陳佩民，楊文光，孫克原

(南京肯特復(fù)合材料有限公司，江蘇 南京 211162)

1 引言

隨著世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是航空航天、電子半導(dǎo)體、化工化學(xué)、環(huán)保工程、流體機(jī)械等工業(yè)快速發(fā)展，這些工業(yè)領(lǐng)域越來(lái)越離不開(kāi)防腐材料。而今各種先進(jìn)的防腐材料不斷推陳出新，其中聚四氟乙烯(PTFE)素有“塑料王”美譽(yù)。以其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫和防腐蝕性、不粘性、優(yōu)異的潤(rùn)滑性能等特性越來(lái)越受到人們的重視。PTFE作為一種特殊的防腐材料已經(jīng)被許多工業(yè)領(lǐng)域所接受，但由于其分子是C-F形成的螺旋結(jié)構(gòu)式，高度對(duì)稱型無(wú)極性聚合物，所以非常穩(wěn)定，表面能低，潤(rùn)濕性差，屬于高惰性難粘材料，普通的膠粘劑難以直接粘接，因此人們通過(guò)研究試圖將PTFE于PTFE牢牢粘接在一起，各種粘接技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。如:化學(xué)處理法(如鈉荼溶液處理粘接法，鈉的液氨溶液處理粘接法)、放電處理法、輻射接枝聚合法、化學(xué)填料法等，無(wú)論哪種技術(shù)都是為了提高PTFE表面活性提高粘接度來(lái)解決PTFE與PTFE、PTFE與金屬、PTFE與橡膠等材料的粘接［1-4］。但筆者發(fā)現(xiàn)使用此類技術(shù)在解決PTFE棒材或?qū)⒁欢ê穸鹊?塊PTFE板材相互粘接成為PTFE圓管時(shí)其粘接處拉伸強(qiáng)度都不達(dá)到原材料的力學(xué)性能的50%，效果很不理想，且粘接后粘縫不平整，不能滿足環(huán)保、流體工程所要求的技術(shù)性能指標(biāo)。為了進(jìn)一步解決此類問(wèn)題，可以使用焊接技術(shù)。目前塑料焊接的方法很多，如熱板焊接、超聲波焊接、激光焊接等，均是通過(guò)熱塑性塑料受熱熔融的特點(diǎn)，憑著熱的作用，使2個(gè)塑料部件的表面同時(shí)熔融，在外力的作用下，使2個(gè)部件結(jié)為一體［5-6］。

筆者提供一種新型的PTFE板焊接技術(shù)，并且過(guò)對(duì)焊接過(guò)程中夾緊裝置的改進(jìn)和研究，使焊接后的焊縫強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不低于原板物理力學(xué)性能80%，并且外觀平整，無(wú)裂紋。

2 新型焊接原理

從理論上講，對(duì)兩塊PTFE板的對(duì)接區(qū)采用加熱至一定溫度使之熔融、然后對(duì)熔體加壓到一定壓力并保溫保壓一段時(shí)間使得兩塊的對(duì)接區(qū)融合在一起，再冷卻即可完成對(duì)接焊的焊接(粘接)過(guò)程如圖1所示。但是這種焊接方法的弊端在于焊接時(shí)熔體在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板平行的方向上不能自由流動(dòng)，則PTFE在融合過(guò)程中受到限制導(dǎo)致PTFE的體積可能會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致對(duì)接縫(焊縫)處的物力學(xué)性能不能滿足要求，焊縫不平整。筆者正是發(fā)現(xiàn)了這種問(wèn)題，通過(guò)不斷的研究改進(jìn)，采用對(duì)相對(duì)接的2塊PTFE板的對(duì)接區(qū)加熱的同時(shí)對(duì)其加壓，這樣加熱區(qū)的熔體能夠在承受壓力的條件下在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板平行的方向上自由流動(dòng)的加壓方法如圖2所示，解決了該問(wèn)題，使得焊接后焊縫的物理力學(xué)性能不低于原板的80%，并且焊縫平整。本技術(shù)非常好的解決了PTFE與PTFE之間的粘接問(wèn)題，將原來(lái)的有限尺寸產(chǎn)品通過(guò)焊接技術(shù)把產(chǎn)品做成無(wú)限大，完全滿足環(huán)保以及防腐工程的需要。

圖1 普通焊接技術(shù)

圖2 新型焊接方法

3 焊接過(guò)程中的創(chuàng)新裝置

PTFE板具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，所以?shī)A緊裝置如何夾緊PTFE板也是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。普通的夾緊裝置靠?jī)蓧K壓板夾緊PTFE板。壓板與潤(rùn)滑性能較好的PTFE板之間容易相對(duì)滑動(dòng);且?jiàn)A緊裝置夾緊PTFE板的夾緊區(qū)一般靠近PTFE板的對(duì)接區(qū)(加熱區(qū))，由于熱的傳導(dǎo)，加熱區(qū)的熱量也會(huì)傳導(dǎo)至夾緊區(qū)，導(dǎo)致夾緊區(qū)的PTFE板變軟，在兩塊壓板的初始夾緊力的作用下被夾緊的PTFE板會(huì)變薄，所以會(huì)出現(xiàn)初始狀態(tài)被夾緊的PTFE板，隨著加熱區(qū)的加熱，變軟變薄從而壓板不能繼續(xù)夾緊PTFE板了。為此本文所采用的夾緊裝置是在PTFE板上下兩側(cè)有相對(duì)的兩塊壓板，在一塊壓板與PTFE板間設(shè)置彈簧，通過(guò)兩塊壓板的相對(duì)移動(dòng)壓縮所述彈簧，使得PTFE板被彈簧夾緊在彈簧與另一塊壓板間如圖3所示。

圖3 新型夾緊裝置

采用這樣夾緊方法的效果:當(dāng)夾緊區(qū)的PTFE板隨著加熱區(qū)的加熱逐漸變軟變薄時(shí)，由于熱的傳導(dǎo)，導(dǎo)致夾緊區(qū)的PTFE板也變軟，此時(shí)被壓縮的彈簧能夠自動(dòng)伸長(zhǎng)，使得PTFE板仍能夠被彈簧壓緊，并對(duì)PTFE板的厚度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

自行設(shè)計(jì)的夾緊裝置與普通的夾緊裝置有較大的差別。由各種原因?qū)е庐?dāng)兩塊壓板之間的距離有較小的變化時(shí)，夾緊裝置的壓簧能夠自動(dòng)伸長(zhǎng)，而對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使得被夾緊的PTFE板不會(huì)被松開(kāi)。尤其是在焊接時(shí)，由于夾緊裝置夾緊PTFE板的夾緊區(qū)一般靠近PTFE板的對(duì)接區(qū)(加熱區(qū))，由于熱的傳導(dǎo)，加熱區(qū)的熱量也會(huì)傳導(dǎo)至夾緊區(qū)，導(dǎo)致夾緊區(qū)的PTFE板變軟，這樣在壓簧的壓緊下PTFE板會(huì)變薄，但是被壓縮的彈簧能夠自動(dòng)伸長(zhǎng)，從而對(duì)PTFE板的厚度變化進(jìn)行補(bǔ)償，使得PTFE板基本上仍能被彈簧壓緊。

4 性能測(cè)試

PTFE焊接處質(zhì)量的好壞一般取決于它的焊縫強(qiáng)度。檢驗(yàn)焊縫強(qiáng)度的一個(gè)方法就是在焊接好的產(chǎn)品上裁切拉伸樣條A如圖5，焊線在拉伸試條的中心位置。在加熱區(qū)的不同溫度和不同焊接壓力20、30、40、50 MPa下制得的產(chǎn)品上分別制取拉伸試條。同樣，在原PTFE板上制取相同規(guī)格的拉伸樣條，如圖6。參照ASTM D-638板材對(duì)拉伸試條做拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，結(jié)果見(jiàn)表1所列。

圖5 拉伸樣條A

圖6 拉伸樣條

表1 不同型號(hào)PTFE板材在不同焊接條件下的性能測(cè)試

由表1可以看出，在焊接過(guò)程中加熱區(qū)的壓力及溫度對(duì)焊接管的質(zhì)量(拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率)有很大的影響。

通過(guò)計(jì)算:

傳統(tǒng)的焊接缺點(diǎn):一是強(qiáng)度保留率≤50%，二是焊接后不平整。無(wú)法滿足流體化工環(huán)保工程的使用。而焊接后的焊縫強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不得低于原板的物理力學(xué)性能80%。

5 外觀檢測(cè)

PTFE焊接處質(zhì)量的好壞不緊要看其粘合強(qiáng)度性能，其外觀也是重要標(biāo)準(zhǔn)。一般粘接后存在的外觀缺點(diǎn)是:焊縫不平整，有裂紋或里面有雜質(zhì)等，而采用該新型焊接方法，這些問(wèn)題迎刃而解，如圖7所示。

圖7 焊接后的成品外觀圖

6 結(jié)論

PTFE板焊接管材的質(zhì)量受到溫度、壓力、時(shí)間、原料特征及環(huán)境等的影響。在焊接的過(guò)程中對(duì)接區(qū)加熱溫度為350～390℃，壓力為10～50 MPa/cm2，焊接后的焊縫強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不得低于原板的物理力學(xué)性能80%，并且外觀平整，無(wú)裂紋。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)熱板焊接技術(shù)有一定的研究，但是國(guó)內(nèi)對(duì)PTFE板焊接技術(shù)還處于空白的狀態(tài)，國(guó)外關(guān)于PTFE板焊接技術(shù)也處于不斷研究的狀態(tài)。采用本文所闡述的新型焊接技術(shù)可以大大的提高PTFE板焊接處的物理力學(xué)性能，PTFE焊接管也將可以在大范圍內(nèi)推廣。

［1］ 張靜政，王文亭.塑料焊接［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

［2］ 陶永亮.塑料焊接加工幾種方法［J］.塑料制造，2011(12):75-79.

［3］ 張靜政.塑料焊接技術(shù)問(wèn)答［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

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［5］ 陶永亮.塑料焊接加工幾種方法［J］.加工應(yīng)用，2011(12):75-79.

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