. Стандартные металлические штифты были использованы для укрепления 204 зубов (86 пассивных и 118 активных постов).
Обследование показало, что использование таких штифтовых систем часто сопровождается осложнениями:
1. Перелом корня зуба, восстановленного ШК (раскол корня зуба), выявлен у 26 пациентов (8,2%), среди наиболее вероятных причин - истончение стенок корня на протяжении всей его длины, конструирование длинного и толстого штифта, использо-
