Способ ультразвуковой сварки полимерных материалов

(71) Заявите ий политехническии институт(54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХМАТЕРИАЛОВ относится к областисс, а именно к способамвуком материалов из.х частиц и волокон.пособ образований соеди"олимерного материалаа его в пресс"Форме сдействием сдавливающегоазвуковых колебаний 01.м способа является то,ате разогрева в пресс"30ные зерна составляющихзмягчаются, что исклю"ть образования свйзейкомпонентов без разру"15их. лизким по технической стигаемому результату является способ ультраки полимерных материа" ий сдавливание материавие на него ультразву- . ниями И ,Наиболее б сущности и до к изобретению звуковой свар лов, включающ ла и воздейст ковыми колеба Изобретение сварки пластма сварки ультра мелкодисперсны Известен с нений внутри путем раэогре одновременным усилия и ульт Недостатко что в результ Форме структу компонентов р чает возможно между зернами щения последнНедостаток укаэанного способа за" ключается в том, что при сварке материала в виде твердых частиц или волокон длительное непрерывное действие ультразвуковых колебаний приводит к полному разрушению структурных составляющих и снижению прочностных свойств материала в результате пере" грева и деструкции.Целью изобретения является повышение прочности соединения материала в виде твердых частиц или волокон.Эта цель достигается тем, что по способу ультразвуковой сварки полимерных материалов, включающему сдавливание материала и воздействие на него ультразвуковыми колебаниями, ультразвуковыми колебаниями на мате" риал воздействуют периодически с длительностью периодов, изменяющейся по экспоненте, При этом длительность первого периода определяют по началу плавления частиц на их границах причем после каждого периода воэдейст3 Фгдеи С" соответственно первый ипоследующий периоды включения ультразвуковых колебаний;Ии - номер периода;- коэФФициент поглощенияультразвуковых колебанийв данном материале,Сущность изобретения поясняется Ю примерами выполнения способа. 3 90316вия ультразвуковыми колебаниями наматериал последний выдерживают под,давлением до охлаждения материала ниже температуры кристаллизации.Это обеспечивает образование межкомпонентных соединений внутри материала без нарушения исходной структуРы.На Фиг. 1 изображена схема процесса образования межкомпонентных соеди Внений материала; на Фиг. 2 - граФикизменения продолжительности включенийультразвуковых колебаний,Способ ультразвуковой сварки заклю"чается в следующем. МСдавленный усилием Р материал 1подвергают периодическому воздействиюколебаний, передаваемых от ультразвукового инструмента 2. При этом максимум ультразвуковой энергии погло"щается в зоне, расположенной вблизиизлучающей поверхности инструмента2, где в результате граничного трениямежду, поверхностями частиц (вОлоконкомпонентов) происходит их подплавление, что может быть заФиксировано поввзичине осадки инструмента, Последняя устанавливается экспериментальным путем и зависит от Физико-механического состояния свариваемого матерввла. Восле достижения определенйойосадки или спустя время ц ультразвук выключают, и матерйал под давлением выдерживают до полного охлажде"ния и кристаллизации, образовавшейсямежду частицами, размягченной прослой" ффки После эатвердевания прослоек границы разделов между частицами исчезает и образуется монолитный слой Ь,обладающий меньшей способностью пог вещать ультразвуковые колебания, так фкак границы раздела, являющиеся ос".новным поглотителем энергии ультразвуковых колебаний, исчезают. Привключении второго импульса ультразвуковых колебаний энергия ультразвука ффчерез слой Ь передается слое Ь, вкотором вновь по границам частиц е результате граничного трения выделяется тепло и обраэуютсл соединения,т.е, процесс внутренней. сварки вслое й повторяется типично, как и вслое Ь, . Однако вследствие того, что.поглощение в слое Ь все же имеется,время Ф второго импульса ультразву 1 4ковых колебаний сокращается до такойпродолжительности, при которой материал в слое 6 О не нагревается вышетемператур, нарушающих его структуру,например ориентацию полимеров илиполное расплавление частиц, Поэтомуи толщина слоя п,1 получается меньшейЬо, а толщина слоя Ь 4 Ь, и т.д,Следует отметить, что в реальном процессе внутренней сварки четкой границы между слоями ЬО,Ь,Ь и т.д,йе существует. Экспериментально установлено, что оптимальным, с точкизрения получения наибольших прочностных свойств различных материалов, является снижение времени ультразвуковых импульсов по экспоненциальномузакону И р и и е,р 1. Заготовка невулканизованной смеси из синтетического каучука БХ и СКН, сажи и других мате"риалов, находящейся в застеклованном состоянии, готовым изделием длякоторой является образец в виде ци"линдра б 50 мм и высотою 20 мм, подвергалась ультразвуковой сварке приследующих режимах:Статическое давление 5 кгс/см"амплитуда ультразвуковых колебаний 30 мкмЧастота ультразвуковых колебаний . 20 кгцПродолжительностьпервого импульсаультразвуковых колебаний 0,3 сКоличество импульсов и = 8,8 результате ультразвуковой сварки были получены следующие прочностные показатели, характеризующие материал после его сварки (см,табл,1),903161 таблица 1 Вид испытаний Исходный материал Сопротивление разрыву,. кгс/см 105 Напряжение при 300удлкгс/см 68 36 487 453 398 10 249 472 213 394 после старения Статическое давление 4,5 кгс/смфАмплитуда ультразвуковых колебаний 30 мкмЧастота ультразвуковых колебанийПродолжительностьпервого импульсаультразвуковых коле"баний 05 сКоличество импульсов и56 результате сварки между моново,локнами капронового корда и резиновойсмесью были получены следующие показатели прочности при испытании на раздир в кгс/см (см. табл. 2),Т а б л и ц а 2 20 кгц Иатериал, полученный калан"дрованием Иатериал, полученный внутренней сваркой при длительностиначальных импульсов Ф. =0,5 с = 0,3 с Сопротивление раздиру,кгс/см Относительное удлинение, Ф Остаточное удлинение, Ф Истирание квт.ч. на см до старения Из результатов испытаний, приведенных в таблице 1 следует,что оптимальным режимом сварки является цикл с начальным периодом % = 0,3 с.П р и м е р 2. Заготовка из по" слойно расположенных нитей капронового корда и резиновой смеси в застеклованном состоянии, готовым изделием из которой является образец, диаметром 50 мм и высотою 10 мм, подвергался внутренней сварке при следующих параметрах режи" Иатериал после сварйи при СЬ ЮЮЮтютттав 02 с 03 с 05 с7 9031Результаты испытаний, приведенные в таблице 2,показывают,что оптимальным режим сварки является при = 0,5 с.Способ ультразвуковой сварки композитных материалов может найти применение в различных процессах, связанных с переработкой в изделия по,лимерных материалов, представляющих порошки и смеси иэ различных порошков и сплошных масс и частиц, волокна и смеси их с различными порошками, сплошными массами и другими вещества" ми, находящимися в различном Физичес ком состоянии. 1%.Способ ультразвуковой сварки был .испытан при сварке между собою различных компонентов, входящих в реэинотканевую смесь, из которой впоследст" вии были изготовлены каркасные брас" леты легковых автомобильных покрышек. Покрышки испытывались в дорожных усло виях и показали увеличение ходимости на 20"30 по сравнении с серийными, что позволяет экономить сырье и трудо уэ затраты на сумму 8-10 млн.рублей на каждый .1 мпн.легковыхпокрцшек, вц" пускаемых в СССР.61 8формула изобретения Способ ультразвуковой сварки полимерных материалов, включающий сдавливание материала и воздействие на негоультразвуковыми колебаниями, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения прочности соединения материалав виде твердых частиц или волокон,ультразвуковыми колебаниями на материал воздействуют периодически с дли"тельностью периодов, изменяющейся поэкспоненте, при.этом длительность первого периода определяют по началуплавления частиц на их границах, причем после каждого периода воздействияультразвуковыми колебаниями на материал последний выдерживают под давле"нием до охлаждения материала ниже температуры кристаллизации.Источники информации,принятые во внимание при .экспертизе1, Басов Н,И. и др. Виброформованиеполимеров, Л "Химия", 1979, с. 93.2. Волков С.С. и др. Сварка пластмасс ультразвуком. И., "Химия", 1974,с. 74-75 (прототип),903161 Составитель Н, Елисееваедактор Л. Утехина Техред И. Гергель Корректор А, ферен Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проек Заказ 12536/21 Тираж б 72 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, И, Рау